As reações químicas bem abaixo do solo afetam a qualidade da água, mas os métodos para "vê-los" são demorados, caro e de escopo limitado. Uma equipe de pesquisa liderada pela Penn State descobriu que as ondas sísmicas podem ajudar a identificar essas reações em uma bacia hidrográfica inteira e proteger os recursos hídricos subterrâneos.

"Cerca de um terço da população dos Estados Unidos obtém sua água potável de lençóis freáticos, então precisamos proteger este recurso valioso, "disse Susan Brantley, distinto professor de geociências e diretor do Earth and Environmental Systems Institute (EESI) na Penn State. "Neste ponto, Contudo, não sabemos onde está a água ou como ela se move no subsolo porque não sabemos o que está lá embaixo. Neste estudo, usamos ondas sísmicas geradas por humanos - semelhantes às ondas de terremotos - para observar sob a superfície. "

Os testes geoquímicos tradicionais envolvem a perfuração de um poço de 3 a 4 polegadas de diâmetro no solo, coletar as amostras de solo e rocha, e moagem e análise da composição química das amostras em um laboratório.

O processo é caro e trabalhoso, e só revela as informações geoquímicas para aquele ponto específico em uma bacia hidrográfica, ao invés de toda a bacia hidrográfica, disse Xin Gu, bolsista de pós-doutorado no EESI.

"Neste estudo, tínhamos a vantagem de já ter perfurado poços, então sabíamos em que profundidades as mudanças geoquímicas acontecem, "Gu disse." Também tínhamos os materiais dos furos, portanto, conhecíamos a abundância mineral e a composição dos elementos. Aqui, tentamos expandir nosso conhecimento fazendo geofísica, que é relativamente mais eficiente. "

Os pesquisadores registraram - baixaram instrumentos que podem enviar e receber sinais, ou até mesmo tirar imagens de alta resolução, por um poço - um poço de 115 pés de profundidade perfurado no fundo do vale no Susquehanna Shale Hills Critical Zone Observatory, financiado pela NSF, um local de pesquisa florestal em Stone Valley Forest da Penn State que fica no topo da formação de xisto de Rose Hill.

Usando uma ferramenta de perfilagem sísmica, os pesquisadores mapearam a subsuperfície. A ferramenta de perfilagem envia uma onda sísmica e registra a velocidade da onda, ou a rapidez com que se move, à medida que se afasta da ferramenta, explicou Gu. Os pesquisadores abaixaram a ferramenta de perfilagem no poço e fizeram medições conforme ela subia de volta à superfície. Velocidades mais rápidas indicaram que as ondas viajaram através de uma rocha sólida ou onde os poros nas rochas intemperizadas estão cheios de água. Velocidades mais lentas indicaram que as ondas viajaram através de rochas intemperizadas com poros cheios de ar, ou solo próximo à superfície.

A equipe de pesquisa assimilou as informações em um modelo de física de rocha que determinou a mudança de composição, mudança de porosidade e mudança de saturação da rocha para explicar as velocidades medidas.

Eles descobriram que as reações químicas simples entre a água e a argila causavam pequenas mudanças que as ondas sísmicas podiam "ver, "de acordo com Brantley. As mudanças ajudaram os pesquisadores a entender onde a água abre os poros no subsolo. Eles relatam suas descobertas hoje (27 de julho) no Proceedings of the National Academy of Sciences .

Os pesquisadores também encontraram pequenas bolhas de gás na água subterrânea que especulam ser profundo dióxido de carbono produzido pela respiração microbiana e reações minerais na subsuperfície. Os micróbios do solo produzem dióxido de carbono como um subproduto da respiração, muito parecido com o que os humanos fazem quando expiram. Quando a água passa pelo solo em seu caminho para o lençol freático, pode carregar esse dióxido de carbono com ele, Disse Gu.

Existem dois minerais muito reativos comumente encontrados no xisto - minerais pirita e carbonato, ele adicionou. Quando a pirita interage com a água, ele oxida e gera ácido sulfúrico. O ácido pode interagir com carbonato, uma base que neutraliza o ácido, mas gera dióxido de carbono no processo. Este dióxido de carbono pode ocupar o espaço dos poros em certas profundidades, mesmo sob o lençol freático, explicou Gu.

Os pesquisadores corroboraram seus resultados com dados retirados de furos em vales e cristas perfurados e explorados em 2006 e 2013, respectivamente. Eles também o compararam a modelos bidimensionais que mostram como as velocidades mudam no subsolo. Os modelos 2-D foram criados usando ondas sísmicas geradas batendo em uma placa de alumínio com uma marreta e gravando as ondas em vários locais ao longo da superfície.

"A imagem geofísica é uma ferramenta bastante poderosa, "disse Gu." Dos furos, sabemos como a velocidade muda com a profundidade, a partir das medições de laboratório nos materiais do núcleo, sabemos quais são as mudanças na mineralogia e na geoquímica com a profundidade, e combinando esse conhecimento com os modelos sísmicos 2-D, podemos inferir como a mineralogia e a geoquímica mudam espacialmente ao longo da bacia hidrográfica. "

O dióxido de carbono na água não representa um risco para a saúde, disse Brantley, acrescentando que é emocionante que os pesquisadores pudessem "vê-lo" com ondas sísmicas sem ter sabido previamente que estava lá embaixo.

"Essas medições e nossa capacidade de combinar observações geoquímicas e geofísicas nos ajudarão a entender a paisagem esculpida pela água nas rochas abaixo de nós, " ela disse.