Spatiotemporal imaging of earthquake rupture process in high frequencies using backprojection methods
Authors: Φουντουλάκης Ιωάννης 
Published: October 2024

Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η εφαρμογή και εξέλιξη των μεθόδων τοπικής οπισθοπροβολής, με σκοπό την βελτίωση της ακρίβειας τους αλλά και της λειτουργικής τους αποτελεσματικότητας. Η κατανόηση της υψηλού συχνοτικού περιεχόμενου σεισμικής ενέργειας κατά την διάρκεια ενός σεισμικού γεγονότος είναι κρίσιμης σημασίας για τον μετριασμό του σεισμικού κινδύνου. Αυτό καθιστά την τοπική οπισθοπροβολή σαν μια ζωτικής σημασίας μέθοδο για τον επιτυχή εντοπισμό αυτή της ενέργειας χωροχρονικά. Η παρούσα διατριβή εξετάζει υψηλής ποιότητας σεισμικά δεδομένα από την Ιαπωνία, την Ελλάδα, την Τουρκία και τις Η.Π.Α. παρέχοντας νέες γνώσεις για την αυτή τη μέθοδο και ανοίγοντας τον δρόμο για νέες τεχνικές και σεισμικά μοντέλα. Σημαντική έμφαση δόθηκε στην αντιμετώπιση των τοπικών εδαφικών επιδράσεων που θα μπορούσαν να επηρεάσουν την ποιότητα των σεισμικών καταγραφών, με νέες ροές εργασίας που προτείνονται για την αφαίρεση αυτών των φαινομένων ή τον εντοπισμό κατάλληλων σταθμών αναφοράς για καλύτερες και πιο ακριβείς ανάλυσεις. Οι μελετώμενες περιπτώσεις είναι οι σεισμοί: Mw 6.8 Elazig (Τουρκία, 2020), Mw 6.0 Parkfield (Η.Π.Α., 2004), Mw 7.1 Ridgecrest (Η.Π.Α., 2019), Mw 6.3-Mw 6.0 Θεσσαλία (Ελλάδα, 2021), Mw 5.3 Δυτικός Κορινθιακός Κόλπος (Ελλάδα, 2021), Mw 7.0 Σάμος (Ελλάδα, 2020) και Mw 6.9 Iwate-Miyagi Nairiku (Ιαπωνία, 2008). Εξετάστηκαν τοπικά δεδομένα ισχυρής κίνησης για το σεισμικό γεγονός Mw 6.8 Elazig μαζί με αποτελέσματα δυναμικών αναλύσεων αντιστροφής από άλλους συγγραφείς, οδηγώντας σε περαιτέρω κατανόηση των παραμέτρων τάσης και τριβής του ενεργοποιημένου ρήγματος. Η προσδιορισθείσα ακτινοβολία υψηλής συχνότητας, κατά την διάρκεια της διάρρηξης, παρουσιάζει ένα μοτίβο μετανάστευσης προς τα νοτιοδυτικά κατά μήκος του ρήγματος, συγκλίνοντας σε περιοχές όπου ήδη είχαν εντοπιστεί υποεκδηλώσεις της σεισμικής πηγής. Μελετήθηκε επίσης το σεισμικό γεγονός του Parkfield και μέσω της ανάλυσης, εντοπίστηκαν δύο υποεκδηλώσεις υψηλής συχνότητας κατά μήκος του ρήγματος του Αγίου Ανδρέα, το οποίο ευθυγραμμίζεται με τα αποτελέσματα προηγούμενων προσπαθειών τοπικής οπισθοπροβολής. Το ίδιο ισχύει και για το γεγονός του Ridgecrest, στο οποίο η ακτινοβολία υψηλής συχνότητας εμφανίζει περίπλοκα μοτίβα χαρτογραφόντας ταυτόχρονα την σεισμική διάρρηξη. Στην περίπτωση των σεισμών της Θεσσαλίας, τα χωροχρονικά χαρακτηριστικά της πηγής συγκρίθηκαν προσεκτικά με αποτελέσματα αντιστροφής πηγής αλλά και με δεδομέτα του πεδίου τάσεων. Το σεισμικό γεγονός του Δυτικού Κορινθιακού Κόλπου αποτελεί μια μάλλον ειδική περίπτωση. Με την μελέτη και σύγκριση των αποτελεσμάτων της τοπικής οπισθοπροβολής με άλλες σεισμολογικές και γεωδαιτικές μεθόδους από διάφορους επιστήμονες, κατέστη δυνατό να εντοπιστεί η ασυνήθιστη διάρρηξη δύο συζηγών ρηγμάτων με ορθογώνια διάταξη. Κατά συνέπεια, υιοθετήθηκε ένα ιδιαίτερο μοντέλο δύο ρηγμάτων. Επίσης πραγματοποιήθηκε λεπτομερής μελέτη για το συμβάν της Σάμου. Σε αυτή την περίπτωση, τα τοπικά δεδομένα ισχυρής κίνησης χρησιμοποιήθηκαν αφού αξιολογήθηκαν για πιθανές επιδράσεις