Seismic velocity changes associated with a flash flood crisis as a proxy for slope instability

Der Boden unter unseren Füßen ist selten still. Selbst wenn kein Erdbeben die Oberfläche erschüttert, summt die Erde mit einem konstanten, niederfrequenten Vibrieren, das durch die Brandung der Ozeanwellen an den Küsten, das Rauschen des Windes in den Bäumen und den täglichen Rhythmus menschlicher Aktivitäten verursacht wird. Jahrzehntelang haben Seismologen diesem Hintergrundrauschen, bekannt als Ambient Noise, gelauscht, um die tiefe Struktur des Planeten zu kartieren. Kürzlich erkannten Wissenschaftler, dass dieses Summen auch als empfindliches Thermometer für die Erdkruste fungieren kann, indem es subtile Veränderungen in der Geschwindigkeit verrät, mit der sich seismische Wellen durch den Boden und das Gestein bewegen. Wenn der Boden nasser, zerklüfteter oder unter Spannung gerät, verändert sich die Geschwindigkeit dieser Wellen geringfügig. Durch das Verfolgen dieser winzigen Geschwindigkeitsänderungen im Zeitverlauf können Forscher potenziell die „Gesundheit“ eines Hanges abhören und erkennen, wann Wasser die Erde sättigt und den mechanischen Zustand des Bodens verändert.

Im September 2022 traf ein katastrophaler Sturm die Region Marche in Zentralitalien, der in kurzer Zeit immense Regenmengen ausließ und tausende Erdrutsche sowie schwere Sturzfluten auslöste. Diese Katastrophe bot ein seltenes, reales Labor für ein Forscherteam unter der Leitung von Andrea Albano und Mauro Palo von der Universität Neapel Federico II. Sie wollten untersuchen, ob die subtilen Verschiebungen der seismischen Wellengeschwindigkeit als Indikator für hydrogeologische Krisen dienen könnten. Durch die Analyse des kontinuierlichen Hintergrundrauschens, das von einem Netzwerk von Seismometern in der gesamten Region aufgezeichnet wurde, konnte das Team verfolgen, wie der Boden auf die Wassermassen reagierte, was einen neuen Weg zur Überwachung der Hangstabilität eröffnet, ohne Löcher bohren oder Sensoren direkt an gefährlichen Hängen installieren zu müssen.

Die Forscher konzentrierten ihre Aufmerksamkeit auf den Zeitraum rund um den Sturm, der am 15. September 2022 begann. Sie verwendeten eine Technik namens seismische Interferometrie, die das konstante Hintergrundrauschen im Wesentlichen als Signal nutzt, um die Laufzeit der Wellen zwischen verschiedenen Seismometerstationen zu messen. Durch den Vergleich dieser Laufzeiten von Tag zu Tag konnten sie die relative Änderung der seismischen Geschwindigkeit berechnen – ein Wert, der angibt, ob der Boden weicher geworden ist oder unter höherer Spannung steht. Die Studie deckte ein spezifisches Gebiet von etwa 550 Quadratkilometern ab, das als Zone mit der höchsten Dichte an Erdrutschen nach dem Sturm identifiziert worden war. Dieses Gebiet konzentrierte sich auf das bergige Gelände, in dem der Niederschlag am intensivsten war, insbesondere in den Becken der Flüsse Metauro, Cesano, Misa und Esino.

Die Ergebnisse zeigten ein klares und dramatisches Muster. Etwa zwei Tage nach dem Höhepunkt der Regenfälle begannen die seismischen Wellen, die durch das von Erdrutschen betroffene Gebiet wanderten, signifikant langsamer zu werden. Die Geschwindigkeit sank um etwa 0,2 Prozent, eine Veränderung, die bis in eine Tiefe von etwa einem Kilometer reichte. Diese Verlangsamung trat nicht unmittelbar ein; es dauerte Zeit, bis das Wasser in den Boden einsickerte und den Druck innerhalb der Poren von Gestein und Boden veränderte. Die Anomalie war im zentralen Teil des betroffenen Gebiets am ausgeprägtesten, genau dort, wo der Regen am heftigsten gewesen war und die Mehrheit der Erdrutsche stattfand. Über die nächsten fünf Tage dehnte sich dieses Gebiet mit langsameren seismischen Wellen aus und bedeckte schließlich fast 40 Prozent der erdrutschgefährdeten Region, bevor es allmählich zu normalen Werten zurückkehrte, als sich der Boden stabilisierte.

