HVSR崩落的岩石地震信号分析评估地下条件和地震响应

文摘

许多意大利岩石边坡的特点是导致常数不稳定岩体岩石坠落和石头堆底下。有效地减轻其灾难性的后果需要深入研究。四测速仪一直放在Torgiovannetto采石场领域广泛的地震噪声的调查。研究区(200×100)的近似表面位于附近的阿西西(意大利)和崩落的岩石受到威胁。在这项工作中,我们目前的水平到垂直之间的结果初步获得被动地震数据的光谱比率分析旨在理解地震的模式噪声变化的应力状态和/或风化条件(流体内容和微裂缝)。Torgiovannetto不稳定斜坡自2003年以来一直监视佩鲁贾的阿尔塔师范学校和大学的地球科学部门的佛罗伦萨,观察后的第一个运动由国家林业队。可用的数据允许一个广泛的地震信号之间的比较,位移和气象信息。测量位移与降水的趋势,但不幸的是没有观察到相似的地震数据。然而,一个重要的温度数据之间的相关性和水平垂直地震噪声的谱比趋势可以被识别。这可以间接影响的温度对岩体条件和进一步广泛的研究(也在时间频率域)需要更好的理解这种依赖性。 Finally, the continuous on-line data reveal interesting applications to provide near-real time warning systems for emerging potentially disastrous rockslides.

1。介绍

多年来,研究人员将注意力转向大规模山体滑坡在意大利的问题。主题是高提上议事日程,因为大约70%的山体滑坡在欧洲大陆主要集中在意大利1]。由于陡峭的斜坡,较高的地震活动,和土壤和基岩性质,许多意大利山谷山坡的特点是不稳定岩体造成不变的岩石瀑布和落石不同大小和类型的2]。彻底了解故障类型、机制和可能的滑坡的原因是需要有效地减轻他们的灾难性的后果。此外,目前可以实现早期预警系统(EWS)为了防止生命损失和减少的经济和物质影响滑坡事件(3,4]。然而,足够频繁,它是不容易找到一个技术能够提供一个直接警告(5]。因此,边坡岩体的失败代表了一个有趣的案例研究验证在EWS使用被动地震监测的可行性。通过观察的变化发生在获得信号,事实上,它有可能探测岩体的弹性参数的变化与孔隙流体压力的变化,整合,和微裂缝预测失败(6]。

在过去的几年,除了传统的岩土工程和结构监测(例如,地形总站,伸长计和倾斜,(7]),新技术已经被用来描述和监测滑坡:航拍照片和激光雷达(8,9),GPS监控(10- - - - - -12],InSAR和GB-InSAR技术[3,13- - - - - -15),激光扫描仪(16,17),红外温度记录(18- - - - - -20.),和光纤应变传感器(21]。浅层地球物理方法代表了一个有效的补充上述技术(6,22- - - - - -27]。

验证性能的一个小规模的地震网络作为EWS的一部分,一个中试规模的实验被安排来监视一个不稳定的岩体。测试网站Torgiovannetto采石场位于翁布里亚地区,意大利的地区之一,更容易发生滑坡。一般来说,采石场可以描述为非常脆弱的地区,因为他们的自然地貌改变通过挖掘活动(28]。数据收集期间7-month-period监控。在本文中,我们目前的结果进行初步分析获得的数据通过水平到垂直之间的光谱比率分析(HVSR或H / V)。这些分析旨在理解地震的模式噪声变化的应力状态和/或风化条件(流体内容和微裂缝),建立一个可靠的EWS的第一步。自2003年以来研究采石场崩落的岩石也广泛监测与传统方法。因此,多参数分析是有用的了解崩落的岩石动力学和控制机制来评估可能的联系降雨/温度/位移和地震活动崩落的岩石。因此,地震数据之间的比较和讨论了温度和降水数据,为了突出他们之间的相关性。

