Unstable rock slopes are likely to cause rockfalls, threatening human lives and properties, industrial activities, and transportation infrastructures in mountain areas. There is an increasing demand to forecast and mitigate the potential damage of rockfalls by developing a reliable early warning system. Since passive seismic techniques can acquire information about the propagation of fractures within the rock mass, microseismic monitoring has been increasingly used in rockfall studies during the last two decades. In this thesis, a mountain slope that is facing Lecco city in northern Italy was selected as the research target. The mountain slope is a 300 m-high steep limestone rock face. This area has been historically prone to rockfalls and is still dangerous due to the occurrence of rockfalls. A microseismic monitoring network was installed and has been operating since 2013 as a field research laboratory to study the microseismic monitoring technique in the perspective of developing rockfall early warning systems. Locating microseismic events is a basic step of this technique to obtain the location of developing cracks as possible precursors of rockfalls. However, it is still a challenging task due to the heterogeneity of fractured rock slopes and the weakness of acoustic emissions generated from the release of stress. The main purpose of this thesis is to address the issues related to event localization for microseismic monitoring strategy applied to the unstable rock face. The most original contributions of the thesis include the analysis of the localization accuracy extended to the whole monitored rock mass, the microseismic event classification based on hypocenter location and the design of expanded networks to improve location accuracy and microseismic event classification. To construct the three-dimensional (3D) velocity model required for reliable hypocenter localization, a seismic tomographic survey was performed on the mountain surface above the rock face. Source test measurements were conducted to select a suitable source capable of triggering all geophones. Hammer emerged among the other tested options as the preferred source because it performed like the seismic gun in terms of signal energy and spectral content while demonstrating superiority in terms of portability and flexibility in the harsh environment of the study site. Seismic traveltime inversion showed high heterogeneity of the rock mass with significant contrasts in velocity distribution. Low velocities were found at the shallow depth on top of the rock cliff and intermediate velocities were observed in the most critical area of the rock face corresponding to a partially detached pillar. Two sensitivity tests were implemented to evaluate the resolution and stability of the inversion. After obtaining the 3D velocity model from the inversion, the global grid search location method was selected for event localization and the misfit function was defined based on the Equal Differential Time (EDT) method. Seismic shots with known positions were located to estimate the location accuracy on the upper part of the rock mass. The hypocenter misfits were around 15 m with the 5 geophones of the microseismic network and the error was significantly decreased compared to the results produced by a constant velocity model. Besides, the analysis of location accuracy was extended to the whole volume of the rock mass by using synthetic traveltimes affected by random errors. Although three geophones of the seismic network are installed near the critical area where the partially detached rock pillar was located, accuracy in this area is not better than the accuracy on the upper part of the rock face probably due to the high heterogeneity of rock mass and the higher velocities in this area. The classification procedure for microseismic events was explored by the hypocenter location of a subset of microseismic events with high data quality, which is one of the novelties of this research work. The microseismic events were preliminarily classified into two subclasses: suspected rockfall events with multiple signals in the recordings and suspected fracture events with a single signal in the recordings. The location results for the suspected rockfall events almost met our expectations. Most of the signals in rockfall events were located on or near the rock face thus confirming the initial classification. For the suspected fracture events, only a few (4 out of 20) events were located inside the rock mass at such a distance from the rock face that they cannot be confused with rockfalls. Further improvements in location accuracy are necessary to distinguish suspected fracture events that were located close to the rock face from rockfalls. On the other hand, the hypocenter location helped to identify events generated outside the monitored area and rockfalls that were located on the rock surface at the summit of the rock face. This feasibility study shows that the hypocenter location is a promising method to improve the final classification of microseismic events. Another original contribution of the thesis is to suggest a procedure for designing an expanded network in order to improve the localization accuracy in the most critical part of the rock mass. Additional geophones were progressively added to the existing network, selecting their positions with special care to improve the azimuth coverage and source-receiver distance coverage. Three progressively expanded networks with 9, 13 and 15 geophones were studied to explore the improvement in location accuracy and it was observed that the location error as reduced from 12-24 m (5 geophones) to 4-6 m (15 geophones). The relatively low location errors in the critical part with 15 geophones would help to improve the classification of microseismic events. The method can be used in future network expansion.
