教育新闻网地下深处的化学反应会影响水质，但“观察”这些方法耗时，昂贵且范围有限。宾夕法尼亚州立大学领导的研究小组发现，地震波可以帮助识别整个流域内的这些反应并保护地下水资源。
“大约有三分之一的美国人口得到他们饮用的水来自地下水，所以我们要保护这一宝贵资源，”苏珊·布兰特利，在宾夕法尼亚州立大学地球科学特聘教授和地球环境系统研究所(EESI)的主任。“但是，目前我们还不知道水在哪里或在地下如何移动，因为我们不知道那里的水是什么。在这项研究中，我们使用了人为产生的地震波，类似于地震波。地震-看看地下。”
传统的地球化学测试包括在地面深处钻一个直径3至4英寸的钻孔，收集土壤和岩石样品，并在实验室中研磨和分析样品的化学组成。
EESI的博士后学者Xin Gu说，该过程既昂贵又费力，而且只能显示流域中特定点的地球化学信息，而不是整个流域。
顾说：“在这项研究中，我们具有先前钻过钻孔的优势，因此我们知道地球化学变化发生在哪个深度。” “我们还从钻孔中获取了材料，因此我们知道了矿物质的丰度和元素组成。在这里，我们试图通过做地球物理学来扩展我们的知识，这相对更有效。”
研究人员记录了下沉的仪器，这些仪器可以在井眼中发送和接收信号，甚至可以拍摄高分辨率图像。在美国国家科学基金会资助的萨斯奎哈纳页岩山关键区天文台(一个密林)中，一个深115英尺的井眼钻进了谷底宾夕法尼亚州立大学石谷森林分校的研究地点位于玫瑰山页岩地层之上。
研究人员使用地震测井工具对地下进行了测绘。Gu解释说，测井工具发出地震波并记录其速度，或它离开工具时的移动速度。研究人员将测井工具放下到井眼中，并在其回到地面后进行测量。更快的速度表明，波浪穿过坚硬的基岩或风化岩石中的孔隙充满水。较慢的速度表明波浪穿过风化的岩石，这些岩石充满气孔或地表附近的土壤。
研究小组将这些信息吸收到岩石物理模型中，该模型确定了岩石的成分变化，孔隙率变化和饱和度变化，从而解释了测得的速度。
他们发现，水和黏土之间的简单化学反应会引起地震波可以“看到”的微小变化。这些变化帮助研究人员了解了水在何处打开了地下孔隙。他们今天(7月27日)在美国国家科学院院刊上报告了他们的发现。
研究人员还发现了地下水中的微小气泡，它们推测是微生物呼吸作用和地下矿物质反应产生的深层二氧化碳。土壤微生物产生的二氧化碳是呼吸的副产物，就像人类呼气时一样。顾说，当水通过土壤进入地下水位时，它可以携带二氧化碳。
他补充说，在页岩中通常发现两种非常活泼的矿物-黄铁矿和碳酸盐矿物。黄铁矿与水相互作用时，会氧化并生成硫酸。酸可以与碳酸盐相互作用，碳酸盐是一种中和酸的碱，但在过程中会生成二氧化碳。Gu解释说，即使在地下水位之下，这种二氧化碳也可以在一定深度处占据孔隙空间。
研究人员分别从2006年和2013年钻探和记录的山谷和山脊钻孔数据中证实了他们的结果。他们还将其与二维模型进行了比较，该模型显示了地下速度如何变化。二维模型是使用地震波创建的，该地震波是用大锤敲打铝板并记录沿表面许多位置处的波而产生的。
“地球物理成像是一种非常强大的工具，”顾说。“从钻孔中，我们知道速度如何随深度变化，从对核心材料的实验室测量中，我们知道矿物学和地球化学随深度的变化，并将这些知识与二维地震模型相结合，我们可以推断出整个流域的矿物学和地球化学如何在空间上发生变化。”
布兰特利说，水中的二氧化碳不会对健康构成威胁。他还补充说，令人兴奋的是，研究人员可以通过地震波“看到”它，而无需事先知道它是否在那里。
她说：“这些测量结果以及我们将地球化学和地球物理观测结合起来的能力将帮助我们了解水在我们下面的岩石中雕刻而成的景观。”