των τοπικών εδαφικών συνθηκών. Επιπλέον δημιουργήθηκε, ένας νέος, υψηλής ακρίβειας κατάλογος για την μετασεισμική ακολουθία χρησιμοποιώντας για τον εντοπισμό των φάσεων αλγόριθμο βασισμένο σε βαθιά μάθηση. Αυτός ο νέος κατάλογος περιέχει χιλιάδες πρόσθετα σεισμικά γεγονότα σε σύγκριση με τους υπόλοιπους διαθέσιμους καταλόγους και συνοδεύεται από μια βελτιωμένη βάση λύσεων μηχανισμών γένεσης που προσδιορίστηκε και αυτός με αυτοματοποιημένες τεχνικές. Η λεπτομερής χαρτογράφηση των πολύπλοκων δικτύων ρηγμάτων που ενεργοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια της μετασεισμικής περιόδου υποδεικνύει την ύπαρξη μιας ενεργής διατμητικής, πιθανώς ασύμμετρης, λεκάνης στα ανοικτά της Σάμου. Η τελευταία περίπτωση μελέτης είναι ο σεισμός Mw 6.9 Iwate-Miyagi Nairiku. Σε αυτό το γεγονός, εξετάστηκε βαθύτερα ο αντίκτυπος των τοπικών εδαφικών επιδράσεων του εδάφους στις εικόνες της οπισθοπροβολής. Λεπτομερής ανάλυση πραγματοποιήθηκε με τη χρήση δεδομένων που ελήφθησαν τόσο από επιφανειακούς όσο και από υπόγειους σταθμούς του δικτύου Kik-net. Οι καταγραφές των επιφανειακών σταθμών διορθώθηκαν για τις εδαφικές επιδράσεις χρησιμοποιώντας καθιερωμένες μεθόδους, που αντιμετωπίζουν ακόμα και τις επιδράσεις της μη γραμμικής συμπεριφοράς του εδάφους, παρέχοντας τελικά ακριβείς εκτιμήσεις της οριζόντιας ενίσχυσης που στην συνέχεια αφαιρέθηκε από τις καταγραφές. Σύγκριση των αποτελεσμάτων οπισθοπροβολής μεταξύ των διορθωμένων επιφανειακών καταγραφών, των μη διορθωμένων επιφανειακών καταγραφών και των καταγραφών γεωτρήσεων αποκαλύπτουν ότι οι μη διορθωμένες επιφανειακές καταγραφές μπορούν να παρέχουν ανακριβή αποτελέσματα. Ωστόσο, η εφαρμογή διορθώσεων βελτιώνει σημαντικά την ποιότητα της εικόνας, ευθυγραμμίζοντας τα αποτελέσματα περισσότερο με εκείνα των καταγραφών από γεωτρήσεις. Επίσης εξετάστηκε η ανεξαρτησία των δεδομένων από γεωτρήσεις σε σχέση με τις επιδράσεις του εδάφους. Επιπλέον, προτείνεται μια ολοκληρωμένη ροή εργασίας για την ενσωμάτωση αυτών των διορθώσεων σε μελλοντικές μελέτες οπισθοπροβολής. ΄Ολες οι περιπτώσεις υλοποιήθηκαν με τη χρήση του SSA2py, ενός λογισμικού που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής. Το SSA2py είναι ένας νέος κώδικας παράλληλης επεξεργασίας που έχει σχεδιαστεί για υπολογιστικά συστήματα υψηλών επιδόσεων, διευκολύνοντας τον ταχύ και ακριβή υπολογισμό των αποτελεσμάτων οπισθοπροβολής. Συνολικά, τα αποτελέσματα της ανάλυσης σε αυτήν την διατριβή επικυρώνουν προηγούμενες θεωρητικές και παρατηρησιακές έρευνες σχετικά με τη χωρική και χρονική κατανομή της ενέργειας υψηλής συχνότητας και τη συσχέτισή της με περιοχές υψηλής ολίσθησης. Επιπλέον, η συστηματική μελέτη, με τη χρήση σεισμικών δεδομένων από την Ιαπωνία, αποδεικνύει πως οι επιδράσεις των εδαφικών συνθηκων μπορούν να υποβαθμίσουν τις εικόνες οπισθοπροβολής, ακόμη και με διαθέσιμα δίκτυα υψηλής ποιότητας. Με την αφαίρεση αυτών των επιδράσεων, μπορούν να βελτιωθούν και τα αποτελέσματα οπισθοπροβολής. Η παρούσα διατριβή τέλος αναδεικνύει και άλλες πτυχές, όπως την καθιέρωση βέλτιστων πρακτικών για τοπικές εφαρμογές οπισθοπροβολής και την διεξαγωγή συγκριτικών αναλύσεων μεταξύ των αποτελεσμάτων της οπισθοπροβολής και των συμβατικών μεθόδων αντιστροφής.