Dieses räumlich-zeitliche Verhalten lieferte starke Beweise dafür, dass der Abfall der Geschwindigkeit durch die Bewegung von Wasser tief unter der Erde getrieben wurde. Die Forscher berechneten, dass der Wasserdruck mit einer Rate durch den Boden diffundierte, die konsistent mit der lokalen Geologie war und sich von der Oberfläche aus nach unten und außen bewegte. Entscheidend war, dass das Team andere häufige Ursachen für solche Veränderungen ausschloss. Sie analysierten atmosphärische Druck- und Temperaturschwankungen, die bekannt dafür sind, die seismischen Geschwindigkeiten manchmal zu beeinflussen, stellten jedoch fest, dass diese Faktoren zu gering waren, um die Größenordnung des beobachteten Abfalls zu erklären. Sie merkten auch an, dass die Geschwindigkeitsänderungen lokal auf das Gebiet mit dem starken Regen und den Erdrutschen begrenzt waren, während die atmosphärischen Druckänderungen in der gesamten Region einheitlich auftraten. Dies bestätigte, dass das Signal eine direkte Reaktion auf die hydrogeologische Krise war und kein regionales Wetterereignis.

Die Studie legt nahe, dass die Überwachung dieser relativen Geschwindigkeitsänderungen ein leistungsfähiges Werkzeug zur Beurteilung der Hanginstabilität sein könnte. Im Gegensatz zu traditionellen Methoden, die auf einer begrenzten Anzahl von Regenmessgeräten oder Piezometern beruhen, welche nur Bedingungen an spezifischen Punkten messen, bietet die Analyse der seismischen Geschwindigkeit eine kontinuierliche, regionsweite Sicht auf den mechanischen Zustand des Bodens. Die Forscher fanden heraus, dass der Anteil der Fläche, die einen signifikanten Geschwindigkeitsabfall aufweist, als Stellvertreter für die allgemeine Fragilität des Hangs dienen kann. In diesem spezifischen Ereignis trat der Geschwindigkeitsabfall etwa zwei Tage nach dem Spitzenwert des Regens auf und hielt mehrere Tage an, was mit der Phase der intensiven Sättigung und Instabilität korrelierte.

Obwohl die Studie nicht behauptet, dass seismische Geschwindigkeitsänderungen den exakten Moment vorhersagen können, in dem ein spezifischer Erdrutsch stattfindet, noch dass sie einen direkten kausalen Zusammenhang zwischen den Geschwindigkeitsänderungen und einzelnen Erdrutschereignissen impliziert, zeigt sie dennoch, dass diese Messungen ein wertvolles, nicht-invasives Fenster in die Untergrundbedingungen bieten, die zu einem Versagen führen. Die Methode stützt sich vollständig auf bestehende seismische Netzwerke, die oft bereits zur Überwachung von Erdbeben vorhanden sind, was sie zu einer kostengünstigen und nachhaltigen Ergänzung aktueller Gefahrenbewertungsrahmen macht. Indem sie dem subtilen Verlangsamen des Erdensummens lauschen, könnten Wissenschaftler bald in der Lage sein, Anzeichen von Hanginstabilität zu erkennen und Gemeinschaften mehr Zeit zur Vorbereitung auf die Gefahren von Sturzfluten und Erdrutschen in einer Ära zunehmend intensiver Wetterereignisse zu geben.