Pendii rocciosi instabili a rischio frana, minacciano vite umane e proprietà, attività industriali e infrastrutture di trasporto nelle zone di montagna. Vi è una domanda crescente di sviluppo di sistemi di allerta precoce per prevedere e mitigare il potenziale danno causato dalle frane.. Poiché le tecniche sismiche passive possono acquisire informazioni sulla propagazione delle fratture all'interno dell'ammasso roccioso, il monitoraggio microsismico è stato sempre più utilizzato negli studi di caduta massi negli ultimi due decenni. In questa tesi, è stato selezionato come obiettivo della ricerca un versante montuoso che si affaccia sulla città di Lecco, nel nord Italia. Il pendio della montagna è una ripida parete rocciosa calcarea alta 300 m. Questa zona è stata storicamente soggetta a frane ed è ancora pericolosa a causa del continuo verificarsi di frane. Per lo studio della tecnica di monitoraggio microsismico nella prospettiva dello sviluppo di sistemi di allarme preventivo caduta massi è stata installata una rete di monitoraggio microsismico che opera dal 2013 come laboratorio di ricerca sul campo. L'individuazione di eventi microsismici è un passaggio fondamentale di questa tecnica per ottenere la posizione delle fratture in via di sviluppo come possibili precursori di frane. Tuttavia, tutto ciò è ancora un obiettivo impegnativo a causa dell'eterogeneità dei pendii rocciosi fratturati e della debolezza delle emissioni acustiche generate dal rilascio di stress. Lo scopo principale di questa tesi è quello di affrontare le problematiche relative alla localizzazione di eventi per la strategia di monitoraggio microsismico applicata alla parete instabile. I contributi più originali della tesi includono l'analisi della precisione della localizzazione estesa a tutto l'ammasso roccioso monitorato, la riclassificazione degli eventi microsismici basata sulla posizione dell'ipocentro e la progettazione di reti espanse per migliorare la precisione della localizzazione e la classificazione degli eventi microsismici. Per costruire il modello di velocità tridimensionale (3D) necessario per una localizzazione affidabile dell’ipocentro, è stata eseguita un'indagine di tomografia sismica sulla sommità della parete rocciosa. Per selezionare una sorgente adatta in grado di attivare tutti i geofoni della rete fissa, sono stati effettuati dei test specifici. Tra le varie opzioni sperimentate, la mazza è emersa come la fonte preferibile perché ha funzionato come il fucile sismico in termini di energia del segnale e contenuto spettrale, dimostrando al contempo superiorità in termini di portabilità e flessibilità nell'ambiente ostile del sito di studio. L'inversione dei tempi di arrivo dei dati di tomografia sismica ha mostrato un'elevata eterogeneità dell'ammasso roccioso con contrasti significativi nella distribuzione della velocità. Sono state rilevate basse velocità nei primi metri di roccia al di sotto del pendio posto alla sommità della parete rocciosa e sono state osservate velocità intermedie nell'area più critica della parete rocciosa corrispondente a un pilastro parzialmente staccato. Per valutare la risoluzione e la stabilità dell'inversione sono stati implementati due test di sensibilità. Dopo aver ottenuto il modello di velocità 3D dall'inversione, per la localizzazione degli eventi è stato selezionato il global grid search location method e la funzione di misfit è stata definita in base al metodo EDT (Equal Differential Time). Per stimare la precisione della localizzazione sulla parte superiore dell'ammasso roccioso sono stati localizzati