DOI: https://doi.org/10.1029/2024gl113935
تاريخ النشر: 2025-06-09
المؤلف: Laura Pinzon‐Rincon وآخرون
الموضوع الرئيسي: الموجات الزلزالية والتحليل
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة منهجية جديدة لرصد تغيرات التوهين الزلزالي القريب من السطح باستخدام طرق زلزالية سلبية، مع الاستفادة بشكل خاص من اهتزازات القطارات كمصدر زلزالي مستمر. من خلال استخدام تقنية محطة واحدة، قام الباحثون بتقدير التوهين الزلزالي من خلال تحليل العلاقة الخطية بين تردد الترددات وتغيرات سعة الطيف. أجريت الدراسة في منطقة تجميع مياه ليون، وتشير النتائج إلى وجود علاقة قوية بين التوهين الزلزالي والعوامل البيئية، مثل هطول الأمطار وتقلبات مستوى المياه الجوفية خلال أحداث الفيضانات. توفر هذه الطريقة وسيلة عملية لرصد الخصائص الزلزالية تحت السطح بشكل مستمر، مما يعزز فهمنا لديناميات المياه الجوفية.
تسلط الأبحاث الضوء على إمكانية استخدام التوهين الزلزالي كمتغير جديد لرصد التغيرات الهيدروجيولوجية في البيئات القريبة من السطح. تظهر النتائج علاقة واضحة بين التوهين الزلزالي والعمليات الهيدرولوجية، وخاصة تأثيرات هطول الأمطار على امتصاص المنطقة غير المشبعة وتصريفها. بينما تلتقط الطريقة بشكل فعال التغيرات من الدرجة الأولى في التوهين الزلزالي، تزداد تعقيدات تفسير هذه التغيرات عندما تتزامن عمليات هيدرولوجية متعددة. يُقترح إجراء نمذجة مستقبلية لتحسين فهم حساسية توهين الموجات السطحية للعمليات الهيدروجيولوجية. تتيح مرونة هذه الطريقة التكيف مع مصادر الضوضاء المختلفة بخلاف القطارات، مما يسهل الرصد على المدى الطويل والملاحظات المستمرة لديناميات الجيولوجيا تحت السطح.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية التوهين الزلزالي الجوهري في فهم العمليات تحت السطح، مشيرة إلى عدم استكشافه بشكل كافٍ مقارنةً بمعلمات زلزالية أخرى مثل تغيرات السرعة. بينما تعتمد الطرق التقليدية لقياس التوهين غالبًا على الزلازل أو المصادر النشطة، تواجه هذه الأساليب تحديات مثل التكاليف العالية والصعوبات اللوجستية. أدت التطورات الأخيرة إلى تحويل التركيز نحو المصادر الزلزالية السلبية، مثل حركة المرور، التي توفر إشارات متسقة للرصد المستمر. أظهرت الدراسات أن التوهين الزلزالي حساس لعوامل مثل محتوى السوائل ودرجة الحرارة، مما يجعله أداة قيمة للتحقيقات القريبة من السطح.
تقترح هذه الورقة طريقة جديدة لمحطة واحدة لرصد تغيرات التوهين الزلزالي المحلي باستخدام مصادر زلزالية متكررة، وتحديدًا القطارات. يحدد المؤلفون إطارًا رياضيًا لتقدير العلاقة بين تغيرات التوهين وطيف الترددات للإشارات الزلزالية. توضح دراسة حالة من منطقة تجميع مياه ليون فعالية هذه الطريقة، حيث تربط تغيرات التوهين بالعوامل البيئية مثل هطول الأمطار ومستويات البيزومتر. تؤكد الأبحاث على إمكانية استخدام التوهين الزلزالي لتعزيز فهمنا لديناميات المياه الجوفية والتفاعلات تحت السطح.
