Seismic velocity changes associated with a flash flood crisis as a proxy for slope instability
本研究表明，环境噪声地震干涉技术能够通过检测 2022 年 9 月意大利中部闪洪发生后地震波速快速且空间性扩张的下降，有效地监测边坡失稳，这种现象与孔隙压力传播相关联，并为预测水文地质灾害提供了一种极具前景的指标。
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脚下的土地很少是寂静的。即使没有地震摇晃地表，地球也会发出一种持续的、低水平的振动，这种振动是由海浪拍打海岸线、风吹树叶以及人类日常活动的节奏所引起的。几十年来，地震学家一直在倾听这种被称为“环境噪声”的背景嗡鸣声，以此来绘制地球深层结构的图谱。最近，科学家们意识到，这种嗡鸣声也可以作为地球地壳的灵敏温度计，揭示地震波在土壤和岩石中传播速度的细微变化。当地面变得更湿润、更多裂隙或承受更多压力时，这些波的速度就会发生轻微偏移。通过追踪这些随时间变化的微小速度变化，研究人员可以潜在地“聆听”山坡的健康状况，检测水分何时饱和了土壤并改变了地面的力学状态。
2022年9月，一场灾难性的风暴袭击了意大利中部的马尔凯大区，在短时间内降下了巨量降雨，引发了数千次山体滑坡和严重的闪电洪水。这次灾难为由那不勒斯费德里科二世大学的 Andrea Albano 和 Mauro Palo 领导的研究小组提供了一个罕见的现实世界实验室。他们想要观察地震波速度的微妙变化是否可以作为水文地质危机的指标。通过分析该地区地震计网络记录的连续背景噪声，该团队能够追踪地面对这场暴雨的反应，从而提供一种监测山坡稳定性的新方法，而无需在危险的山坡上钻孔或安装传感器。
研究人员将注意力集中在围绕这场风暴发生的时期，即2022年9月15日开始。他们使用了一种称为“地震干涉测量”的技术，这种技术本质上是将持续的背景噪声视为信号，用以测量波在不同地震观测站之间的传播时间。通过逐日比较这些传播时间，他们可以计算出地震波速度的相对变化，这一数值指示了地面是变得更软了还是承受了更大的压力。该研究覆盖了一个约550平方公里的特定区域，该区域被确定为风暴后滑坡密度最高的区域。该区域集中在降雨最剧烈的山区，特别是 Metauro、Cesano、Misa 和 Esino 河的流域。
结果显示出一个清晰且剧烈的模式。在大雨达到峰值后约两天，在受滑坡影响区域传播的地震波开始显著减速。波速下降了约0.2%，这种变化延伸到了大约一公里的深度。这种减速并非立即发生；水分渗透进地下并改变岩石和土壤孔隙内的压力需要一定的时间。这种异常现象在受影响区域的中心部分最为明显，那里正是降雨最密集且大多数滑坡发生的地方。在接下来的五天里，这个地震波减速的区域不断扩大，最终覆盖了近40%的易滑坡区域，随后随着地面趋于稳定而逐渐恢复正常水平。
这种时空行为提供了强有力的证据，证明速度下降是由地下水的运动驱动的。研究人员计算出，水压在地面中的扩散速率与当地的地质情况一致，正从地表向下方和向外移动。至关重要的是，团队排除了其他常见的此类变化诱因。他们分析了大气压力和温度波动（已知这些因素有时会影响地震波速），但发现这些因素的影响太小，不足以解释观察到的速度下降幅度。他们还注意到，速度变化局限于强降雨和滑坡发生的区域，而大气压力的变化则是整个地区统一的。这证实了该信号是对水文地质危机的直接响应，而非区域性天气效应。
该研究表明，监测这些相对速度变化可以成为评估山坡不稳定性的有力工具。与依赖于有限数量的雨量计或孔隙水压力计（仅测量特定点位条件）的传统方法不同，地震波速分析提供了对地面力学状态的连续、全区域视角。研究人员发现，经历显著速度下降的面积比例可以作为衡量山坡整体脆弱性的指标。在这次特定事件中，速度下降出现在降雨达峰值后约两天，并持续了数日，与强烈的饱和和不稳定时期相吻合。
虽然这项研究并未声称地震波速变化可以预测特定滑坡发生的精确时刻，也没有暗示速度变化与单个滑坡事件之间存在直接的因果联系，但它证明了这些测量手段为观察导致失效的地下条件提供了一个宝贵的、非侵入式的窗口。该方法完全依赖于现有的地震网络，而这些网络通常已经用于地震监测，这使得它成为当前灾害评估框架中一种具有成本效益且可持续的补充。通过聆听地球嗡鸣声中细微的减速，科学家们可能很快就能检测到山坡不稳定的迹象，从而在极端天气事件日益频繁的时代，为社区争取更多准备应对山洪和滑坡危险的时间。
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