DOI: https://doi.org/10.26443/seismica.v5i1.1902
تاريخ النشر: 2026-03-01
المؤلف: T De Wit وآخرون
الموضوع الرئيسي: الموجات الزلزالية والتحليل
نظرة عامة
تبحث هذه الورقة البحثية في تطبيق ارتباط الضوضاء الزلزالية المحيطة لمراقبة استقرار المنحدرات في منجم مفتوح في أستراليا، مع التركيز بشكل خاص على إمكانيته في التحذير المبكر من الانهيارات الأرضية. تعتمد طرق المراقبة التقليدية غالبًا على تشوه السطح، مما قد لا يوفر تنبيهات في الوقت المناسب. استخدمت الدراسة مجموعة كثيفة من أجهزة قياس الزلازل في الآبار لقياس تغييرات سرعة الزلازل على مدى الزمن تحت المنحدر، كاشفة عن انخفاض كبير في سرعة الزلازل قبل حوالي 12 يومًا من فشل المنحدر. كان هذا الانخفاض مرتبطًا بحدث تفجير قريب وهطول أمطار غزيرة لاحقة، مما ساهم على الأرجح في ضعف المنحدر من خلال تسرب المياه إلى هياكل الفوالق.
تؤكد النتائج فعالية التداخل الزلزالي في اكتشاف التغيرات تحت السطح التي تسبق فشل المنحدرات، حتى في غياب زيادة النشاط الزلزالي الصغير أو الإزاحة السطحية الملحوظة. تسلط الدراسة الضوء على إمكانية هذه الطريقة لتكون نظام تحذير مبكر في عمليات التعدين المفتوحة، مما يعزز السلامة ويقلل من الخسائر الاقتصادية المرتبطة بالانهيارات الأرضية. مع تزايد الطلب على المعادن، قد تلعب تكامل تقنيات المراقبة الزلزالية مثل هذه دورًا حاسمًا في منع الحوادث الكارثية في التعدين.
مقدمة
تمثل الانهيارات الأرضية خطرًا جيولوجيًا كبيرًا، تؤثر على آلاف الأفراد سنويًا وتؤدي إلى خسائر اقتصادية كبيرة ووفيات. يتم تحفيزها بشكل أساسي من خلال أحداث الطقس القاسية، مثل هطول الأمطار الغزيرة، والنشاط الزلزالي، وتزداد وتيرة الانهيارات الأرضية بسبب الأنشطة البشرية مثل البناء والتعدين غير القانوني. من المتوقع أن يؤدي تغير المناخ إلى زيادة تكرار الانهيارات الأرضية، خاصة في المناطق الضعيفة، مما يبرز ضرورة وجود استراتيجيات فعالة للمراقبة والتخفيف من المخاطر. تواجه تقنيات المراقبة الحالية، بما في ذلك الطرق المعتمدة على الأرض وتقنيات الاستشعار عن بعد، قيودًا مثل نقاط القياس المحدودة وجمع البيانات غير المتكرر.
تقدم هذه الورقة تطبيق تداخل الضوضاء الزلزالية كنهج جديد لمراقبة فشل المنحدرات في المناجم المفتوحة، وهي منطقة شهدت زيادة في مثل هذه الحوادث بسبب الضعف الجيولوجي والأحداث المحفزة. أظهرت الدراسات السابقة فعالية تداخل الضوضاء الزلزالية في سياقات مختلفة، بما في ذلك المؤشرات السابقة للانهيارات الأرضية وغيرها من الظواهر الجيولوجية. من خلال إعادة بناء دالة غرين الزلزالية بين المستشعرات، يمكن لهذه الطريقة اكتشاف تغييرات دقيقة في سرعة الزلازل، مما يوفر أداة واعدة لمراقبة المنحدرات في المناجم المفتوحة في المستقبل، خاصة مع تزايد الطلب على المعادن الحيوية لإنتاج البطاريات.
طرق
في هذه الدراسة، تم جمع بيانات زلزالية في منجم سنتشري في شمال شرق كوينزلاند، أستراليا، مع التركيز على الإعداد الجيولوجي المعقد الذي يتميز بتتابعات رسوبية متداخلة، تتكون أساسًا من الصخر الزيتي والرمل، مع تكسير كبير بسبب فالق بايج كريك. تم تثبيت مجموعة من 16 جهاز قياس زلازل لمراقبة الأحداث الزلزالية الصغيرة والبيانات الزلزالية المستمرة قبل فشل المنحدر في 23 فبراير 2014. تم معالجة التسجيلات المستمرة، التي تم أخذ عينات منها بمعدل 6000 هرتز وتم تقليلها لاحقًا إلى 500 هرتز، من خلال إزالة المتوسط، وإزالة الاتجاه، وتطبيع سعة بت واحد، وتبييض طيفي بين 5 هرتز و100 هرتز.