alcuni colpi sismici con posizioni note non utilizzati per la tomografia. . Gli errori di localizzazione dell'ipocentro sono intorno ai 15 m usando i 5 geofoni della rete microsismica e l'errore è notevolmente ridotto rispetto ai risultati prodotti da un modello a velocità costante. Inoltre, l'analisi della precisione della localizzazione è stata estesa a tutto il volume dell'ammasso roccioso utilizzando tempi di volo sintetici disturbati da errori casuali opportunamente calibrati. Sebbene tre geofoni su cinque della rete sismica siano installati vicino all'area critica in cui si trova il pilastro di roccia parzialmente staccato, la precisione in quest'area non è migliore della precisione sulla parte superiore della parete rocciosa probabilmente a causa dell'elevata eterogeneità dell'ammasso roccioso e delle velocità più elevate in quest'area. La procedura di riclassificazione degli eventi microsismici basata sulla localizzazione degli ipocentri, che rappresenta una delle novità di questo lavoro di ricerca, è stata sperimentata su un sottoinsieme di eventi microsismici caratterizzata da elevata qualità dei dati.. Gli eventi microsismici sono stati classificati preliminarmente in due sottoclassi: presunti eventi di caduta massi, comprendenti più impulsi ravvicinati in ogni registrazione, e presunti eventi di propagazione di fratture, comprendenti un singolo impulso in ogni registrazione. I risultati della localizzazione per i presunti eventi di caduta massi hanno quasi sempre confermato le nostre aspettative. La maggior parte dei segnali negli eventi di caduta massi sono stati localizzati sopra o vicino alla parete rocciosa confermando così la classificazione iniziale. Per i presunti eventi di propagazione fratture, solo alcuni eventi (4 su 20) sono stati localizzati all'interno dell'ammasso roccioso a una distanza dalla parete tale da non poter essere confusi con massi in caduta. Un buon numero di altri eventi sono stati localizzati nell’ammasso roccioso ma abbastanza vicini alla parete (entro i limiti di precisione del metodo) per cui sono necessari ulteriori miglioramenti nella precisione della localizzazione per poterli discriminare definitivamente da possibili eventi di crollo. D'altra parte, la posizione dell'ipocentro ha aiutato a identificare eventi generati al di fuori dell'area monitorata e frane che si sono verificate sopra il pendio alla sommità della parete rocciosa. Questo studio di fattibilità mostra che la posizione dell'ipocentro è un metodo promettente per migliorare la classificazione finale degli eventi microsismici. Un altro contributo originale della tesi è quello di suggerire una procedura per la progettazione di una rete espansa al fine di migliorare la precisione della localizzazione nella parte più critica dell'ammasso roccioso. E’ stata simulata la progressiva aggiunta di ulteriori geofoni alla rete esistente, selezionando le loro posizioni con particolare attenzione per migliorare la copertura azimutale e la copertura delle distanze sorgente-ricevitore. Si sono studiate tre reti progressivamente espanse con rispettivamente 9, 13 e 15 geofoni per analizzare il miglioramento della precisione della localizzazione e si è osservato che l'errore di localizzazione si riduce da 12-24 m (con 5 geofoni) a 4-6 m (con 15 geofoni). Gli errori di localizzazione relativamente bassi ottenibili con 15 geofoni suggeriscono che la rete espansa aiuterebbe significativamente a migliorare la classificazione degli eventi microsismici. Il metodo potrà essere utilizzato nella progettazione della futura espansione della rete.