2。研究区

Torgiovannetto测试站点位于泥晶灰岩前采石场(驳回末以来阿西西的90年代),2公里(意大利翁布里亚的华中地区)向北面临Subasio山(红场图的斜率1)。山体滑坡在翁布里亚占据约14%的整个土地覆盖(8456公里²许多城市地区)和影响。

a.s.l Subasio山(1109米)的一部分Umbria-Marche亚平宁山脉,一个复杂的褶皱和弧形冲断带占据意大利亚平宁山脉北部的外区。带开发在新第三纪的利古里亚海关闭,其次是欧洲Corsica-Sardinia边缘之间的大陆碰撞和非洲Adria海角(29日]。一个northeast-directed挤压构造阶段开始在中新世中期和亚得里亚海海岸附近的仍然是活跃的30.]。上上新世期间一个具体的阶段开始面向主应力对NE-SW导致的解剖Umbria-Marche亚平宁山脉,一套NW-SE-trending大陆盆地。山Subasio区域在于SSE-NNW趋势背斜(31日,32)层浸渍几乎垂直的和几个- NE的正断层在东部和西部的侧翼。当地的地质结构,属于Umbro-Marchigiana序列(从Calcare Massiccio, Marnoso Arenacea),代表海洋环境的逐步下沉。

研究区主要由泥晶灰岩属于爵(上层Jurassic-Lower白垩纪),形成广泛的露头。地层的厚度约为100米,由白色或浅灰色well-stratified泥晶灰岩层,其厚度范围到10厘米到1米,和薄的粘土夹层可能偶尔发生。网站也部分覆盖非常比浊碎片(从卵石cobble-sized角碎屑,分散巨石,在粉砂或粗粒砂质矩阵),其中一些是人为的自然。350°和5°之间的倾斜方向不同,而从25°35°倾角层,这意味着,在一般情况下,层的倾斜方向相同的斜率但温和的角。

第一变形在采石场观察2003年5月由国家林业队的形式张力裂缝在采石场植被区域的上面和前面。从那时,几个监视活动是由不同的技术手段(地形全站仪、倾斜、应变仪、地面干涉雷达、激光扫描仪,和红外热成像系统(7])。放心,不稳定的主要诱发因素是采石活动严重改变原来的面前。实际上采石场的结构在四个主要的梯田,茂密的植被防止区分他们(指(4]采石场视图从北到南),总高度约140米(图2)。然而,earthquakes-induced滑坡不容忽视的不稳定因素之一。事实上,地震和滑坡之间的联系是有据可查的文学,尤其是在高震级地震的情况下33- - - - - -36]。例如,地震序列影响的东南地区采石场(Colfiorito盆地)在1997 - 98年达到阿西西地区强震的强度(MCS) Io = 8 - 9 (37]。因此,采石场周围的地震活动是另一个重要的不稳定因素。

主要岩滑(38]Torgiovannetto采石场的一个粗略的梯形形状和表面覆盖约200 m×100 m和550米海拔680米海拔高度。几何和其他土壤参数(如密度和体波速度)是众所周知的由于岩土和地球物理调查网站上进行Alta师范学校佩鲁贾和佛罗伦萨大学的4,7]。在这些调查中,被动地震台网在连续记录是安装在这个崩落的岩石从2012年12月到2013年7月。“传统”监测网络是由13线伸长计,1加速度计,1气象台(由1温度计和雨量计),和3倾斜计(图2)。监控网络,逐步增强和改善整个年,建成与水文数据(39),建模计算分析(7,40),地震站。如今,积极卷Torgiovannetto崩落的岩石估计约为182000米³。上边界被定义为一个大打开接近垂直的骨折(图2),张力裂缝与电子战罢工,这在一些地方显示的宽度和深度可达2米20米(40]。

3所示。方法

HVSR技术首次被引入,41,42]。它是基于地面运动的水平和垂直分量之间的比率,它需要一个三分量传感器获取的数据。根据(43)微震能量主要由SH波,同时,根据其他作者,讨论(44),H / V峰值相关瑞利波。HVSR比率的显著特征之一就是其稳定性,记录在许多论文(27,45,46]。HVSR曲线允许获得关于潜在的附加信息网站速度剖面,特别是当一个强大的不同剪切波速之间存在浅层和基岩(47,48]。网站效果放大,事实上,可能会造成一些地质条件和其中一个是软土层的存在上覆刚性半空间。如今,HVSR广泛应用对环境(49,50)和结构(51- - - - - -53)问题。更详细的讨论地震噪声方法请参阅广泛文献[27,43,54- - - - - -56]。HVSR的主要应用技术在滑坡问题的可能性的几何重建质量和检测的深度剪切滑动面(27,57- - - - - -59)有一个很好的近似。这一点超出了本文的范围,相反,旨在评价岩体的动态行为影响骨折的存在与滑动楔,寻找其内部特征的变化检测的HVSR形状(6,23),可用于早期预警过程。