النتائج
تشير نتائج قياسات تغير التوهين إلى وجود علاقة كبيرة بين مستويات المياه الجوفية والتوهين الزلزالي. توضح الشكل 3-أ تغير التوهين العكسي، المشار إليه بـ $\Delta \alpha$، جنبًا إلى جنب مع مستويات البيزومتر المقاسة بالأمتار فوق مستوى سطح البحر (masl). من الجدير بالذكر أنه تم ملاحظة زيادة ملحوظة في مستوى البيزومتر وانخفاض متزامن في $\Delta \alpha$ بعد بدء حدث الفيضانات في 4 ديسمبر. تشير هذه العلاقة الإيجابية إلى أن ارتفاع مستويات المياه الجوفية يؤدي إلى زيادة التوهين، على الأرجح بسبب زيادة فقدان الطاقة في تحت السطح مع زيادة التشبع الجزئي بالمياه في المنطقة غير المشبعة.
تسلط المنطقة المظللة باللون الأزرق الفاتح في الشكل الضوء على فترة تجربة التسلل، حيث تتأثر ديناميات المياه الجوفية بتغيرات كل من النهر والحوض. نظرًا للفصل المكاني بين الأحواض، والجيوفون، والبيزومتر، من المتوقع أن يكون هناك استجابة متأخرة في تأثير مستوى المياه الجوفية من الأحواض، مما يؤدي إلى علاقة أقل وضوحًا خلال هذه المرحلة. بالإضافة إلى ذلك، يظهر الشكل 3-ب بيانات هطول الأمطار اليومية، مما يشير إلى أن ذروة هطول الأمطار تساهم في تسلل المياه السطحية، مما يؤثر بشكل أكبر على مستويات المياه الجوفية وقد يغير الخصائص الزلزالية تحت السطح. تؤكد النتائج على التفاعل المعقد بين هطول الأمطار، وديناميات المياه الجوفية، والتوهين الزلزالي، خاصة في سياق أحداث الفيضانات وعمليات التسلل.
المناقشة
تركز قسم المناقشة في ورقة البحث على المنهجية والنتائج المتعلقة بقياس تغيرات التوهين الزلزالي باستخدام مصادر زلزالية متكررة، وتحديدًا اهتزازات القطارات، في سياق هيدروجيولوجي قريب من السطح. يقدم المؤلفون صياغة رياضية تربط بين سعة الإشارات الزلزالية وعامل الجودة \( Q \)، الذي يشير إلى فقدان الطاقة وبالتالي التوهين. يستخدمون نهج نسبة الطيف لرصد التغيرات الزمنية في التوهين، مستخلصين علاقة خطية بين الطيف المتبقي والتردد، مما يسمح بتقدير التغيرات في التوهين \( \Delta \alpha \).
تسلط دراسة الحالة التي أجريت في حقل آبار كريبيو-شارمي بالقرب من ليون، فرنسا، الضوء على حساسية التوهين الزلزالي لتغيرات محتوى المياه الجوفية بسبب هطول الأمطار وأحداث التسلل الاصطناعي. يلاحظ المؤلفون أن التوهين الزلزالي يزداد مع محتوى المياه، خاصة خلال الأحداث الهيدرولوجية الكبيرة مثل الفيضانات، مع الإشارة أيضًا إلى التعقيدات التي تطرأ بسبب العمليات المتزامنة التي تؤثر على المنطقة غير المشبعة. تؤكد الدراسة على الطبيعة التكميلية لقياسات التوهين الزلزالي مقارنةً بتقييمات تغير السرعة التقليدية، مما يكشف عن حساسية مميزة لتغيرات الرطوبة في تحت السطح. تشير النتائج إلى أن التوهين الزلزالي يمكن أن يكون متغيرًا قيمًا لفهم ديناميات المياه الجوفية، على الرغم من الحاجة إلى مزيد من النمذجة لتوضيح العلاقات غير الخطية بين التوهين، ومستويات المياه الجوفية، ومحتوى الرطوبة في المنطقة الحرجة.
DOI: https://doi.org/10.1029/2024gl113935
Publication Date: 2025-06-09
Author(s): Laura Pinzon‐Rincon et al.
Primary Topic: Seismic Waves and Analysis
Overview
This study presents a novel methodology for monitoring near-surface seismic attenuation variations using passive seismic methods, specifically leveraging train tremors as a continuous seismic source. By employing a single-station technique, the researchers quantified seismic attenuation through the analysis of the linear relationship between frequency and spectrum amplitude variations. Conducted in the Lyon water catchment area, the findings indicate a strong correlation between seismic attenuation and environmental factors, such as rainfall and groundwater level fluctuations during flood events. This approach offers a practical means to continuously monitor subsurface seismic properties, enhancing our understanding of groundwater dynamics.
