Fale sejsmiczne śledzą proces ładowania wód gruntowych w Los Angeles po zimie

Rekordowe burze w 2023 r. wypełniły po brzegi główne zbiorniki wodne Kalifornii, przynosząc pewną ulgę w trwającej od dziesięcioleci suszy, ale ile z tych rekordowych opadów spłynęło pod ziemię?

Shuguan Mao z Uniwersytetu Stanforda i jej współpracownicy zastosowali zaskakujące podejście, aby odpowiedzieć na to pytanie w odniesieniu do większego obszaru metropolitalnego Los Angeles. Przeanalizowali zmiany prędkości fal sejsmicznych przemieszczających się przez basen Los Angeles i prześledzili te zmiany w przestrzeni i czasie między styczniem a październikiem 2023 r.

Jak stwierdził Mao z Amerykańskiego Towarzystwa Sejsmologicznego (SSA). Doroczne spotkanie 2024Badania wykazały, że poziom wód gruntowych powrócił niemal całkowicie na bardzo małych głębokościach, około 50 metrów pod powierzchnią. Jednak tylko około 25% wód gruntowych utraconych w ciągu ostatnich dwóch dekad zostało uzupełnionych na głębokości około 300 metrów lub większej, prawdopodobnie z powodu trudności w filtrowaniu wody deszczowej do głębszych warstw gruntu.

„Oznacza to, że jeden imponujący rok burz nie wystarczy, aby przywrócić ubytek wód gruntowych nagromadzony podczas niedawnych susz. Pełna regeneracja głębokich warstw wodonośnych zajmie znacznie więcej lat deszczowych” – powiedział Mao.

Zauważyła, że ​​wody gruntowe stanowią ponad 60% wody wykorzystywanej w Kalifornii podczas suszy.

Mao i jej współpracownicy są pionierami w wykorzystywaniu danych sejsmicznych do zrozumienia poziomu wód gruntowych w Basenie Los Angeles, jako uzupełnienie innych metod stosowanych do pomiaru poziomu wód gruntowych. Bardziej tradycyjna metoda obejmuje wiercenie studni, które jest drogie i zapewnia jedynie „pomiar w skali punktowej” – wyjaśnił Mao. „Nie wiesz, jaki poziom znajduje się pomiędzy dwiema studniami lub w innych warstwach wodonośnych, które są płytsze lub głębsze w stosunku do Twojej studni”.

Niedawno badacze wykorzystali pomiary satelitarne do wykrycia niewielkich zmian w deformacji powierzchni Ziemi lub w polu grawitacyjnym, co dobrze sprawdza się przy wnioskowaniu o zmianach w magazynowaniu wód gruntowych w czasie i regionie. „Te pomiary powierzchni nie mogą nam powiedzieć, co dzieje się na różnych głębokościach, ale my, sejsmolodzy, możemy w tym pomóc” – powiedział Mao.

Wykorzystując dane z 65 sejsmometrów szerokopasmowych w sieci sejsmicznej południowej Kalifornii, naukowcy przyjrzeli się zmianom prędkości propagacji fal sejsmicznych. Wykorzystane dane dotyczyły „tła” wibracji sejsmicznych powodowanych przez oceany, wiatry i działalność człowieka, a nie fal sejsmicznych związanych z trzęsieniami ziemi.

„Te sejsmiczne wibracje tła mają charakter ciągły, co pozwala nam na ciągły pomiar i monitorowanie zmian prędkości sejsmicznej” – powiedział Mao.

Prędkość fal sejsmicznych zmienia się w zależności od stanu mechanicznego materiałów, przez które przechodzą fale. Kiedy poziom wody się podnosi, wzrasta ciśnienie w przestrzeni porów między skałami, a fale sejsmiczne rozprzestrzeniają się wolniej w tych porowatych skałach.

Naukowcy odkryli, że ich szacunki dotyczące magazynowania wód gruntowych obliczone na podstawie zmian prędkości sejsmicznej dobrze wypadają w porównaniu z pomiarami magazynowania wód gruntowych ze studni i danymi satelitarnymi.

Naukowcy odkryli także znaczne uzupełnienie warstw wodonośnych w dolinie San Gabriel i dorzeczu Raymond, prawdopodobnie w wyniku przepływów powierzchniowych lub podpowierzchniowych z gór San Gabriel.

Połączenie gęstej sieci sejsmicznej i poważnych niedoborów wody uczyniło Los Angeles „idealnym miejscem do zaprezentowania, w jaki sposób istniejące dane sejsmiczne mogą przyczynić się do monitorowania, zrozumienia i zarządzania warstwami wodonośnymi” – powiedział Mao.

Dodała, że ​​dane sejsmiczne zostaną prawdopodobnie połączone z wieloma rodzajami pomiarów, aby uzyskać kompleksowy obraz dynamiki wód podziemnych niezbędny do zarządzania cennymi zasobami w sposób zrównoważony i oparty na danych.

Mao, która w sierpniu zostanie adiunktem na Uniwersytecie Teksasu w Austin, powiedziała, że ​​zastosuje w Austin techniki sejsmiczne, aby monitorować reakcję warstw wodonośnych w tym regionie na sztuczne ładowanie.