Torgiovannetto采石场,地震测量进行了使用一个小规模的网络由四个地震监测站(TOR1, TOR2、TOR3 TOR4;位置如图2)。由于网站的地貌特征和缺乏东部的斜率,安装非常具有挑战性。站TOR4位于滑动质量,而其他三个电台(TOR1、TOR2 TOR3)是位于边缘的采石场安排成对在相反的方向上对滑坡的中心。这种配置(反向Y的滑动方向)允许我们检索守时内外压倒性的信息。每个车站与莎拉24位a / D转换器(SL06)加上SS45三轴速度计传感器固有频率为4.5赫兹和78 V / m / s的转导因子。仪器响应是平2赫兹,上角100赫兹的频率。所有人都配备全球定位系统(GPS)接收器时间同步。传感器被放置在混凝土底座与支撑基座,隔绝外部,以达到防止恶劣天气条件。电池供应和数字化仪,通过连接器电缆连接到传感器,被安置在一个单独的案例。数据记录在连续模式采样频率在200赫兹,最佳信号的分辨率和数据存储之间的妥协。 Data acquisition was continuous for 210 days from December 7, 2012, to July 3, 2013, except for some short intervals due to the batteries change. Data format of the seismic records retrieved from the converters SL06 is miniSEED (‘Data-only’ volume;http://ds.iris.edu/ds/nodes/dmc/data/formats/miniseed/)。然而,这种格式主要是为地球物理数据的交换,而不是设计进行分析。因此,首先,记录的数据格式转换为更适合详细内容如囊(地震学分析代码;https://ds.iris.edu/files/sac-manual/manual/file_format。html)。对于每一个站,每6小时,三个独立的文件(图生成3),东西(她)相对应,南北(SHN)和垂直或上下(SHZ)组件的速度。表达的振幅(轴),x轴在时间(小时)。

通过Geopsy执行数据分析软件(http://www.geopsy.org;cf。53作为应用程序的一个例子)。所有地面运动的三个组成部分获得的数据去趋势,mean-removed和过滤。然后,每个跟踪被划分为windows 120年代的长度,与图基窗口,每个窗口是锥形,与零填充。振幅谱是评估通过快速傅里叶变换(FFT);个人光谱终于平滑使用0.1赫兹的货车车厢宽度。H / V比率计算每个窗口,最后HVSR函数是由HVSRs超过6小时的平均间隔。在这个工作水平(H)光谱计算了平均南和n组件使用二次平均,这显示了一个低偏压对简单的算术平均值(52]。最后,一种特殊的过滤过程没有应用,因为它并没有显着影响的非平稳噪声是发生在其他研究[60- - - - - -62年]。

4所示。结果

共振频率的峰值,确定使用上述H / V法,分析了电台TOR1, TOR3, TOR4整个监控。站的HVSR分析TOR2不是这里介绍因为典型的平面形状的地震基岩露头(55]。的TOR1 HVSR(图4)展品振幅超过最高的4.5赫兹13赫兹频段稳定在10.5赫兹的振幅峰值通常略高于2。整个观察期,峰值振幅和频率,并没有表现出任何特定的趋势,除了轻微的增加幅度在1月到3月中旬,2013。的TOR3 HVSR(图5)的特点是更密集峰的幅度高于2,合并的光谱带从2.5到6赫兹。两个主要山峰存在:1、更频繁的在2.5赫兹,另5赫兹。这种行为表明媒介属性可能会受到轻微的、周期性的变化可能与暂时的波动在水中传播速度的影响的内容。

在TOR4(图6)HVSR展览两个主要山峰在大约2.7赫兹和5.5赫兹的频率。这些山峰的振幅变化特点和系统的日常,因此每周,行为,最大振幅的噪音会更高。这可能是与(a)一个人工制品的内部电子噪声相关工具,成为相关地面振动的影响很低振幅,如夜间或周末期间,或(b)噪声波场的变化,由于不同来源的激活与人为活动有关。4月,从2013年开始,这些山峰的振幅从3的值开始增加,并通过监测周期的结束他们获得价值约,约65%高于观察实验的早期阶段。这样的振幅的增加可能会反映出相应增加阻抗不稳定的质量和底层之间的对比坚实的基石。然而,峰值频率保持稳定,表明最浅的层的厚度和速度大幅保持不变。因此,速度和/或密度的增加潜在的层必须被调用来解释推断阻抗变化。潜在的现象引发了这种可能的速度增加将在下面讨论。

