01/09/2024
0На подземные воды приходится 98% жидкой пресной воды Земли. Предоставлено автором
После засухи летом 2022 года и контрастного лета 2023 года Франция переживает довольно влажную погоду этой осенью, отмеченную крупными наводнениями на севере страны. Это наглядно иллюстрирует пространственную неоднородность метеорологических явлений, усугубляемую изменением климата. В этих условиях легко понять, почему уровень грунтовых вод, наших главных резервуаров пресной воды, может наполняться (и опустошаться) по всей стране совершенно по-разному.
Пресная вода, доступная растениям, животным и человеческому обществу, составляет всего 1 % от общего количества воды на Земле… и более 98 % этой жидкой пресной воды хранится в почве (первые несколько метров рыхлой земли под поверхностью) и недрах (горных породах под этой почвой) нашей планеты.
Это означает, что подземные воды – это невидимая вода, находящаяся в пространствах между зернами почвы и горных пород, в порах, трещинах и разломах горных пород. Это далеко не тот образ “подземного озера”, который часто ошибочно ассоциируется с термином “уровень грунтовых вод”. Эти водоносные горизонты могут быть непрерывными или прерывистыми (разделенными непроницаемыми породами): решающий фактор для понимания потоков подземных вод.
Диаграмма распределения воды в недрах (пористые или трещиноватые водоносные горизонты) и геофизические методы, используемые для мониторинга ее динамики. Damien Jougnot, изменено из Hermans et al, 2023, HESS, CC BY
Эти подземные воды играют важную роль для общества, являясь основным источником питьевой воды для экосистем, обеспечивая базовый сток для рек и резерв для роста растений. Именно поэтому в последние годы мы так обеспокоены “уровнем грунтовых вод” и “влажностью почвы”.
Как же измерить и проконтролировать эту невидимую воду, от которой мы так сильно зависим?
Одно из решений приходит из геофизики, которая позволяет нам получать изображения воды под поверхностью земли. Методы визуализации недр дают эквивалент 3D-фотографии. Однако текущие исследования направлены на то, чтобы отойти от этого статичного видения и перейти к динамическому видению подземных вод и их свойств: измерения будут повторяться в одном и том же месте с течением времени, чтобы иметь доступ к эквиваленту фильма о том, что происходит под нашими ногами. Это известно как 4D-изображение подземных вод: три измерения пространства и одно измерение времени.
Как можно увидеть воду под землей?
Геофизическую визуализацию можно понять по аналогии с медицинской визуализацией, с которой мы более знакомы. Физические законы, позволяющие нам измерять и отслеживать состояние здоровья пациента, те же, что мы используем для наблюдения за потеплением Земли и высыханием почв, а методы измерения очень похожи.
Например, мы меняем стетоскоп врача на “геофоны”, которые позволяют нам слушать Землю (регистрируя вибрации, распространяющиеся при толчках или землетрясениях), а ультразвук, позволяющий нам визуализировать внутренние органы (изменения плотности), превращается в “сейсмическую томографию”, позволяющую различать границы раздела сред с разными свойствами.
Изначально и на протяжении нескольких десятилетий методы геофизической визуализации разрабатывались горнодобывающими и нефтяными компаниями, которые хотели знать, где копать, чтобы обнаружить как можно больше ресурсов (копать дорого – 3-4 миллиона евро при бурении нефтяных скважин на суше и до 100 миллионов евро на море). Поэтому были созданы огромные исследовательские ресурсы, чтобы “видеть” сквозь землю.
С конца 1990-х годов эти методы стали применяться в науках о Земле и окружающей среде в виде множества субдисциплин, каждая из которых имеет свою специализацию: от изучения воды в недрах (гидрогеофизика) до исследования биологической активности в почвах (биогеофизика), сельскохозяйственных земель (агрогеофизика) или замороженных сред (криогеофизика).
Поскольку Земля не прозрачна для света, мы изучаем ее, измеряя другие физические свойства.
