Seismic noise parameters as indicators of reversible modifications in slope stability: a review

Continuous ambient seismic monitoring of potentially unstable sites is increasingly attracting the attention of researchers for precursor recognition and early warning purposes. Twelve cases of long-term continuous noise monitoring have been reported in the literature between 2012 and 2020. Only in a few cases rupture was achieved and irreversible drops in resonance frequency values or shear wave velocity extracted from noise recordings were documented. On the other hand, all monitored sites showed clear reversible fluctuations of the seismic parameters on a daily and seasonal scale due to changes in external weather conditions (air temperature and precipitation). A quantitative comparison of these reversible modifications is used to gain insight into the mechanisms driving the site seismic response. Six possible mechanisms were identified, including three temperature-driven mechanisms (temperature control on fracture opening/closing, superficial stress conditions and bulk rigidity), one precipitation-driven mechanism (water infiltration effect) and two mechanisms sensitive to both temperature and precipitation (ice formation and clay behavior). The reversible variations in seismic parameters under the meteorological constraints are synthesized and compared to the irreversible changes observed prior to failure in different geological conditions

Deep convection over Africa: annual cycle, ENSO, and trends in the hotspots

Africa is one of the three key regions of deep convection in the global tropics. There is a wealth of information on the intensity, variability and change of convection and associated rainfall in regions across the continent but almost all of this literature is regionally focused and confined to specific seasons. This fragmented approach precludes a continent-wide view of deep convection leaving the following key issues unanswered: When is deep convection the most wide-spread across Africa? Where on the continent is deep convection most active? Where does wide-spread convection have the most interannual variability? This paper confronts these questions using a satellite-derived integral of deep convection. At the continental scale, March exhibits the most extensive deep convection while the West African monsoon during June-July exhibits the least. El Niño generally suppresses pan-African convective activity while La Niña enhances this activity. These pan-African signals are largely determined by regional hotspots: the eastern Congo hosts the most persistent wide-spread deep convection, southeastern southern Africa displays the highest interannual variability, and regional highlands maintain local convective activity hotspots. Furthermore, pan-African annual mean convective activity has increase ∼10% between 1983 and 2015 with increases of >20% recorded in local hotspots. Results in this study provide a climatological baseline for both observational and model-based studies of African climates and offer insights into when African convection has the greatest potential impact on the general circulation

Cycle de vie des systèmes convectifs de mousson dans les régions tropicales: préparation à la mission Megha-Tropiques

  The main objective of this work is to study the monsoonal convective systems by using meteorological satellite observations. For this purpose, a new algorithm called TOOCAN based on a three dimensional segmentation of the IR imagery has been developed in order to detect and track objectively and automatically convective systems. This new technique improves the characterisation of the cold cloud shield associated to convective systems along their life cycles. Composites of precipitating structures along the cycle life of organized cloud systems are then computed by merging geostationary satellite data with precipitating estimates derived from microwave measurements on board low earth orbit satellites. These techniques are then applied to the IR data from METEOSAT and microwave data from the TRMM satellite over several monsoonal seasons in West Africa and India. On the whole monsoonal region, the results show that the temporal evolution of the cold cloud shield associated to convective systems describes a symmetry between the growth and the decay phases. It is also shown that the parameters of this conceptual model of monsoonal convective systems are strongly correlated, reducing thereby the problem to a single degree of freedom. The evolutions of the precipitating area fraction and the convective rain fraction associated to convective systems indicate that the life cycle of these systems can be described by three phases: initiation, mature and dissipation. This pattern is robust across the entire monsoonal region and the scale factors of this idealized model indicate complex regional specificities.La convection joue un rôle important dans le cycle de l'eau et de l'énergie des régions tropicales. Cette thèse s'intéresse à l'étude des systèmes convectifs dans les moussons africaines et indiennes par l'utilisation des observations issues de satellites météorologiques. Dans un premier temps, un nouvel algorithme appelé TOOCAN fondé sur une segmentation de l'imagerie IR en 3 dimensions (image+temps) a été développé dans le but de suivre de manière objective et automatique les systèmes convectifs. Cette nouvelle technique améliore la caractérisation de l'évolution du bouclier nuageux associé aux systèmes convectifs au cours de leur cycle de vie. Des composites des structures précipitantes au cours du cycle de vie du système nuageux organisé sont alors construits en fusionnant les données des satellites géostationnaires avec des estimations de précipitation issues des mesures micro-ondes à bord des satellites défilant. Ces techniques ont été appliquées aux données IR des satellites METEOSAT et aux données micro-ondes du satellite TRMM sur plusieurs saisons de mousson (JJAS 2002-2004) en Afrique de l'ouest et en Inde. Les résultats montrent que l'évolution temporelle de la nébulosité froide des systèmes convectifs est symétrique, avec une phase de croissance et de décroissance sur l'ensemble de la région d'étude. Il est aussi montré que les paramètres contraignants de ce modèle conceptuel de cycle de vie du nuage convectif sont fortement corrélés entre eux diminuant ainsi le nombre de degré de liberté du problème. L'utilisation de la méthode de fusion de données, permet de décrire l'évolution de la fraction précipitante et de la fraction convective au sein du système convectif. Ainsi, le cycle de vie des systèmes convectifs peuvent être décrits par trois phases : initiation, mature et dissipation. Ce schéma est robuste sur toute la région d'étude et les facteurs d'échelles de ce modèle idéalisé indiquent des spécificités régionales complexes

