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Atteindre de nouveaux niveaux dans la surveillance des eaux souterraines


Le changement climatique contribue à de graves sécheresses dans le sud-ouest des États-Unis et ailleurs, augmentant la dépendance des régions touchées à l’égard des eaux souterraines. En Californie, par exemple, les eaux souterraines contribuent jusqu’à 60 % de l’approvisionnement total en eau de l’État au cours des années sèches.

La surveillance des aquifères souterrains est cruciale pour utiliser efficacement leur eau et s’assurer que l’approvisionnement ne s’épuise pas.

Mais la surveillance des eaux souterraines n’est pas facile. Traditionnellement, les niveaux d’eau d’un aquifère sont mesurés à l’aide de puits : les hydrologues forent dans le sol et mesurent la pression interstitielle en profondeur, mesure à partir de laquelle ils déduisent la quantité d’eau emprisonnée dans les sédiments. Mais le forage coûte cher et les mesures donnent au mieux une image dispersée et incomplète d’un aquifère. Alternativement, les données satellitaires peuvent être utilisées pour tracer les déformations de la surface de la Terre, qui gonfle lorsque le sol est gorgé d’eau et s’affaisse lorsque l’eau s’écoule, mais les données de surface ne peuvent pas donner un aperçu de ce qui se trouve sous terre.

Vagues, rapides et lentes

Or, une nouvelle méthode peut contourner ces problèmes en exploitant une autre source d’information : les données sismiques. Dans une étude publiée dans Nature Communications, les chercheurs ont exploité le fait que la vitesse d’une onde sismique est liée aux propriétés mécaniques du milieu qu’elle traverse. Si les sédiments traversés sont secs, les ondes se propagent rapidement. Si les sédiments sont saturés d’eau, la vitesse des vagues est réduite. En analysant les différences de vitesse des ondes sismiques (une technique appelée interférométrie), les scientifiques peuvent calculer la quantité d’eau stockée sous terre.

Parce que la méthode utilise des ondes sismiques, les scientifiques doivent-ils attendre de grands tremblements de terre pour cartographier le fonctionnement interne des aquifères ? Non : pour ses recherches, la co-auteure Shujuan Mao a utilisé des enregistrements de ce que l’on appelle le bruit ambiant sismique. « La surface de la Terre vibre toujours en raison des vagues océaniques ou de l’activité humaine », a expliqué Mao, chercheur postdoctoral en géophysique à l’Université de Stanford. « Ces vibrations sont très faibles, nous ne les remarquons donc pas, mais elles sont enregistrées en continu par des stations sismiques et contiennent une mine d’informations sur le sous-sol de la Terre, si nous pouvons les utiliser. »

Dans leur article, Mao et ses co-auteurs ont fait exactement cela. « Ce qui est unique dans notre article, c’est que nous mesurons non seulement les changements temporels [of relative seismic velocity] mais aussi imaginez ces changements dans l’espace », a-t-elle déclaré. Cette imagerie leur a permis de construire une carte haute résolution de la distribution des eaux souterraines dans l’espace et le temps 3D.

Les stratégies de pompage affectent le stockage des eaux souterraines

Les chercheurs ont utilisé leur méthode pour examiner les aquifères des bassins de Los Angeles (LA Central) et des bassins voisins de Santa Ana et San Gabriel, en utilisant les données d’environ 50 stations sismiques exploitées par le Southern California Earthquake Data Center. Ils ont constaté que le stockage des eaux souterraines fluctue selon les saisons, les réserves étant plus épuisées pendant les mois d’été chauds et secs. En faisant un zoom arrière sur des échelles de temps plus longues, les chercheurs ont noté une tendance générale à la baisse de 2000 à 2020, démontrant que les réserves d’eau souterraine s’épuisaient plus rapidement qu’elles ne pouvaient se reconstituer.

Ce résultat n’était pas inattendu, compte tenu de la grave sécheresse qui a secoué la Californie de 2011 à 2017. Mais Mao et son groupe ont observé une autre tendance qui les a surpris : alors que les bassins de San Gabriel et LA Central stockent moins d’eau souterraine aujourd’hui qu’il y a 20 ans, le bassin de Santa Le bassin d’Ana a montré une légère augmentation du stockage de l’aquifère depuis 2000. Parce qu’il n’y a pas de barrière naturelle entre les bassins de LA Central et de Santa Ana, les chercheurs ont conclu que la différence est probablement géopolitique : à Santa Ana, les stratégies de gestion durable de l’eau garantissent que le pompage est ajusté à la quantité de précipitations d’une année donnée. Les années sèches, moins d’eau est pompée, ce qui réduit la pression sur les aquifères. En revanche, le centre de Los Angeles et San Gabriel ont tendance à utiliser plus d’eau qu’il n’en faut naturellement, ce qui entraîne un épuisement à long terme.

Bien que la diminution de l’état des réserves d’eau souterraine soit inquiétante, Mao a noté que ses recherches avaient un côté positif : « D’une certaine manière, les différences entre les comtés sont encourageantes car elles montrent que des stratégies de pompage bien gérées ont un impact important ». Elle est optimiste quant au potentiel de la méthode pour éclairer ces stratégies. « Ce n’est pas que nous ne devrions pas utiliser les eaux souterraines, c’est juste que nous avons besoin d’un cadre fondé sur des données pour décider quand et combien pomper », a-t-elle déclaré.

Un outil prometteur pour sonder le sous-sol

Ryan Smith, professeur adjoint de génie civil et environnemental à la Colorado State University qui n’a pas participé à l’étude, considère également l’interférométrie sismique comme une technique prometteuse. « Le document met en évidence une nouvelle méthode passionnante et montre qu’elle peut être utilisée pour suivre les niveaux des eaux souterraines dans certaines régions avec une précision étonnamment bonne », a-t-il déclaré, tout en notant que « puisqu’il s’agit d’un nouveau domaine de recherche, des recherches supplémentaires doivent être menées ». fait sur la façon dont l’interférométrie sismique passive est liée aux changements des eaux souterraines dans différents systèmes.

Smith a conclu qu’avec un développement ultérieur, « l’interférométrie sismique passive a un grand potentiel pour compléter les approches existantes de surveillance des eaux souterraines ».

Dans ses recherches, Mao continue d’affiner l’interférométrie sismique en tant qu’outil de surveillance des eaux souterraines, mais elle est également ravie de l’appliquer à d’autres problèmes. « Cette technique peut être appliquée à de nombreux systèmes, comme les opérations de fluides géothermiques, les processus de gel et de dégel dans le pergélisol et la fracturation », a-t-elle expliqué. « Avec cet ensemble de données approfondies, continues dans le temps et en 3D, il y a beaucoup de problèmes dans le sous-sol peu profond que nous pouvons explorer. »

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