Alors que le changement climatique augmente le nombre d’événements météorologiques extrêmes, tels que les sécheresses majeures, la gestion des eaux souterraines est essentielle au maintien de l’approvisionnement en eau. Mais les outils actuels de surveillance des eaux souterraines sont coûteux ou insuffisants pour les aquifères plus profonds, ce qui limite notre capacité à surveiller et à pratiquer une gestion durable dans les zones peuplées.

À présent, nouveau papier Publié dans Communication Nature reliez la sismologie et l’hydrologie avec une application pilote qui utilise des sismomètres comme moyen rentable de surveiller et de cartographier les fluctuations des eaux souterraines.

« Nos mesures sont indépendantes et complètent les observations traditionnelles », a déclaré Shujuan Mao PhD ’21, auteur principal de l’article. « Cela fournit une nouvelle façon de dicter la gestion des eaux souterraines et d’évaluer l’impact des activités humaines sur la formation des systèmes hydrologiques souterrains. »

Mao, actuellement boursier postdoctoral Thompson au département de géophysique de l’Université de Stanford, a mené la plupart des recherches pendant son doctorat au département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes (EAPS) du MIT. Parmi les autres contributeurs à l’article figurent le président du département EAPS et le professeur Schlumberger de sciences de la Terre et des planètes Robert van der Hilst, ainsi que Michel Campillo et Albanne Lecointre de l’Institut des sciences de la Terre en France.

Bien qu’il existe plusieurs méthodes différentes actuellement utilisées pour mesurer les eaux souterraines, elles présentent toutes des inconvénients flagrants. Les têtes hydrauliques, qui forent dans le sol et dans l’aquifère, sont coûteuses et ne peuvent fournir que des informations limitées sur l’emplacement précis de leur emplacement. Les techniques non invasives basées sur la détection satellitaire ou aérienne n’ont pas la sensibilité et la résolution nécessaires pour observer des profondeurs plus profondes.

Mao a proposé l’utilisation d’un sismomètre, qui est un instrument utilisé pour mesurer les vibrations du sol telles que les ondes générées par un tremblement de terre. Ils peuvent mesurer la vitesse sismique, c’est-à-dire la vitesse à laquelle les ondes sismiques se propagent. Les mesures de la vitesse sismique sont uniques à l’état mécanique des roches, ou à la façon dont les roches réagissent à leur environnement physique, et peuvent nous en dire beaucoup à leur sujet.

L’idée d’utiliser les vitesses sismiques pour caractériser les changements de propriétés des roches a longtemps été utilisée dans l’analyse à l’échelle du laboratoire, mais ce n’est que récemment que les scientifiques ont pu les mesurer en continu dans des contextes géologiques à l’échelle réaliste. Pour la surveillance des aquifères, Mao et son équipe ont lié la vitesse sismique aux propriétés hydrauliques, ou teneur en eau, de la roche.

Les mesures de vitesse sismique utilisent le champ sismique ambiant, ou bruit de fond, enregistré par le sismomètre. « La surface de la Terre vibre en permanence, soit à cause des vagues océaniques, du vent ou des activités humaines », a-t-il expliqué. « Habituellement, ces vibrations sont très faibles et sont considérées comme du « bruit » par les sismologues traditionnels. Mais ces dernières années, les scientifiques ont montré que les enregistrements sonores continus contiennent en fait beaucoup d’informations sur la nature et la structure de l’intérieur de la Terre. »

Pour extraire des informations utiles de l’enregistrement du bruit, Mao et son équipe ont utilisé une technique appelée interférométrie sismique, qui analyse l’interférence des ondes pour calculer la vitesse sismique du milieu à travers lequel les ondes se déplacent. Pour leur application pilote, Mao et son équipe ont appliqué cette analyse à un bassin de la région métropolitaine de Los Angeles, une zone souffrant de sécheresses de plus en plus sévères et d’une population croissante.

Ce faisant, Mao et son équipe ont pu voir comment l’aquifère changeait physiquement au fil du temps à haute résolution. Leurs mesures de vitesse sismique ont vérifié les mesures effectuées par les têtes hydrauliques au cours des 20 dernières années, et les images correspondaient parfaitement aux données satellitaires. Ils peuvent également voir des différences dans la façon dont les zones de stockage changent entre les districts dans les zones qui utilisent différentes pratiques de pompage de l’eau, ce qui est important pour l’élaboration de protocoles de gestion de l’eau.

Mao a également qualifié l’utilisation de sismomètres d’une offre « achetez-en un, obtenez-en un gratuitement », car les sismomètres sont déjà utilisés pour les études sismiques et tectoniques non seulement en Californie, mais dans le monde entier, et peuvent aider à « éviter des coûts de forage et de maintenance coûteux ». puits de surveillance des eaux souterraines », a-t-il dit.

Mao a souligné que cette étude n’est que le début pour explorer la possibilité d’appliquer l’interférométrie de bruit sismique de cette manière. Il peut être utilisé pour surveiller d’autres systèmes proches de la surface, tels que les systèmes géothermiques ou volcaniques, et Mao l’applique actuellement aux champs de pétrole et de gaz. Mais dans des endroits comme la Californie qui connaissent actuellement des sécheresses majeures et qui dépendent des eaux souterraines pour la plupart de leurs besoins en eau, ce type d’informations est essentiel à la gestion durable de l’eau.

« Il est essentiel, surtout maintenant, de caractériser ces changements dans le stockage des eaux souterraines afin que nous puissions promouvoir l’élaboration de politiques basées sur les données pour les aider à prospérer dans un stress hydrique croissant », a-t-il déclaré.

L’étude a été financée, en partie, par le Conseil européen de la recherche, avec un soutien supplémentaire de la bourse Thompson de l’Université de Stanford.