Study of the deformation mechanism and evolution of an earthslide-earthflow by a multi-method approach.

Les mouvements de terrain affectant les matériaux argileux constituent un risquemajeur au niveau des infrastructures et des populations, avec des épisodes de réactivation soudains pouvant conduire à des mouvements rapides de type coulée. Ce travail de thèse s’intéresse à comprendre les différents mécanismes de réactivation et de déformation dans un glissement de ce type, en étudiant les transferts de masse dans un matériau présentant un comportant solide au niveau de l’escarpement sommital et de type coulée à la base.Le site d’étude est le glissement d’Harmalière (Trièves, Alpes françaises), constitué d’argiles glaciolacustres. Depuis l’évènement majeur de mars 1981 qui a emporté 45 ha, ce glissement a connu de nombreux épisodes de régression avec un taux moyen de 5 m/an au niveau de l’escarpement principal et des transferts de masse de plusieurs millions de m3. L’étude s’est appuyée sur une approche multi-méthodes, combinant des techniques de télédétection (images satellites, LiDAR, GNSS, drone), géophysiques et mécaniques.Dans une première partie, une analyse des évènements récents (à partir de 2016) a permis de décrire et quantifier les différents transferts de masse lors des réactivations. Dans une seconde partie, une étude plus approfondie des réactivations en tête de glissement a été réalisée. Tout d’abord, une étude du bruit de fond sismique enregistré en continu pendant les 4 mois précédant la rupture d’un bloc en tête de glissement a été effectuée. Cinq paramètres sismiques ont été suivis (le nombre cumulé d’évènements, l’énergie sismique, la fréquence de résonance, les variations de vitesse de l’onde de Rayleigh et le coefficient de corrélation associé) et ont tous montré un signal précurseur avant la rupture. Ensuite, une étude préliminaire a été réalisée sur l’évolution des propriétés mécaniques d’une couche de faible résistance mécanique mise en évidence au niveau de l’escarpement sommital. Dans une troisième partie, les mécanismes de dégradation du matériau menant à son écoulement ont été explorés à partir d’une approche mécanique et d’imagerie par drone. L’approche mécanique a permis d’étudier l’évolution spatiale des propriétés géotechniques du matériau argileux dans le glissement. L’imagerie drone a été utilisée pour suivre l’évolution des blocs d’argile dans la partie supérieure du glissement et quantifier la vitesse de dégradation du matériau.Ground movements affecting clay materials constitute a major risk to infrastructure and populations, with sudden episodes of reactivation that can lead to rapid movements (flow type). This thesis work is interested in understanding the different mechanisms of reactivation and deformation in a landslide of this type, by studying mass transfers in a material with a solid behavior at the top of the landslide and a fluid behavior at the toe. The study site is the Harmalière landslide (Trièves, French Alps), consisting of glaciolacustrine clays. Since the major event of March 1981 which took away 45 ha, this landslide has undergone numerous retrogression episodes with an average rate of 4 m/year at the headscarp and mass transfers of several million m3. The study was based on a multi-method approach, combining remote sensing (satellite images, LiDAR, GNSS, UAV), geophysical and mechanical techniques. In a first part, an analysis of the various recent events (from 2016) made it possible to describe and quantify the various mass transfers during reactivations. In a second part, a more detailed study of the reactivations at the head of the landslide was carried out. First, a study of the seismic background noise recorded continuously during the 4 months preceding the rupture of a clay blockat the headscarp was carried out. Five seismic parameters were monitored (cumulative number of events, seismic energy, resonance frequency, Rayleigh wave velocity variations and associated correlation coefficient). All these parameters showed a precursor signal prior to the rupture. Then, a preliminary study focuses on the evolution of the mechanical properties of a low mechanical strength layer close to the headscarp. In a third part, the degradation mechanisms of the material leading to flow type behavior were explored using a mechanical approach and UAV imaging. The mechanical approach allowed to study the evolution of the geotechnical properties of the clayey material in the landslide. UAV imaging was used to follow the evolution of the clay blocks at the head of the landslide and to quantify the degradation rate of the material

Etude des mécanismes de déformation d'un glissement-coulée par une approche multi-méthodes