Characterization and monitoring of an unstable rock face by microseismic methods
Zhang, Zhiyong
2020/2021
Abstract
Unstable rock slopes are likely to cause rockfalls, threatening human lives and properties, industrial activities, and transportation infrastructures in mountain areas. There is an increasing demand to forecast and mitigate the potential damage of rockfalls by developing a reliable early warning system. Since passive seismic techniques can acquire information about the propagation of fractures within the rock mass, microseismic monitoring has been increasingly used in rockfall studies during the last two decades. In this thesis, a mountain slope that is facing Lecco city in northern Italy was selected as the research target. The mountain slope is a 300 m-high steep limestone rock face. This area has been historically prone to rockfalls and is still dangerous due to the occurrence of rockfalls. A microseismic monitoring network was installed and has been operating since 2013 as a field research laboratory to study the microseismic monitoring technique in the perspective of developing rockfall early warning systems. Locating microseismic events is a basic step of this technique to obtain the location of developing cracks as possible precursors of rockfalls. However, it is still a challenging task due to the heterogeneity of fractured rock slopes and the weakness of acoustic emissions generated from the release of stress. The main purpose of this thesis is to address the issues related to event localization for microseismic monitoring strategy applied to the unstable rock face. The most original contributions of the thesis include the analysis of the localization accuracy extended to the whole monitored rock mass, the microseismic event classification based on hypocenter location and the design of expanded networks to improve location accuracy and microseismic event classification. To construct the three-dimensional (3D) velocity model required for reliable hypocenter localization, a seismic tomographic survey was performed on the mountain surface above the rock face. Source test measurements were conducted to select a suitable source capable of triggering all geophones. Hammer emerged among the other tested options as the preferred source because it performed like the seismic gun in terms of signal energy and spectral content while demonstrating superiority in terms of portability and flexibility in the harsh environment of the study site. Seismic traveltime inversion showed high heterogeneity of the rock mass with significant contrasts in velocity distribution. Low velocities were found at the shallow depth on top of the rock cliff and intermediate velocities were observed in the most critical area of the rock face corresponding to a partially detached pillar. Two sensitivity tests were implemented to evaluate the resolution and stability of the inversion. After obtaining the 3D velocity model from the inversion, the global grid search location method was selected for event localization and the misfit function was defined based on the Equal Differential Time (EDT) method. Seismic shots with known positions were located to estimate the location accuracy on the upper part of the rock mass. The hypocenter misfits were around 15 m with the 5 geophones of the microseismic network and the error was significantly decreased compared to the results produced by a constant velocity model. Besides, the analysis of location accuracy was extended to the whole volume of the rock mass by using synthetic traveltimes affected by random errors. Although three geophones of the seismic network are installed near the critical area where the partially detached rock pillar was located, accuracy in this area is not better than the accuracy on the upper part of the rock face probably due to the high heterogeneity of rock mass and the higher velocities in this area. The classification procedure for microseismic events was explored by the hypocenter location of a subset of microseismic events with high data quality, which is one of the novelties of this research work. The microseismic events were preliminarily classified into two subclasses: suspected rockfall events with multiple signals in the recordings and suspected fracture events with a single signal in the recordings. The location results for the suspected rockfall events almost met our expectations. Most of the signals in rockfall events were located on or near the rock face thus confirming the initial classification. For the suspected fracture events, only a few (4 out of 20) events were located inside the rock mass at such a distance from the rock face that they cannot be confused with rockfalls. Further improvements in location accuracy are necessary to distinguish suspected fracture events that were located close to the rock face from rockfalls. On the other hand, the hypocenter location helped to identify events generated outside the monitored area and rockfalls that were located on the rock surface at the summit of the rock face. This feasibility study shows that the hypocenter location is a promising method to improve the final classification of microseismic events. Another original contribution of the thesis is to suggest a procedure for designing an expanded network in order to improve the localization accuracy in the most critical part of the rock mass. Additional geophones were progressively added to the existing network, selecting their positions with special care to improve the azimuth coverage and source-receiver distance coverage. Three progressively expanded networks with 9, 13 and 15 geophones were studied to explore the improvement in location accuracy and it was observed that the location error as reduced from 12-24 m (5 geophones) to 4-6 m (15 geophones). The relatively low location errors in the critical part with 15 geophones would help to improve the classification of microseismic events. The method can be used in future network expansion.| File | Dimensione | Formato | |
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https://hdl.handle.net/10589/169309