The research highlights the potential of seismic attenuation as a new observable for monitoring hydrogeological variations in near-surface environments. The results demonstrate a clear relationship between seismic attenuation and hydrological processes, particularly the effects of rainfall on the unsaturated zone’s imbibition and drainage. While the method effectively captures first-order variations in seismic attenuation, the complexity of interpreting these variations increases when multiple hydrological processes coincide. Future modeling efforts are suggested to refine the understanding of the sensitivity of surface-wave attenuation to hydrogeological processes. The versatility of this method allows for adaptation to various noise sources beyond trains, facilitating long-term monitoring and continuous observations of subsurface geological dynamics.
Introduction
The introduction highlights the significance of intrinsic seismic attenuation in understanding subsurface processes, noting its under-exploration compared to other seismic parameters like velocity variations. While traditional methods for measuring attenuation often rely on earthquakes or active sources, these approaches face challenges such as high costs and logistical difficulties. Recent advancements have shifted focus towards passive seismic sources, such as vehicle traffic, which provide consistent signals for continuous monitoring. Studies have shown that seismic attenuation is sensitive to factors like fluid content and temperature, making it a valuable tool for near-surface investigations.
This paper proposes a novel single-station method for monitoring local seismic attenuation variations using repetitive seismic sources, specifically trains. The authors outline a mathematical framework to quantify the relationship between attenuation variations and frequency spectra of seismic signals. A case study from the Lyon water catchment area illustrates the effectiveness of this approach, correlating attenuation variations with environmental factors like rainfall and piezometer levels. The research emphasizes the potential of utilizing seismic attenuation to enhance our understanding of groundwater dynamics and subsurface interactions.
Results
The results of the attenuation variation measurements indicate a significant relationship between groundwater levels and seismic attenuation. Figure 3-a illustrates the inverse attenuation variation, denoted as $\Delta \alpha$, alongside piezometric levels measured in meters above sea level (masl). Notably, a marked increase in the piezometric level and a corresponding decrease in $\Delta \alpha$ were observed following the onset of a flood event on December 4. This positive correlation suggests that rising groundwater levels lead to increased attenuation, likely due to enhanced energy dissipation in the subsurface as partial water saturation in the vadose zone increases.
The light blue shaded region in the figure highlights the infiltration experiment period, during which the dynamics of groundwater are influenced by both river and basin variations. Given the spatial separation between the basins, geophone, and piezometer, a delayed response in groundwater-level influence from the basins is expected, resulting in a less clear correlation during this phase. Additionally, Figure 3-b shows daily rainfall data, indicating that peaks in rainfall contribute to surface water infiltration, further affecting groundwater levels and potentially altering subsurface seismic properties. The findings underscore the complex interplay between rainfall, groundwater dynamics, and seismic attenuation, particularly in the context of flood events and infiltration processes.
Discussion
The discussion section of the research paper focuses on the methodology and findings related to measuring seismic attenuation variations using repetitive seismic sources, specifically train tremors, in a near-surface hydrogeological context. The authors present a mathematical formulation that relates the amplitude of seismic signals to the quality factor \( Q \), which indicates energy loss and thus attenuation. They employ a spectral ratio approach to monitor temporal variations in attenuation, deriving a linear relationship between the residual spectrum and frequency, which allows for the estimation of changes in attenuation \( \Delta \alpha \).
The case study conducted in the Crépieux-Charmy well field near Lyon, France, highlights the sensitivity of seismic attenuation to changes in groundwater content due to rainfall and artificial infiltration events. The authors observe that seismic attenuation increases with water content, particularly during significant hydrological events such as floods, while also noting the complexities introduced by simultaneous processes affecting the unsaturated zone. The study emphasizes the complementary nature of seismic attenuation measurements compared to traditional velocity change assessments, revealing distinct sensitivities to moisture variations in the subsurface. The findings suggest that seismic attenuation can serve as a valuable observable for understanding groundwater dynamics, although further modeling is needed to clarify the nonlinear relationships between attenuation, groundwater levels, and moisture content in the critical zone.