Passive seismic monitoring of a karst system: Methodological approach and prospects

Suivi par sismique passive d’un système karstique : approche et perspectives méthodologiques

¹ CPGF-Horizon, 49 Avenue Franklin Roosvelt, 77210, Avon, France
² I2M – UMR 52995, 351 Cours de la Libération, 33400, Talence, France

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Abstract

While karst systems are difficult to understand because of their heterogeneity and complexity, passive seismic methods can offer a non-invasive alternative for detecting variations in flow and storage. This study explores the potential of this method at the Glane karst spring (Dordogne, France), a site with high hydrodynamic amplitude, a known terminal conduit, and a 75 km² recharge area. A network of four Raspberry Shake seismometers continuously recorded seismic noise for more than two years in order to analyse signal amplitude variations and relative fluctuations in ground wave propagation velocity during the hydrological cycle, as deduced from cross-correlations. The results show that the 7–12 Hz band can be used to identify 29 floods over three hydrological cycles, with energy increases of up to +3 dB during peak flows of up to 9 m³/s. Seismic noise correlations also reveal velocity variations of up to ±2% in the 0.1–0.5 Hz band, which are inversely related to fluctuations in the piezometric level of the Bathonian aquifer, suggesting a mechanical response of the environment to hydraulic load.

Résumé

Alors que l’hétérogénéité et la complexité des systèmes karstiques rendent leur fonctionnement hydrogéologique difficile à appréhender, la sismique passive offre une alternative non invasive pour détecter les variations d’écoulement et de stockage. Cette étude explore le potentiel de cette méthode sur la source karstique de Glane (Dordogne, France), un site présentant une forte amplitude hydrodynamique, un conduit terminal connu et un bassin d’alimentation de 75 km². Un réseau de quatre sismomètres Raspberry Shake a enregistré en continu pendant plus de deux ans le bruit sismique afin d’analyser au cours du cycle hydrologique les variations d’amplitude du signal ainsi que les fluctuations relatives de vitesse de propagation des ondes dans le sol, déduites des corrélations croisées. Les résultats montrent que la bande 7–12 Hz permet d’identifier 29 crues au cours de trois cycles hydrologiques, avec des augmentations d’énergie atteignant +3 dB lors des pics de débit jusqu’à 9 m³/s. Les corrélations de bruit sismique révèlent par ailleurs des variations de vitesse atteignant ±2 % dans la bande 0,1–0,5 Hz, présentant une relation inverse avec les fluctuations du niveau piézométrique de la nappe du Bathonien, suggérant une réponse mécanique du milieu à la charge hydraulique.