لتقدير دوال غرين التجريبية، تم إجراء ارتباط متقاطع على أزواج مكونات المستشعر، مع استخدام فترات تجميع لمدة يومين لتعزيز الاستقرار. تم تطبيق طريقة طيف التحرك المتقاطع (MWCS) لتحليل التغيرات الزمنية في سرعة الزلازل، مع التركيز على الجزء الكودا من تجميعات الارتباط في نطاق تردد 6 إلى 30 هرتز. سمحت هذه الطريقة بقياس تحولات الطور ضمن نافذة زمنية محددة، مما أدى إلى حساب تغييرات السرعة النسبية مع مرور الوقت. تشير النتائج إلى وجود تغييرات كبيرة في السرعة، معبرًا عنها كنسب مئوية، بين 25 ديسمبر 2013 و31 مارس 2014، مما يبرز حساسية المنحدر للتغيرات المتوسطة بسبب خصائصه الجيولوجية.
نتائج
في هذا القسم، يتم تقديم نتائج تغييرات السرعة الزمنية التي تم قياسها باستخدام طريقة MWCS عبر 476 زوجًا من مكونات المستشعر، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المتعلقة بفشل المنحدر في منجم سنتشري. تشير البيانات إلى أن بدء فشل المنحدر في 23 فبراير 2014، تزامن عن كثب مع فترة من هطول الأمطار الغزيرة، بينما بدأت تغييرات سرعة الزلازل في الانخفاض قبل حوالي أسبوعين من الفشل. يشير هذا الانخفاض السابق في سرعة الزلازل، الذي كان حادًا ومميزًا عبر جميع أزواج المستشعر، إلى ضعف المادة تحت السطحية الضحلة، والتي قد تكون مرتبطة بتأثيرات الجفاف والتصلب خلال فترة جفاف سابقة.
بالإضافة إلى ذلك، تم ملاحظة انخفاض ملحوظ في سرعة الزلازل بعد تفجير في 11 فبراير 2014، والذي أحدث حركة أرضية كبيرة. استمر هذا الانخفاض، المنسوب إلى الأضرار الناتجة عن الزلزال، لمدة 12 يومًا حتى فشل المنحدر، مما يشير إلى تفاعل معقد بين تغييرات الضغط الناتجة عن التفجير وتأثيرات الأمطار اللاحقة. كان متوسط تغيير سرعة الزلازل خلال هذه الفترة حوالي -0.5%، مع تسجيل بعض أزواج المستشعر تغييرات تصل إلى -1.0%. كشفت التحليلات عن عدم وجود اعتمادات اتجاهية كبيرة في تغييرات السرعة، مما يشير إلى أن موجات الكودا كانت مبعثرة بشكل كافٍ لتوفير تقييم شامل لاستجابة الوسط دون تحيز من اتجاه المستشعر.
مناقشة
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون نهجًا مبسطًا لتحليل التغيرات المكانية في تغييرات سرعة الزلازل في منجم سنتشري، متبعين منهجية برينغوييه وآخرون (2008ب). من خلال متوسط تغييرات السرعة من 476 زوجًا من مكونات المستشعرات وتداخل هذه القيم على شبكة بناءً على القرب، حددوا انخفاضات كبيرة في سرعة الزلازل في منطقة المنحدر الجنوبية، خاصة بالقرب من فالق بايج كريك وموقع التفجير. تشير هذه النتائج إلى أن الانخفاضات الملحوظة في السرعة مرتبطة بالأضرار الناتجة عن الزلزال الناتج عن تفجير قريب، والذي سبق فشل المنحدر.
تشير النتائج إلى انخفاض سابق في سرعة الزلازل قبل حوالي 12 يومًا من فشل المنحدر، تزامنًا مع التفجير، وتم اكتشافه دون زيادة مقابلة في النشاط الزلزالي الصغير أو الإزاحة السطحية. بالإضافة إلى ذلك، قد تكون الأمطار الغزيرة قبل أسبوع من الفشل قد زادت من هذه الانخفاضات في السرعة من خلال السماح للمياه بالتسرب إلى هياكل الفوالق والشقوق التي تشكلت حديثًا. تسلط هذه الأبحاث الضوء على فعالية تداخل الضوضاء الزلزالية في اكتشاف التغيرات في سرعة الزلازل تحت السطح التي قد تشير إلى فشل وشيك في المنحدرات في المناجم المفتوحة، مما يبرز دورها المحتمل في تعزيز السلامة والتخفيف من الخسائر الاقتصادية في عمليات التعدين المستقبلية.
DOI: https://doi.org/10.26443/seismica.v5i1.1902
Publication Date: 2026-03-01
Author(s): T De Wit et al.
Primary Topic: Seismic Waves and Analysis
Overview
This research paper investigates the application of seismic ambient noise correlation for monitoring slope stability in an open-pit mine in Australia, particularly focusing on its potential for early warning of landslides. Traditional monitoring methods often rely on surface deformation, which may not provide timely alerts. The study utilized a dense borehole geophone array to measure time-lapse seismic velocity changes beneath the slope, revealing a significant decrease in seismic velocity approximately 12 days prior to a slope failure. This decrease was associated with a nearby blasting event and subsequent heavy rainfall, which likely contributed to the weakening of the slope through water infiltration into fault structures.
