Cross-correlation of ambient seismic noise to monitor groundwater level variations. Application to Crepieux-Charmy water capturing field (France)

This work presents a multidisciplinary study performed in Lyon metropole(France), in the largest European water catchment area. It is of fundamental importance to safeguard this water-field from potential contamination and to ensure a sufficient water supply to meet the daily needs of water resource for domestic, agricultural and industrial purposes. For this reason it has been decided to build twelve infiltration basins which allow, on one hand to recharge the aquifer, and on the other to create an hydraulic barrier to prevent potential pollutants, sometimes present in the neighbouring rivers, are drained into the aquifer. Both of these objectives involve considerable and very rapid changes in the groundwater level which can exceed the unsaturated zone of two meter, mandatory by law. This zone under the basins is necessary to guarantee a sufficient filtering of the water used for the recharge of the aquifer. It is therefore essential, to respect the law, localize the pick of the aquifer’s bulge and ensure a constant monitoring. Even if many piezometers have been installed in the area, it is still not possible to answer to these two questions because these instruments provide a local information and it is therefore too expensive to cover the entire capturing field (375 ha). After a careful analysis of this problem, it has been decided to test the cross correlation of ambient seismic noise method. This technique allows to reconstruct the impulse response of the medium without using active sources. In fact, the latter are replaced by the passive ones that produce, for their nature, repeated seismic vibrations in the ground (e.g. rivers, railways, wind turbines…). In order to apply this methodology, ten seismic stations have been installed equipped with geophones and, external batteries connected to solar panels. They have been used to continuously monitor the ambient noise at a sampling frequency of 250 Hz. The cross-correlation technique has been then applied on these data, collected for a period of almost two months. This process allowed to retrieve velocity variations (dv/v) consistent with groundwater changes. This thesis has shown the potential of this methodology as a valuable non-destructive toll to describe hydrogeological dynamics even in those areas, where the natural process of aquifer refill are strongly modified by human activities. The future project is therefore to create a three-dimensional modelling of the entire aquifer answering to the above mentioned questions.

Questo lavoro presenta uno studio multidisciplinare effettuato a Lyon metropole (Francia), nella più estesa area Europea di captazione d’acqua potabile. Risulta fondamentale tutelare tale bacino da potenziali contaminazioni e garantire un approvvigionamento d’acqua sufficiente per far fronte ai fabbisogni giornalieri della risorsa idrica anche per scopi industriali e agricoli. A tale proposito sono stati realizzati dodici bacini di infiltrazione che permettono da un lato la ricarica dell’ acquifero e dall’altro la creazione di una barriera idraulica atta ad evitare che potenziali inquinanti, talvolta presenti nei fiumi limitrofi, drenino nella falda sotterranea. Entrambi questi due obbiettivi comportano variazioni notevoli e molto rapide del livello di falda che possono portare al mancato rispetto della normativa che prevede di mantenere un franco insaturo di 2 m al di sotto di ogni bacino di infiltrazione. È quindi necessario, al fine di adempiere alla suddetta legge, localizzare esattamente la posizione del picco della falda acquifera e garantire un suo costante monitoraggio. Nonostante gli studi pregressi, effettuati mediante piezometri, non è stato ancora possibile rispondere a tale necessità per via della vasta estensione superficiale dell’area (375ha). Dopo un’attenta analisi di tale problema si è quindi scelto di sperimentare il metodo della cross correlazione del rumore sismico ambientale. Questa tecnica permette di ricostruire la risposta impulsiva del mezzo studiato, senza alcun utilizzo di sorgenti attive poiché sostituite da quelle passive che producono, per loro natura, ripetute vibrazioni sismiche nel terreno (es. fiumi, ferrovie, centrali eoliche…). Per l’applicazione di tale metodologia sono state installate in loco dieci stazioni, provviste di geofono e di batteria esterna, settate con una frequenza di campionamento pari a 250Hz. La tecnica della cross-correlazione è stata applicata sui dati raccolti da questi ricevitori per un arco temporale di due mesi. Questo processo ha permesso di misurare variazioni temporali di velocità sismiche (dv/v) coerenti con le variazioni di falda per una determinata banda di frequenza delle onde Rayleigh. Il lavoro svolto ha mostrato il potenziale di tale metodologia come valido strumento di monitoraggio non distruttivo per descrivere dinamiche idrogeologiche anche in quelle aree in cui i naturali processi di riempimento delle falde acquifere sono artificialmente modificati. L’intento futuro consiste dunque nel realizzare una modellazione continua e tridimensionale dell’intera falda acquifera rispondendo così ai due quesiti inizialmente riportati.