Seismic noise analysis at the Gradenbach landslide

Abstract

Die Massenbewegung Gradenbach gehört zur Gruppe der tiefgreifenden Hangbewegungen. Aufgrund ihrer Form werden sie auch als "Sackung" (englisch "sagging") bezeichnet. Der Gradenbach befindet sich in den Zentralalpen in Österreich. Aufgrund der katastrophalen Rutschungen in den Jahren 1965/66, welche die Hälfte der nahegelegenen Ortschaft Putschall zerstörten, wurde man auf die Massenbewegung aufmerksam. Es folgte die Installation von geodätischen, geotechnischen und hydro-meteorologischen Monitoring-Systemen in den folgenden Jahren.<br />Die Daten für die vorliegende Arbeit stammen aus dem seismischen Netzwerk, welches 2006 aufgebaut wurde. Aus den anderen Mess-Systemen werden Vergleichsdaten herangezogen. Frühere Untersuchungen, ausgeführt von der Forschungsgruppe Geophysik an der Technischen Universität Wien, konnten unter anderem herausfinden, dass beispielsweise die Seismizität des Hanges im Jahr 2009 vor dem Beginn der Beschleunigungsphase signifikant angestiegen ist und wenige Wochen später wieder zurück gegangen ist. Diese Entdeckung warf einige Fragen auf, wobei der Aspekt der seismischen Noise Analyse im Hinblick auf Seismizität und Bewegungsphase im Jahr 2009 im Rahmen dieser Arbeit behandelt wird. Der zu analysierende Zeitraum ist dafür auf die Jahre 2008-2010 festgelegt. Das Ziel ist es, grundsätzlich den seismischen Noise zu beobachten, charakteristische Merkmale und Eigenheiten festzuhalten und zu klassifizieren und eventuell mögliche Zusammenhänge zwischen dem seismischen Noise und der erhöhten Seismizität sowie anderen am Gradenbach beobachteten Größen herzustellen. Der seismische Noise wird in Form von spektralen Leistungsdichten dargestellt (englisch: noise power spectral density - PSD). Wie die Arbeit zeigt, scheint tatsächlich ein Zusammenhang zwischen signifikanten Änderungen im seismischen Noise-Level und der aus Extensometer-Messungen resultierenden Geschwindigkeit zu bestehen. Ob die Stärke der Änderung im seismischen Noise proportional einer bevorstehenden signifikanten Geschwindigkeitsänderung ist bzw.<br />möglicherweise Informationen enthält, die für Vorhersagen des Hangverhaltens verwendet werden können, ist im Rahmen der Arbeit nicht feststellbar. Allerdings konnten die periodisch wiederkehrenden Änderungen im seismischen Noise durch Vergleich mit den hydro-meteorologischen Beobachtungen jährlich wiederkehrenden Phänomenen wie der Schneeschmelze zugeordnet werden. Es wird dabei angenommen, dass Wasser, welches während der Schneeschmelze frei wird, in den Hang infiltriert und dadurch Änderungen in den Porenwasserdrücken hervor ruft, die wiederum zu einer Änderung im Spannungszustand des Hanges führen. Aus diesem Grund kann das Hanggefüge gestört werden und es kommt zu seismischen Events im Hang, die sich im seismischen Noise als signifikante Variationen darstellen. Diese Beobachtungen lassen darauf schließen, dass der Hang im Allgemeinen relativ empfindlich auf Änderungen des Wasserhaushalts reagiert. Aufbauend auf den Ergebnissen aus der Korrelation der Schneeschmelze mit dem seismischen Noise beschäftigt sich die weitere Analyse der Noise-PSDs mit dem Einfluss von Regenereignissen auf den Noise-Level.<br />Dabei konnte ein saisonal zwei-phasiges Hangverhalten festgestellt werden. Des Weiteren konnte ein weiterer Hinweis für die hohe Sensibilität des Hanges in Bezug auf infiltrierendes Wasser gefunden werden - in Phasen der Beschleunigung lässt sich außerdem eine starke Reaktion des Hanges auf starke Regenereignisse feststellen. Das Wissen um den Zustand des Gradenbach-Hanges und seine Reaktionen auf verschiedene Umwelteinflüsse ist ein wichtiger Beitrag und Grundlage für weitere Untersuchungen an der Massenbewegung. Speziell die Erkenntnis, dass der Hang sehr empfindlich auf den Eintritt unterschiedlicher Wassermengen reagiert, bietet eine Basis für zu künftige Quantifizierung von hydro-meteorologischen Parametern. Möglicherweise liefern diese Parameter zusätzliche Informationen, die für den Aufbau und die Realisierung von Frühwarn-Systemen verwendet werden können.<br />

The Gradenbach mass movement belongs to the group of deep-seated gravitational creep. It is located in the central Eastern Alps, Austria.<br />Catastrophic debris flows and massive erosion in 1965/66 led to the installation of geodetic, geotechnical and hydrological monitoring systems at the slope. The current work is based on the data of the seismic network that was established in 2006. Additional data from the other monitoring systems were used as reference data and for comparison.<br />Former investigations and studies, carried out by the research group of Geophysics at the Vienna University of Technology, revealed interesting phenomena such as an increased seismicity at the Gradenbach slope right before the start of the sliding phase in 2009. The discovery of this significant high number of seismic events immediately caused a lot of questions. One of these questions deals with the seismic noise analysis and therefore motivated the current work. It's aimed at receiving information about the seismic noise at the Gradenbach, its characteristics and influences, its development throughout the year and its potential relation to the increased seismicity in 2009. The time range that is examined in this study covers the years from 2008-2010, which contain the episodic creep in 2009. The noise is presented in terms of calculated power spectral densities and indeed reveals variations that coincide with the appearance of the seismic events in 2009. Comparisons of the noise disturbances in the 2009-data to the noise spectra of 2008 and 2010 and the hydro-meteorological data show that the appearance of the noise variations follows a period of about one year, coinciding with the time of snow melt and increasing discharge in spring time every year. These observations lead to the conclusion that the changes in the noise spectrum indicate the yearly reaction of the slope to the water income due to snow melt. It can be stated that the slope generally appears to be quite sensitive to changing conditions of the hydrologic balance. Additionally the velocity of the slope also shows a development that fits to the appearance of the noise variations.<br /> According to these results the proceeding investigations of the seismic noise are carried out basically with regard to the hydro-meteorological data of the Gradenbach, especially with the precipitation measurements.<br />The outcome reveals a two-phase behaviour of the slope in winter and summer time. Additionally the high sensitivity of the slope to infiltrating water could be confirmed. In times of enhanced motion there is even increased sensitivity to rain events observable. The knowledge about the condition and the responses of the slope due to different environmental influences is an important input for further studies at the Gradenbach mass movement. Especially the conclusion that the slope reacts very sensitively to different amounts of incoming water provides a basis for future specific quantification of hydro-meteorological parameters. These parameters could also be of great use in an early warning system.