Электрическая визуализация: использование того факта, что вода хорошо проводит электричество
Среди наиболее распространенных методов особенно хорошо развита электрическая визуализация, поскольку она может быть реализована быстро и очень чувствительна к присутствию воды. Для этого в почву подается электрический ток с помощью электродов, установленных на ее поверхности, чтобы проверить, легко ли она пропускает ток. Вода – очень хороший проводник электричества (именно поэтому мы настоятельно рекомендуем не пользоваться электрическими предметами во время принятия ванны), поэтому чем больше воды содержится в почве, тем легче через нее проходит ток, и именно поэтому говорят, что почва проводит электричество.
Благодаря накопленным нами знаниям о моделях электропроводности и лабораторным экспериментам, теперь по измерению электропроводности можно даже определить, сколько воды хранится в почве, например, чтобы контролировать количество воды, доступной для виноградных лоз.
Подавая электрический ток и измеряя электропроводность почвы в многочисленных точках (несколько тысяч измерений можно провести за несколько десятков минут), можно “просканировать” территорию и восстановить 3D-изображение недр с помощью математических алгоритмов (процесс инверсии). Упрощенный пример 2D-измерений смотрите на видео ниже:
Принцип работы электрической визуализации недр. Ток последовательно подается на разные пары электродов на поверхности почвы (A и B), а результирующий потенциал измеряется между другими парами электродов (M и N). Это позволяет “сканировать” почву с разной чувствительностью (слева) и получать псевдосекции видимой электропроводности на глубине (справа). Источник: Флориан Вагнер.
Это 3D-изображение можно интерпретировать, чтобы определить, где и сколько воды находится в почве, поскольку вода не распределена равномерно ни по сторонам, ни по глубине. Повторяя эти измерения, можно получить динамическое 4D-изображение, т. е. изображение, которое изменяется во времени.
Выбор метода, соответствующего масштабу и разрешению искомого изображения Съемка грунта может проводиться с использованием целого ряда дополнительных геофизических методов, в зависимости от глубины искомого изображения, разрешения изображения, которое вы хотите получить, характера местности и ее доступности.
Например, для охвата больших площадей при изучении глубин (сотни квадратных километров) можно использовать воздушную геофизику: электромагнитное поле излучается катушкой, установленной на вертолете, и измеряется электромагнитное поле, излучаемое в ответ недрами. Это позволяет получить распределение электропроводности в недрах на глубине до 400 метров в зависимости от условий.
Таким образом, исследователи смогли получить изображение распределения воды по всей территории острова Реюньон и предложить модели функционирования круговорота грунтовых вод, чтобы лучше понять, где проходит вода, используемая в прибрежных городах.
В масштабе всего нескольких метров можно также отслеживать скорость распространения различных типов сейсмических волн, чтобы определить глубину залегания грунтовых вод.
Сбор сейсмических данных вдоль климатического/топографического градиента на Реюньоне (EroRun, OZCAR) – Фото: S.Pasquet/E.Gayer.
Существует большой интерес к объединению методов, чтобы извлечь выгоду из их взаимодополняемости: например, измерения сейсмических скоростей и электропроводности позволили отслеживать инфильтрацию воды в почву в Пломер в Бретани.
Более удивительно то, что мы совместно с физиками частиц разрабатываем методику визуализации распределения воды под землей. Специальные приборы могут быть использованы для обнаружения субатомных частиц, в нашем случае мюонов, в туннелях, таких как Подземная лаборатория с низким уровнем шума, или в вулканических структурах.
Картирование подземных вод для управления ресурсами нашей планеты Способность “видеть” сквозь землю для определения характеристик подземных водоемов с учетом их пространственной неоднородности и временной эволюции является одним из современных направлений научных исследований в науках о Земле.
Современные разработки основаны, в частности, на обсерваториях критических зон, цель которых – получить более полное представление об этом невидимом водном ресурсе в сложных природных системах, а также интегрировать геофизические данные в инструменты моделирования и управления подземными водами.
Эти разработки необходимы для того, чтобы мы могли использовать научные достижения в сотрудничестве с агентствами по водоснабжению и местными властями. Устойчивое управление пресной водой, столь необходимой для потребления человеком и окружающими нас экосистемами, особенно важно в условиях современного изменения климата.