此外,HVSR方向性在7个月的记录进行了分析。作为一个例子,等高线地图数据7(一)和7(b)比较中等方向性数据获得2012年12月和2013年7月,分别。两个不同的时间间隔,车站TOR1指向性,TOR2,大幅TOR3保持不变。另一方面,两个时期之间的TOR4偏振方向变化(图8),即使后来的间隔指向性明确结果的水平分量的振幅增加,也体现的越来越多HVSR山峰(图6)。这表明观察时间的变化HVSR情节并不是由于活性来源的分布的变化;如果这是这样,因此偏振方向应该最有可能已经改变了。

5。讨论

假设HVSR严格相关介质的动态属性,它应该是稳定的如果没有发生变化的速度和/或地面的密度(63年],HVSR分析的结果可以概括如下:(i)有明显的配置quasiconstant或缓变连续的H / V峰值频率值取决于考虑站;(2)车站位于滑动质量(TOR4)和在其头部(TOR3),在潜在的松散部分,显示更清晰和更大的振幅峰值比观察到下游站解决。在TOR4,振幅变化的HVSR无法明确解释。然而,整体稳定性的偏振特性表明,这些变化最有可能反映了介质的声学特性的变化,而不是一个噪声源的分布的变化。

如前所述在引言部分采石场崩落的岩石是2003年以来广泛监测与传统方法。其中,如图2,有13伸长计。所有的伸长计数据(E1-E15图2)分别归一化并与测量累积降雨量为了突出两个不同的时间序列之间的线性相关性。的相关系数在MATLAB函数是用来评价线性(或排名)相关性(ρ)和执行一个假设检验。没有相关性的假设是对的选择有一个非零的相关性(Pval)作者假设的两个数据之间的关系意义重大,如果Pval足够小(< 0.05)。表1显示了每个比较获得的值。

相关分析的结果清楚地表明,形变场的上部分采石场(E10, E7、E8 E9 E13, E14灯头,位于主要的裂缝宽度扩大到2米从东到西)和西部的采石场(E2,位于外侧裂)是严格相关季节性降雨,自从Pval值非常小(指数低于-100)。这种行为可以考虑解释说,在网站开放骨折的重要,孔隙水压力在骨折/裂缝可以严重影响岩石的稳定性。不幸的是,由于仪器的问题,没有在水位数据裂缝。此外,从定性的角度,观察图9,可以评估期的主要土壤的运动所反映出的(伸长计曲线的垂直部分)按照较高的时期降水(雨累积曲线的垂直部分所反映出的)。特别是,这种行为很清楚在1月的一半,在2月和5月的结束。降雨似乎也较弱,但仍显著影响E11的变形测量,E3, E4, E15(图9存在),而逆关联与数据记录的E1(位于基底平面的对应)。最后,没有证据的相关性E12汽油数据与雨趋势和温度变化。不幸的是,没有肤浅的证据可以证明这种行为,除了E12汽油位于通信之间的连接两个主要骨折(图2)。也许其行为是由这个结(即引起的。,the highest movements are recorded by the extensometer around), or otherwise it could be possible that some errors in the data registration occurred.

一个好的匹配(ρ:0.7147;Pval 9.3923 e⁻³⁰)是通过比较TOR4 HVSR放大值和温度变化(图10)。这可能是由于含水量变化介质(水或者清空内容,填补了岩石孔隙),因此相对相关的变异,HVSR放大值的变化。毛孔的饱和水,事实上,往往会增加纵波的速度(传播更有效地通过水比空气),还增加了泊松比。这对瑞利波和拥有强大的影响力,特别是在粒子运动的椭圆率随之增加的比率水平分量H和垂直地面运动[V之一64年- - - - - -66年]。

