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

De grond onder onze voeten is zelden stil. Zelfs wanneer er geen aardbeving het oppervlak doet schudden, bromt de aarde met een constante, laagfrequente trilling veroorzaakt door de oceaangolven die tegen kustlijnen slaan, de wind die door bomen ruist en het dagelijkse ritme van menselijke activiteit. Decennialang hebben seismologen naar dit achtergrondgezoem geluisterd, bekend als ambeante ruis, om de diepe structuur van de planeet in kaart te brengen. Recentelijk hebben wetenschappers beseft dat dit gezoem ook kan fungeren als een gevoelige thermometer voor de aardkorst, waarbij subtiele veranderingen in de snelheid waarmee seismische golven zich door de bodem en het gesteente verplaatsen, worden onthuld. Wanneer de grond natter, meer gebarsten of onder spanning staat, verschuift de snelheid van deze golven lichtjes. Door deze minuscule snelheidsveranderingen in de loop van de tijd te volgen, kunnen onderzoekers potentieel de "gezondheid" van een helling "beluisteren", waarbij ze detecteren wanneer water de aarde verzadigt en de mechanische staat van de grond verandert.

In september 2022 trof een catastrofale storm de regio Marche in centraal Italië, waarbij een enorme hoeveelheid regen in een korte periode viel en duizenden aardverschuivingen en ernstige flash floods veroorzaakte. Deze ramp bood een zeldzaam, reëel laboratorium voor een team van onderzoekers onder leiding van Andrea Albano en Mauro Palo aan de Universiteit van Napels Federico II. Zij wilden zien of de subtiele verschuivingen in de snelheid van seismische golven als een proxy voor hydrogeologische crises konden dienen. Door de continue achtergrondruis te analyseren die door een netwerk van seismometers in de regio werd opgenomen, was het team in staat om te volgen hoe de grond reageerde op de wateroverlast, wat een nieuwe manier biedt om de stabiliteit van hellingen te monitoren zonder gaten te hoeven boren of sensoren direct op gevaarlijke heuvels te hoeven installeren.

De onderzoekers richtten hun aandacht op de periode rondom de storm, die begon op 15 september 2022. Ze gebruikten een techniek genaamd seismische interferometrie, die de constante achtergrondruis in essentie behandelt als een signaal om de reistijd van golven tussen verschillende seismometerstations te meten. Door deze reistijden dag per dag te vergelijken, konden ze de relatieve verandering in seismische snelheid berekenen, een waarde die aangeeft of de grond zachter is geworden of meer onder spanning staat. De studie besloeg een specifiek gebied van ongeveer 550 vierkante kilometer dat was geïdentificeerd als de zone met de hoogste dichtheid aan aardverschuivingen na de storm. Dit gebied was gecentreerd rond het bergachtige terrein waar de regenval het meest intens was, met name in de bekkens van de rivieren Metauro, Cesano, Misa en Esino.

De resultaten toonden een duidelijk en dramatisch patroon. Ongeveer twee dagen na de piek van de neerslag begonnen de seismische golven die door het door aardverschuivingen getroffen gebied reisden, aanzienlijk te vertragen. De snelheid daalde met ongeveer 0,2 procent, een verandering die doorliep tot een diepte van ongeveer één kilometer. Deze vertraging was niet onmiddellijk; het kostte tijd voordat het water de grond kon infiltreren en de druk binnen de poriën van het gesteente en de bodem kon veranderen. De anomalie was het meest uitgesproken in het centrale deel van de getroffen zone, precies waar de regenval het zwaarst was geweest en waar de meerderheid van de aardverschuivingen plaatsvond. In de loop van de volgende vijf dagen breidde dit gebied van vertraagde seismische golven zich uit, totdat het uiteindelijk bijna 40 procent van het aardverschuivingsgevoelige gebied besloeg, alvorens het geleidelijk terugkeerde naar normale niveaus toen de grond stabiliseerde.

Dit spatio-temporele gedrag leverde sterk bewijs dat de daling in snelheid werd gedreven door de beweging van water diep onder de grond. De onderzoekers berekenden dat de waterdruk zich door de grond verspreidde met een snelheid die consistent was met de lokale geologie, waarbij het naar beneden en naar buiten bewoog vanuit het oppervlak. Cruciaal was dat het team andere veelvoorkomende oorzaken voor dergelijke veranderingen uitsloot. Ze analyseerden atmosferische druk- en temperatuurschommelingen, die er bekend om staan soms seismische snelheden te beïnvloeden, maar stelden vast dat deze factoren te klein waren om de omvang van de waargenomen daling te verklaren. Ze merkten ook op dat de snelheidveranderingen gelokaliseerd waren in het gebied met hevige regenval en aardverschuivingen, terwijl atmosferische drukveranderingen uniform over de gehele regio waren. Dit bevestigde dat het signaal een directe reactie was op de hydrogeologische crisis, en niet een regionaal weereffect.

De studie suggereert dat het monitoren van deze relatieve snelheidveranderingen een krachtig instrument kan zijn voor het beoordelen van hellingsinstabiliteit. In tegen tegenstelling tot traditionele methoden die vertrouwen op een beperkt aantal regenmeters of piëzometers, die slechts condities op specifieke punten meten, biedt seismische snelheidsanalyse een continu, regionaal overzicht van de mechanische staat van de grond. De onderzoekers ontdekten dat het fractie van het gebied dat een significante snelheidverandering ondergaat, als een proxy kan dienen voor de algehele kwetsbaarheid van de helling. In dit specifieke evenement trad de snelheidverandering ongeveer twee dagen na de piek van de regen op en hield deze enkele dagen aan, wat correleerde met de periode van intense verzadiging en instabiliteit.

Hoewel de studie niet beweert dat veranderingen in seismische snelheid het exacte moment kunnen voorspellen waarop een specifieke aardverschuiving zal plaatsvinden, noch impliceert dat er een direct causaal verband bestaat tussen de snelheidveranderingen en individuele aardverschuivingsgebeurtenissen, demonstreert het wel dat deze metingen een waardevol, niet-invasief venster bieden op de ondergrondse condities die leiden tot falen. De methode vertrouwt volledig op bestaande seismische netwerken, die vaak al aanwezig zijn voor het monitoren van aardbevingen, waardoor het een kosteneffectieve en duurzame toevoeging is aan huidige risicobeoordelingskaders. Door te luisteren naar het subtiele vertragen van het gezoem van de aarde, kunnen wetenschappers mogelijk binnenkort de tekenen van hellingsinstabiliteit detecteren, waardoor gemeenschappen meer tijd krijgen om zich voor te bereiden op de gevaren van flash floods en aardverschuivingen in een tijdperk van steeds intensere weerevents.