Seismic velocity changes associated with a flash flood crisis as a proxy for slope instability
Cette étude démontre que l'interférométrie sismique par bruit ambiant peut surveiller efficacement l'instabilité des pentes en détectant une chute rapide et spatialement étendue de la vitesse sismique suite à l'inondation soudaine de septembre 2022 en Italie centrale, ce qui est corrélé à la propagation de la pression interstitielle et offre un indicateur prometteur pour la prévision des aléas hydro-géologiques.
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Le sol sous nos pieds est rarement silencieux. Même lorsqu'aucun séisme ne fait trembler la surface, la Terre bourdonne d'une vibration constante et de faible intensité causée par le fracas des vagues de l'océan contre les côtes, le bruissement du vent dans les arbres et le rythme quotidien de l'activité humaine. Depuis des décennies, les sismologues écoutent ce bourdonnement de fond, appelé bruit ambiant, pour cartographier la structure profonde de la planète. Plus récemment, les scientifiques ont réalisé que ce bourdonnement peut également agir comme un thermomètre sensible pour la croûte terrestre, révélant des changements subtils dans la vitesse à laquelle les ondes sismiques traversent le sol et la roche. Lorsque le sol devient plus humide, plus fracturé ou plus contraint, la vitesse de ces ondes varie légèrement. En suivant ces infimes changements de vitesse au fil du temps, les chercheurs peuvent potentiellement « écouter » la santé d'un versant, détectant quand l'eau sature la terre et modifie l'état mécanique du sol.
En septembre 2022, une tempête catastrophique a frappé la région des Marches, dans le centre de l'Italie, déversant une quantité immense de pluie sur une courte période et déclenchant des milliers de glissements de terrain et de graves inondations éclair. Cette catastrophe a fourni un laboratoire réel et rare pour une équipe de chercheurs dirigée par Andrea Albano et Mauro Palo, de l'Université de Naples Frédéric II. Ils voulaient voir si les changements subtils de la vitesse des ondes sismiques pouvaient servir de proxy pour les crises hydrogéologiques. En analysant le bruit de fond continu enregistré par un réseau de sismomètres à travers la région, l'équipe a pu suivre la manière dont le sol a réagi au déluge, offrant une nouvelle façon de surveiller la stabilité des pentes sans avoir besoin de creuser des trous ou d'installer des capteurs directement sur des collines dangereuses.
Les chercheurs ont concentré leur attention sur la période entourant la tempête, qui a débuté le 15 septembre 2022. Ils ont utilisé une technique appelée interférométrie sismique, qui consiste essentiellement à traiter le bruit de fond constant comme un signal pour mesurer le temps de trajet des ondes entre différentes stations de sismomètres. En comparant ces temps de trajet jour après jour, ils ont pu calculer le changement relatif de la vitesse sismique, une valeur qui indique si le sol est devenu plus mou ou plus contraint. L'étude a couvert une zone spécifique d'environ 550 kilomètres carrés qui avait été identifiée comme la zone présentant la plus forte densité de glissements de terrain après la tempête. Cette zone était centrée sur le terrain montagneux où les précipitations avaient été les plus intenses, particulièrement dans les bassins des rivières Metauro, Cesano, Misa et Esino.
Les résultats ont révélé un schéma clair et spectaculaire. Environ deux jours après le pic des précipitations, les ondes sismiques voyageant à travers la zone affectée par les glissements de terrain ont commencé à ralentir de manière significative. La vitesse a chuté d'environ 0,2 %, un changement qui s'est étendu jusqu'à une profondeur d'environ un kilomètre. Ce ralentissement n'a pas été immédiat ; il a fallu du temps pour que l'eau s'infiltre dans le sol et modifie la pression au sein des pores de la roche et du sol. L'anomalie était plus prononcée dans la partie centrale de la zone affectée, précisément là où la pluie avait été la plus forte et où la majorité des glissements de terrain s'étaient produits. Au cours des cinq jours suivants, cette zone de ralentissement des ondes sismiques s'est étendue, couvrant finalement près de 40 % de la région sujette aux glissements de terrain, avant de revenir progressivement à des niveaux normaux à mesure que le sol se stabilisait.
Ce comportement spatio-temporel a fourni une preuve solide que la chute de vitesse était pilotée par le mouvement de l'eau profondément sous terre. Les chercheurs ont calculé que la pression de l'eau se diffusait à travers le sol à un taux cohérent avec la géologie locale, se déplaçant vers le bas et vers l'extérieur depuis la surface. Crucialement, l'équipe a écarté d'autres causes communes pour de tels changements. Ils ont analysé les fluctuations de la pression atmosphérique et de la température, qui sont connues pour influencer parfois les vitesses sismiques, mais ont constaté que ces facteurs étaient trop faibles pour expliquer l'ampleur de la chute observée. Ils ont également noté que les changements de vitesse étaient localisés dans la zone de fortes pluies et de glissements de terrain, alors que les changements de pression atmosphérique étaient uniformes dans toute la région. Cela a confirmé que le signal était une réponse directe à la crise hydrogéologique, et non un effet météorologique régional.
L'étude suggère que la surveillance de ces changements de vitesse relative pourrait être un outil puissant pour évaluer l'instabilité des pentes. Contrairement aux méthodes traditionnelles qui reposent sur un nombre limité de pluviomètres ou de piézomètres, qui ne mesurent les conditions qu'en des points spécifiques, l'analyse de la vitesse sismique offre une vue continue et à l'échelle régionale de l'état mécanique du sol. Les chercheurs ont trouvé que la fraction de la zone subissant une chute de vitesse significative pouvait servir de proxy pour la fragilité globale du versant. Dans cet événement spécifique, la chute de vitesse est apparue environ deux jours après le pic de pluie et a persisté pendant plusieurs jours, corrélant avec la période de saturation et d'instabilité intense.
Bien que l'étude ne prétende pas que les changements de vitesse sismique puissent prédire le moment exact où un glissement de terrain spécifique se produira, ni qu'elle implique un lien de causalité direct entre les changements de vitesse et des événements de glissement de terrain individuels, elle démontre que ces mesures fournissent une fenêtre non invasive et précieuse sur les conditions de subsurface qui mènent à la rupture. La méthode repose entièrement sur les réseaux sismiques existants, qui sont souvent déjà en place pour la surveillance des séismes, ce qui en fait un ajout rentable et durable aux cadres actuels d'évaluation des risques. En écoutant le ralentissement subtil du bourdonnement de la Terre, les scientifiques pourraient bientôt être capables de détecter les signes d'instabilité des pentes, offrant ainsi aux communautés plus de temps pour se préparer aux dangers des inondations éclair et des glissements de terrain dans une ère de phénomènes météorologiques de plus en plus intenses.
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