为强烈的相似之处,通过比较温度趋势出现,H / V在TOR4记录,后者的直接依赖气象条件的参数可能被期望。这种行为提出(67年),将一个基本角色气压有关噪声波场的构成条件变化。在[68年)这种行为与微震的频率(低于1 Hz)和有关海洋风暴浪。文献[69年)观察到类似的现象在非常高的纬度:在这种情况下的变化可以解释的冻融循环破碎岩石表面和改变他们的声学特性。此外,(70年]指出HVSR幅度可能会受到当地的气象条件的影响(例如,风)。如果这是这样,一个扩展数据集(> 1年)将是必要的,以澄清在TOR4是否观察到的变化是周期性现象发生在长时间内由于季节性变化。不幸的是,在Torgiovannetto采石场不可能延长试验时间间隔因为艰难的收购条件。然而,假设HVSR振幅值直接相关Torgiovannetto地区气象因素可以被排除在外。所有的电台,事实上,考虑到他们的小间距,应该显示相同的振幅增加。相反,TOR1显示最低在2013年1月,其他月份相对稳定值;TOR3显示明显的最大值在2012年12月至2013年2月;TOR4显示了从1月到2013年7月增加的趋势。这些H / V频率变化可以被关联到一个不同的深度压裂(即。,at site TOR1 fractures are shallower/near to the surface while at sites TOR3 and TOR4 they could be observed at depth) since the penetration of the surface waves is related to the frequency, but there are no experimental data on the depth of the fractures. Moreover, the surface geology at site TOR1 is characterized by stiffer or thicker geological unit, as indicated by the H/V frequency at 4.5 Hz. The surface geology at site TOR3 is characterized by softer/or thinner geological unit, as indicated by the H/V frequency at 2.5 Hz.

温度变化不可能直接影响到H / V振幅但是负责的其他机制(如:(i)的破碎程度增加媒介代理直接在岩石的膨胀(增加介质压裂可以直接结果,或者,更常见的是,间接地在密度或传播速度变化);(2)影响表面层的含水量导致波速的增加这部分的斜率。支持这个假说的阻抗的变化对比发生的方法炎热的季节(4月初,2013),因此温度较高(即。在表层,水更容易蒸发温度较高)。

不幸的是,在缺乏证据的现状表面位移对应观察HVSR振幅的变化趋势止赎阈值识别的任何可能性,可以用作EWS。可能是有趣的评估该技术监测方法可以在监控校准间隔时具有高表面活性或在更长时期为了解释参数的周期性变化。

6。结论

实现EWS滑坡监测是一项具有挑战性的问题。验证地震噪声分析的有效性作为一个EWS的一部分,一个中试规模的实验被安排来监视一个不稳定的岩体。经过时间的被动地震资料分析了通过H / V方法。降雨/温度/位移和崩落的岩石之间可能的联系的地震活动评估,并假设高压振幅值直接相关气象因素可以被排除在外。相反,H / V观察随时间变化是有趣的,他们可能揭示地下现场条件的变化,也影响评估网站应对地震摇晃。提出了分析只是第一步采用H / V EWS变化。许多的努力,事实上,必须采用理解观察到的变化都与边坡稳定性条件和建立一个可靠的EWS。第一点(一个)一段时间收购和(b)比较与其他参数模型和解释定量的方式是必要的。有许多因素(如裂缝、关节,岩石成岩作用,和饱和度),事实上,可能会导致速度和密度变化,因此影响椭圆率和/或表面波的极化。第二点,有一些开放式的问题,(a)的主要信息是什么EWS将收到,(b)这些信息将如何处理,(c)的首选是什么时间响应,和(d)的潜在变化和/或错误(a)和(b)会影响假警报/不报警EWS的比率。 Nonetheless, the rapid technological advances increasing the speed in acquisition, transmission, and processing of data suggest that it is clearly worthy to proceed in the field of seismic monitoring of unstable slopes.

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

地球科学系(Unifi-DST)支持这项研究作为项目的一部分,以提高崩落的岩石早期预警系统(普林斯顿2009 -先进的监测技术发展的早期预警程序在大型石头堆底下-普罗特。20084 fahr7_001)。我们感激地承认萨拉电子仪器提供的设备安装在四个地震监测站。感谢Massimiliano Nocentini和卢卡·隆巴迪(Unifi-DST)部署的巨大努力,安装、维护和提供微震的数据和弗朗西斯科·Ponziani (Centro Funzionale Regione翁布里亚)提供气象数据和非常有用的评论和建议的手稿。谢谢教授也由于尼古拉Casagli (Unifi-DST)的最初的复习很有帮助。作者也感谢匿名审稿人提供非常有用的评论改进手稿。

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