Сейсмический шум - низкоуровневая вибрация, вызванная чем угодно, от поездов метро до волн, разбивающихся о пляж, - чаще всего сейсмологи стараются избегать. Они выделяют его из моделей и создают алгоритмы, направленные на его устранение, чтобы идентифицировать сигналы землетрясений.
Но Тим Клементс считает, что это может быть инструмент для мониторинга одного из самых ценных ресурсов в мире - воды.
Аспирант, работающий в лаборатории доцента наук о Земле и планетах Марин Денолль, Клементс является ведущим автором недавнего исследования, в котором сейсмический шум использовался для измерения размера и уровня воды в подземных водоносных горизонтах в Калифорнии. Этот метод можно даже использовать для отслеживания того, восстанавливаются ли и каким образом водоносные горизонты после осадков, а также для понимания геологических изменений, которые могут произойти при откачке воды. Исследование описано в недавно опубликованной статье в Geophysical Research Letters.
«Сегодня это обычно делается путем измерения в скважине подземных вод», - сказал Клементс. «И если у вас есть сеть таких колодцев, вы можете разработать модель, в которой вы принимаете ряд гидрологических параметров… и это позволяет вам измерять состояние водоносного горизонта.
«Но мы показали, что можем просто напрямую измерить эти волны, которые проходят через весь водоносный горизонт», - продолжил он. «Поэтому нам не нужно делать эти предположения, потому что мы можем напрямую измерять волны».
Используя эти измерения, исследователи смогли измерить глубину воды в водоносном горизонте долины Сан-Габриэль, расположенном недалеко от Лос-Анджелеса, с точностью до сантиметра. Усилия по измерению размера водоносного горизонта были ограничены существующей сейсмической сетью, сказал Клементс, и поэтому были точны только с точностью около километра.
"Это дает нам возможность начать думать об объеме," сказал Denolle. «Мы обнаружили, что, используя этот метод, объем, который мы рассчитали как выкачанный из водоносного горизонта, равнялся объему, который был опубликован».
"Мы оценили его примерно в полкубического километра", сказал Клементс. «И это именно то, что, по словам мастера водоснабжения Сан-Габриэля, они откачивали во время засухи, чтобы удовлетворить спрос».
Эта засуха, по словам Клементса, была одной из причин, по которой исследователи решили сосредоточиться на долине Сан-Габриэль.
«За последние пять лет они пережили сильную засуху, и более 1 миллиона человек, живущих на этой относительно небольшой территории за пределами Лос-Анджелеса, зависят от грунтовых вод для удовлетворения всех своих потребностей в воде», - он сказал.«За последние пять лет они потеряли большое количество грунтовых вод, и это связано с большими финансовыми затратами, поэтому наша цель состояла в том, чтобы понять, можем ли мы использовать сейсмические волны, чтобы понять, что происходит с водоносным горизонтом».
В регионе также уже имеется сеть сейсмографов, сказал он, что позволяет относительно легко получать данные сейсмического шума и использовать их для исследования водоносного горизонта.
Хотя это исследование не было первым, кто натолкнулся на идею использования сейсмического шума для изучения подземных вод, Денолл сказал, что более ранние попытки были затруднены, потому что они полагались на сигнал, который был относительно слабым по сравнению с такими факторами окружающей среды, как температура и давление.
"Это был большой сигнал, на который мы обращали внимание", - сказала она. «За пару лет уровень воды в водоносном горизонте изменился на 20 метров, так что это более серьезный сигнал, чем любое влияние окружающей среды».
Система также может быть полезным инструментом для всех, кто занимается управлением водными ресурсами, сказал Клементс, потому что она может дать им мгновенное представление о том, что именно происходит в подземном водоносном горизонте.
"Это может быть использовано для управления водными ресурсами", сказал Клементс. «В этом исследовании мы рассмотрели данные примерно за 17 лет, с 2000 по 2017 год, но в будущем их можно будет использовать в приложении для управления водными ресурсами, чтобы вы могли ежедневно получать картину того, что происходит с водоносным горизонтом».
Помимо измерения подземных вод, этот метод также можно использовать для мониторинга состояния водоносного горизонта с течением времени.
«Если бы у нас были данные, мы могли бы использовать эту технологию, чтобы оглянуться на то, как водоносные горизонты выглядели в прошлом, и изучить долгосрочную эволюцию водоносного горизонта», - сказал Денолл. «Одна из проблем для людей, которые управляют водными ресурсами, заключается в том, реагируют ли водоносные горизонты по-прежнему эластично, то есть можем ли мы пополнить их с той же емкостью хранения, или они теряют способность со временем, когда мы откачиваем воду? Используя сейсмические волны, мы потенциально можем выяснить это. эластичны эти водоносные горизонты или нет».
В будущем, по словам Клементса, он планирует найти способы улучшить разрешение системы как на микро-, так и на макроуровне.
Работая в сотрудничестве с профессорско-преподавательским составом Университета Тафтса, он установил колодцы и сейсмометры в кампусе, чтобы отслеживать изменения, когда грунтовые воды выкачиваются на поверхность для орошения спортивных площадок. Другие усилия направлены на использование существующей сети сейсмометров в Калифорнии для улучшения способов измерения общего размера водоносных горизонтов.