Potential of ambient seismic noise cross-correlation to characterise the hydrogeology of a clayey landslide : application to Mas D'Avignonet landslide in Trieves region (France)

This work focuses on the study of “Mas d’Avignonet” landslide, a slow moving clayey landslide located in French Western Alps, which benefits from a multi-parameter monitoring implemented by OMIV (Multidisciplinary observatory landslide) since 2007. After an analysis of the several studies carried out and after data acquisition from environmental measurements (meteorological, hydrogeological and geophysical), we apply cross-correlation of ambient seismic noise. This method allows the retrieval of seismic velocity variations over time. We assess its potential mainly through the correlation with piezometrical measurements (water table variations). However, we consider also meteorology (pluviometry, air temperature and pressure), geodesy (GPS), hydrogeology (SP and TDR) and geophysics with the implementation of electromagnetic (EM31) and electric (ERT) resistivity method. Initially based on the cross-correlations of seismic noise between a pair of stations (each station records three components signal), we extend this method to a single station by cross-correlating the different signal’s components. This processing allows obtaining local velocity changes. Particularly, we find that water table changes are consistent with seismic velocity variations for a specific frequency band of Rayleigh waves’ signal. In addition, we studied the role of fluid saturation on seismic velocity changes by using the Biot-Gassmann poroelastic theory. We focus on the influence of the water in Rayleigh waves’ propagation considering a poroelastic medium with a fluid phase and by applying fluid substitution mixture laws. This approach allows assessing the amplitude of the velocity changes according to frequency (assuming the seismic noise being composed of Rayleigh waves) and to quantitatively explain cross-correlation results. This work shows that cross correlation of ambient seismic noise method represents an effective non-destructive monitoring tool able to describe landslide hydrogeology in order to predict its dynamics. The results suggest that the method works but the complexity of the landslide could be completely explained by increasing the stations’ number.

Questo lavoro presenta uno studio multidisciplinare su una frana in argilla (“Mas d’Avignonet”) nelle Alpi Francesi, 40 km a sud di Grenoble monitorata permanentemente dal 2007 da OMIV (Ente per l’osservazione delle instabilità di versante). Dopo un’analisi iniziale degli studi messi in campo in passato e delle misurazioni ambientali (idrometeorologiche e geofisiche) effettuate da strumenti di monitoraggio dislocati in una zona particolarmente attiva della frana, il lavoro verte sull’applicazione del metodo di cross correlazione di rumore sismico ambientale. Questo metodo permette di ritrovare le variazioni temporali di velocità sismiche (dv/V) che vengono in seguito correlate principalmente con misure piezometriche (livello di falda superficiale) e indirettamente con le misurazioni meteorologiche (pluviometria, pressione e temperatura), topografiche (GPS), idrogeologiche (SP e TDR) e geofisiche con l’applicazione di metodi di resistività elettromagnetici (EM31) ed elettrici (ERT) precedentemente elaborate. Il metodo, inizialmente basato sulla cross correlazione di rumore sismico (registrato su tre componenti per stazione) di una coppia di stazioni, è stato successivamente esteso cross correlando componenti differenti di una medesima stazione. Questo processo ha permesso, soprattutto per il primo caso, di ritrovare variazioni di velocità sismiche coerenti con le variazioni di falda superficiale per una determinata banda di frequenza delle onde di Rayleigh. In seguito, abbiamo studiato il ruolo della saturazione dei fluidi nelle variazioni di velocità sismiche applicando la teoria poroelastica di Biot-Gassmann che considera il terreno un mezzo poroelastico con fase fluida. In particolare, abbiamo applicato leggi di omogeneizzazione della fase fluida, descrivendo l’influenza dell’acqua nella propagazione delle onde di Rayleigh. Il metodo permette infine la valutazione delle variazioni di velocità sismiche rispetto alla frequenza (considerando che il rumore sismico sia composto per lo più da onde di Rayleigh) spiegando quantitativamente i risultati ottenuti con la cross correlazione. Il seguente lavoro mostra in prima analisi come il metodo di cross correlazione sia un valido strumento di monitoraggio non distruttivo permettendo di descrivere dinamiche idrogeologiche di frane in argilla. Tuttavia la complessità dei risultati suggerisce che la presenza di più stazioni consentirebbe davvero di raggiungere dei risultati soddisfacenti.