Ground movements affecting clay materials constitute a major risk to infrastructure and populations, with sudden episodes of reactivation that can lead to rapid movements (flow type). This thesis work is interested in understanding the different mechanisms of reactivation and deformation in a landslide of this type, by studying mass transfers in a material with a solid behavior at the top of the landslide and a fluid behavior at the toe. The study site is the Harmalière landslide (Trièves, French Alps), consisting of glaciolacustrine clays. Since the major event of March 1981 which took away 45 ha, this landslide has undergone numerous retrogression episodes with an average rate of 4 m/year at the headscarp and mass transfers of several million m3. The study was based on a multi-method approach, combining remote sensing (satellite images, LiDAR, GNSS, UAV), geophysical and mechanical techniques. In a first part, an analysis of the various recent events (from 2016) made it possible to describe and quantify the various mass transfers during reactivations. In a second part, a more detailed study of the reactivations at the head of the landslide was carried out. First, a study of the seismic background noise recorded continuously during the 4 months preceding the rupture of a clay blockat the headscarp was carried out. Five seismic parameters were monitored (cumulative number of events, seismic energy, resonance frequency, Rayleigh wave velocity variations and associated correlation coefficient). All these parameters showed a precursor signal prior to the rupture. Then, a preliminary study focuses on the evolution of the mechanical properties of a low mechanical strength layer close to the headscarp. In a third part, the degradation mechanisms of the material leading to flow type behavior were explored using a mechanical approach and UAV imaging. The mechanical approach allowed to study the evolution of the geotechnical properties of the clayey material in the landslide. UAV imaging was used to follow the evolution of the clay blocks at the head of the landslide and to quantify the degradation rate of the material.Les mouvements de terrain affectant les matériaux argileux constituent un risquemajeur au niveau des infrastructures et des populations, avec des épisodes de réactivation soudains pouvant conduire à des mouvements rapides de type coulée. Ce travail de thèse s’intéresse à comprendre les différents mécanismes de réactivation et de déformation dans un glissement de ce type, en étudiant les transferts de masse dans un matériau présentant un comportant solide au niveau de l’escarpement sommital et de type coulée à la base.Le site d’étude est le glissement d’Harmalière (Trièves, Alpes françaises), constitué d’argiles glaciolacustres. Depuis l’évènement majeur de mars 1981 qui a emporté 45 ha, ce glissement a connu de nombreux épisodes de régression avec un taux moyen de 5 m/an au niveau de l’escarpement principal et des transferts de masse de plusieurs millions de m3. L’étude s’est appuyée sur une approche multi-méthodes, combinant des techniques de télédétection (images satellites, LiDAR, GNSS, drone), géophysiques et mécaniques.Dans une première partie, une analyse des évènements récents (à partir de 2016) a permis de décrire et quantifier les différents transferts de masse lors des réactivations. Dans une seconde partie, une étude plus approfondie des réactivations en tête de glissement a été réalisée. Tout d’abord, une étude du bruit de fond sismique enregistré en continu pendant les 4 mois précédant la rupture d’un bloc en tête de glissement a été effectuée. Cinq paramètres sismiques ont été suivis (le nombre cumulé d’évènements, l’énergie sismique, la fréquence de résonance, les variations de vitesse de l’onde de Rayleigh et le coefficient de corrélation associé) et ont tous montré un signal précurseur avant la rupture. Ensuite, une étude préliminaire a été réalisée sur l’évolution des propriétés mécaniques d’une couche de faible résistance mécanique mise en évidence au niveau de l’escarpement sommital. Dans une troisième partie, les mécanismes de dégradation du matériau menant à son écoulement ont été explorés à partir d’une approche mécanique et d’imagerie par drone. L’approche mécanique a permis d’étudier l’évolution spatiale des propriétés géotechniques du matériau argileux dans le glissement. L’imagerie drone a été utilisée pour suivre l’évolution des blocs d’argile dans la partie supérieure du glissement et quantifier la vitesse de dégradation du matériau

Extreme precipitation in the tropics is closely associated with long-lived convective systems

International audienceWater and energy cycles are linked to global warming through the water vapor feedback and heavy precipitation events are expected to intensify as the climate warms. For the midlatitudes, extreme precipitation theory has been successful in explaining the observations, however, studies of responses in the tropics have diverged. Here we present an analysis of satellite-derived observations of daily accumulated precipitation and of the characteristics of convective systems throughout the tropics to investigate the relationship between the organization of mesoscale convective systems and extreme precipitation in the tropics. We find that 40% of the days with more than 250 mm precipitation over land are associated with convective systems that last more than 24 hours, although those systems only represent 5% of mesoscale convective systems overall. We conclude that long-lived mesoscale convective systems that are well organized contribute disproportionally to extreme tropical precipitation