A composite model of shear-wave splitting and occurrence rate towards earthquake forecasting
Authors: Σπίγγος Ιωάννης 
Published: February 2025

Από την αρχαιότητα, η σεισμική δραστηριότητα είχε σημαντικό αντίκτυπο στην εξέλιξη της ανθρώπινης κοινωνίας, οδηγώντας στην καταστροφή πολιτισμών και δίνοντας την ευκαιρία στην ανάδειξη νέων. Η ανθρωπότητα προσπάθησε να καταλάβει και να ερμηνεύσει το φαινόμενο, αποδίδοντας τις ισχυρές δονήσεις σε θεϊκές παρεμβάσεις. Έκτοτε, το επίτευγμα της πρόγνωσης σεισμών έχει διαφύγει της ανθρώπινης γνώσης. Σήμερα, αν και γνωρίζουμε ότι δεν υφίστανται χθόνιες οντότητες που δονούν βίαια το έδαφος, δεν έχουμε καταφέρει να ερμηνεύσουμε πλήρως τη σεισμική δραστηριότητα. Η πρόγνωση θεωρείται το ιερό δισκοπότηρο της σεισμολογίας, με την ανάπτυξη πληθώρας θεωριών και πειραμάτων ως προς τη δυνατότητα εκτίμησης της εκδήλωσης ενός νέου καταστροφικού σεισμού.Το 1998, σεισμός μεγέθους 5.0 προγνώστηκε επιτυχώς σε πραγματικό χρόνο, μετά από μελέτη πρόδρομων μεταβολών της τάσης μέσω της σχάσης εγκαρσίων κυμάτων. Καθώς το εγκάρσιο κύμα εισέρχεται σε ένα ανισοτροπικό μέσο, διαχωρίζεται και διαδίδεται με διαφορετικές ταχύτητες. Οι δύο συνιστώσες έχουν κάθετες μεταξύ τους πολώσεις και διαφορετικές ταχύτητες. Η πόλωση του ταχύτερου κύματος προσανατολίζεται σύμφωνα με το κύριο ανισοτροπικό χαρακτηριστικό και το βραδύτερο φθάνει στον σταθμό με χρονική καθυστέρηση η οποία θεωρείται ότι συσσωρεύεται κατά μήκος της διαδρομής. Ένα τέτοιο ανισοτροπικό χαρακτηριστικό είναι η ύπαρξη προσανατολισμένων μικρορωγμών πληρωμένων με ρευστό στον ανώτερο φλοιό, οι οποίες τάσσονται σύμφωνα με τη μέγιστη οριζόντια συμπιεστική συνιστώσα τάσης, όπως περιγράφεται από το μοντέλο Ανισοτροπικής Πορο-Ελαστικότητας (ΑΠΕ). Η «πρόγνωση μέσω τάσεων» του 1998 επιτεύχθηκε λαμβάνοντας υπόψη τα χαρακτηριστικά του μοντέλου αυτού. Ωστόσο, έχουν αναφερθεί και άλλοι παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν τη σχάση, όπως η επίδραση των ρηγμάτων η οποία οδηγεί σε δομικά ελεγχόμενη ανισοτροπία. Μία ακόμη προσέγγιση για την εκτίμηση της εκδήλωσης ενός επερχόμενου σεισμού είναι η στατιστική πρόβλεψη σεισμών, η οποία χρησιμοποιεί εμπειρικώς βελτιστοποιημένα στατιστικά μοντέλα ώστε να προσδιορίσει τον ρυθμό εκδήλωσης για διαφορετικά κατώφλια μεγεθών. Η στατιστική πρόβλεψη σεισμών είναι υποσχόμενη και έχει εφαρμογές σε διαφορετικούς χρονικούς ορίζοντες (βραχυπρόθεσμα, μεσοπρόθεσμα και μακροπρόθεσμα). Στην παρούσα διατριβή, μελετήθηκε η πιθανότητα ανάπτυξης ενός σύνθετου μοντέλου το οποίο ενσωματώνει εκτιμήσεις από τη σχάση εγκαρσίων κυμάτων με περιορισμούς οι οποίοι θέτονται από τη στατιστική μοντελοποίηση – ή αντίστροφα. Για τον σκοπό αυτόν, βελτιώθηκε και επικαιροποιήθηκε το λογισμικό Pytheas, ώστε να καταστεί ταχύτερη και αποδοτικότερη η ανάλυση μεγάλου αριθμού δεδομένων κυματομορφών με τη χρήση σύγχρονων προσεγγίσεων, όπως η απευθείας λήψη δεδομένων από διαθέσιμες υπηρεσίες FDSN (π.