The findings underscore the effectiveness of seismic interferometry in detecting subsurface changes that precede slope failures, even in the absence of increased microseismic activity or noticeable surface displacement. The study highlights the potential of this method to serve as an early warning system in open-pit mining operations, thereby enhancing safety and reducing economic losses associated with landslides. As the demand for minerals grows, the integration of seismic monitoring techniques like this could play a crucial role in preventing catastrophic mining accidents.
Introduction
Landslides represent a significant geological hazard, affecting thousands of individuals annually and resulting in substantial economic losses and fatalities. Triggered primarily by extreme weather events, such as heavy rainfall, and seismic activity, the incidence of landslides is exacerbated by human activities like construction and illegal mining. Climate change is anticipated to further increase the frequency of landslides, particularly in vulnerable regions, underscoring the necessity for effective monitoring and risk mitigation strategies. Current monitoring techniques, including ground-based methods and remote sensing technologies, face limitations such as restricted measurement points and infrequent data collection.
This paper introduces the application of seismic noise interferometry as a novel approach for monitoring slope failures in open-pit mines, an area that has seen a rise in such incidents due to geological weaknesses and triggering events. Previous studies have demonstrated the efficacy of seismic noise interferometry in various contexts, including landslide precursors and other geological phenomena. By reconstructing the seismic Green’s function between sensors, this method can detect minute changes in seismic velocity, offering a promising tool for future monitoring of open-pit mine slopes, especially as the demand for critical minerals for battery production increases.
Methods
In this study, seismic data were collected at the Century Mine in north-east Queensland, Australia, focusing on the complex geological setting characterized by interbedded sedimentary sequences, primarily shale and sandstone, with significant fracturing due to the Page Creek Fault. An array of 16 geophones was installed to monitor microseismic events and continuous seismic data prior to a slope failure on February 23, 2014. The continuous recordings, sampled at 6000 Hz and later decimated to 500 Hz, were processed through demeaning, detrending, one-bit amplitude normalization, and spectral whitening between 5 Hz and 100 Hz.
To estimate empirical Green’s functions, cross-correlation was performed on sensor-component pairs, with two-day stacking periods employed to enhance stability. The Moving Window Cross-Spectrum (MWCS) method was applied to analyze temporal variations in seismic velocity, focusing on the coda portion of the correlation stacks in the 6 to 30 Hz frequency range. This method allowed for the measurement of phase shifts within a defined lag-time window, leading to the calculation of relative velocity changes over time. The results indicate significant velocity variations, expressed as percentages, between December 25, 2013, and March 31, 2014, highlighting the sensitivity of the slope to medium changes due to its geological characteristics.
Results
In this section, the results of time-lapse velocity changes measured using the MWCS method across 476 sensor-component pairs are presented, highlighting significant findings related to slope failure at the Century Mine. The data indicate that the initiation of slope failure on February 23, 2014, closely coincided with a period of heavy rainfall, while seismic velocity changes began to decrease approximately two weeks prior to the failure. This precursory decrease in seismic velocity, which was sharp and distinct across all sensor pairs, suggests a weakening of the shallow subsurface material, potentially linked to drying and stiffening effects during a preceding dry spell.
Additionally, a notable co-seismic velocity decrease was observed following a blast on February 11, 2014, which generated significant ground motion. This decrease, attributed to co-seismic damage, continued for 12 days until the slope failure, indicating a complex interaction between blast-induced stress changes and subsequent rainfall effects. The average seismic velocity change during this period was approximately -0.5%, with some sensor pairs recording changes as large as -1.0%. The analysis revealed no significant directional dependencies in the velocity changes, suggesting that the coda waves were adequately scattered to provide a comprehensive assessment of the medium’s response without bias from sensor orientation.
Discussion
In this study, the authors employed a simplified approach to analyze spatial variations in seismic velocity changes at Century Mine, following the methodology of Brenguier et al. (2008b). By averaging velocity changes from 476 sensor component pairs and interpolating these values onto a grid based on proximity, they identified significant decreases in seismic velocity in the southern slope region, particularly near the Page Creek fault and the blast site. These findings suggest that the observed velocity reductions are linked to co-seismic damage resulting from a nearby blast, which preceded the slope’s failure.
The results indicate a precursory decrease in seismic velocity approximately 12 days before the slope failure, coinciding with the blast, and were detected without a corresponding increase in microseismic activity or surface displacement. Additionally, heavy rainfall a week prior to the failure may have exacerbated these velocity decreases by allowing water to infiltrate fault structures and newly formed cracks. This research highlights the efficacy of seismic noise interferometry in detecting subsurface velocity variations that could signal impending slope failures in open-pit mines, underscoring its potential role in enhancing safety and mitigating economic losses in future mining operations.