χ. κόμβοι EIDA) και η παράλληλη επεξεργασία σε πολλαπλούς πυρήνες. Στο πλαίσιο της διατριβής, αναπτύχθηκε ροή εργασιών με σκοπό την ομογενή και συστηματική επεξεργασία των δεδομένων. Στην ροή, εκτός της επιλογής και επεξεργασίας κυματομορφών, περιλαμβάνεται και η συστηματοποίηση της διερεύνησης των ζητούμενων χρονικών μεταβολών. Η σχάση των εγκαρσίων κυμάτων προσδιορίσθηκε αυτόματα με τη χρήση της μεθόδου ιδιοτιμών και την αυτοματοποίηση αυτής μέσω ανάλυσης συστάδων. Αναλύθηκε μεγάλος όγκος τοπικών καταγραφών σεισμών από σεισμικές ακολουθίες στην Ελλάδα. Συγκεκριμένα, αναλύθηκαν δεδομένα από την περιοχή της Θήβας Βοιωτίας (ακολουθία 2020), της Σάμου (ακολουθία 2020), των Στυρών Ευβοίας (ακολουθία 2022-2023), του Δυτικού (2020-2021) και Ανατολικού (2020) Κορινθιακού Κόλπου. Η ανάλυση οδήγησε στον συνολικό προσδιορισμό 18,400 αποτελεσμάτων σχάσης, εκ των οποίων τα 8,031 έγιναν αποδεκτά, κατόπιν εφαρμογής αυτόματου αλγορίθμου βαθμολόγησης και δειγματοληπτικής διασφάλισης ποιότητας. Εκ των 20 χρονικών μεταβολών της κανονικοποιημένης χρονικής καθυστέρησης που εξάχθηκαν μετά από οπτική εκτίμηση των αποτελεσμάτων, οι 10 παρουσίασαν ικανοποιητικό συντελεστή συσχέτισης και στατιστική σημασία. Δεν παρατηρήθηκε συσχέτιση αυτών με την εκδήλωση ισχυρών σεισμών. Ωστόσο, παρατηρήθηκαν μεταβολές οι οποίες μπορούν να συνδεθούν με αλλαγές στη σεισμικότητα, ιδιαιτέρως στις περιπτώσεις των Στύρων και του Ανατολικού Κορινθιακού Κόλπου.Επιπροσθέτως, διερευνήθηκε η εφαρμογή ενός στατιστικού μοντέλου Επιδημικού Τύπου Μετασεισμικής Ακολουθίας (Epidemic-Type Aftershock Sequence; ETAS) για την παραγωγή ημερήσιων προβλέψεων εξέλιξης της σεισμικότητας. Ο τροποποιημένος αλγόριθμος ETAS (με την ενσωμάτωση Μπεϋζιανής στατιστικής και Μαρκοβιανών Αλυσίδων Μόντε Κάρλο) εφαρμόσθηκε στην περιοχή του Δυτικού Κορινθιακού Κόλπου, σε δύο υπο-ακολουθίες της δραστηριότητας που εκδηλώθηκε μεταξύ Δεκεμβρίου 2020 και Φεβρουαρίου 2021. Η πρώτη παρουσίασε χαρακτηριστικά ακολουθίας και σμηνοσειράς, ενώ η δεύτερη μπορεί να χαρακτηρισθεί ως τυπική μετασεισμική ακολουθία. Παρήχθησαν προβλέψεις για τέσσερα 24ωρα μετά την έναρξη της εκάστοτε ακολουθίας, με το πρώτο 24ωρο να λαμβάνεται για τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων του μοντέλου, Οι προβλέψεις πραγματοποιήθηκαν για τέσσερα κατώφλια μεγέθους (μέγεθος πληρότητας, 2.5, 3.0 και 4.0). Παρατηρήθηκε καλή συμφωνία με την εξέλιξη της 2ης υπο-ακολουθίας, ενώ η 1η απέκλινε από τις εκτιμήσεις. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής, δεν κατέστη δυνατή η εξαγωγή συνεκτικών χρονικών μεταβολών της σχάσης των εγκαρσίων κυμάτων και, συνεπώς, η μοντελοποίηση της απόκρισής της πριν από έναν επερχόμενο σεισμό. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η πηγή της σχάσης δεν είναι εύκολα κατανοητή, με ποικίλες επιδράσεις διεργασιών ρευστών, τοπικής τάσης και δομών. Ωστόσο, αναδείχθηκαν περιπτώσεις μεταβολών της σχάσης που σχετίζονται με την εξέλιξη της σεισμικότητας στο πλαίσιο ακολουθιών. Οι βραχυπρόθεσμες προβλέψεις με το μοντέλο ETAS ήταν ικανοποιητικές, αν και η εφαρμογή του κατέστη δύσκολη λόγω της επίδρασης δραστηριότητας τύπου σμηνοσειράς κατά την εξέλιξη της μετασεισμικής ακολουθίας. Σήμερα, ένα σύνθετο μοντέλο σχάσης εγκαρσίων κυμάτων και ρυθμού εκδήλωσης σεισμικότητας δεν είναι εφικτό. Η πρόοδος κλάδων που ασχολούνται με την επεξεργασία μεγάλων δεδομένων και τη μοντελοποίηση αυτών (όπως η μηχανική μάθηση), καθώς και η εξέλιξη της θεωρητικής κατανόησης του φαινομένου της σχάσης θα έχουν καταλυτικό ρόλο στη μελλοντική διερεύνηση της προοπτικής κατάρτισης ενός σύνθετου μοντέλου.