Παθητική σεισμική συμβολομετρία και ανισοτροπία εγκαρσίων κυμάτων στη διερεύνηση του γήινου φλοιού
Authors: Γιαννόπουλος Δημήτριος 
Published: September 2021

Η Κορινθιακή Τάφρος είναι μία ενεργός τεκτονικά επιηπειρωτική τάφρος η οποία διατέμνει την κεντρική ηπειρωτική Ελλάδα, χωρίζοντας την Στερεά Ελλάδα από την Πελοπόννησο. Η περιοχή βρίσκεται στο επίκεντρο του γεωεπιστημονικού ενδιαφέροντος για περισσότερο από τρεις δεκαετίες, καθώς θεωρείται μία από τις πιο σεισμικά ενεργές τεκτονικές τάφρους στην ευρύτερη περιοχή της Μεσογείου, εμφανίζοντας σύμφωνα με γεωδαιτικές μετρήσεις έναν από τους υψηλότερους ρυθμούς εφελκυσμού. Παρά τον μεγάλο αριθμό των υφισταμένων διεπιστημονικών παρατηρήσεων και των προτεινόμενων μοντέλων, εξακολουθεί να υπάρχει μια αξιοσημείωτη συζήτηση αναφορικά με την σχέση μεταξύ της σεισμικής δραστηριότητας, της μηχανικής συμπεριφοράς των ρηγμάτων και της γενικότερης γεωδυναμικής εξέλιξης της τάφρου. Μέσα στα πλαίσια της συνεχούς και εν εξελίξει έρευνας με κύριο σκοπό την κατανόηση της σεισμοτεκτονικής εξέλιξης της περιοχής, η παρούσα διατριβή έχει ως στόχο να μελετήσει την κατανομή των σεισμικών ταχυτήτων και τα φυσικά χαρακτηριστικά του ανώτερου φλοιού του δυτικής Κορινθιακής Τάφρου μέσω της εφαρμογής δύο μεθόδων: Της Παθητικής Σεισμικής Συμβολομετρίας με χρήση σεισμικού θορύβου και της Ανισοτροπίας Εγκαρσίων Κυμάτων τοπικής κλίμακας. Η μέθοδος της Παθητικής Σεισμικής Συμβολομετρίας, στοχεύει στην ανάκτηση των Συναρτήσεων Green του μέσου διάδοσης μεταξύ των θέσεων καταγραφής κάνοντας χρήση μόνο καταγραφών σεισμικού θορύβου. Η Παθητική Σεισμική Συμβολομετρία θεωρείται μία επαναστατική μέθοδος που χαρακτηρίστηκε από ραγδαία ανάπτυξη την τελευταία δεκαετία. Η τεχνική αυτή βασίζεται στο ότι «η ετερο-συσχέτιση καταγραφών σεισμικού θορύβου μεταξύ δύο θέσεων στην επιφάνεια της Γης, οδηγεί στην εξαγωγή της σεισμικής απόκρισης που θα καταγραφόταν σε μία από τις δύο θέσεις, εάν η μία λειτουργούσε ως σεισμική πηγή και η άλλη ως δέκτης». Ακολουθώντας αυτό τον κανόνα, εφαρμόσαμε την τεχνική της Παθητικής Σεισμικής Συμβολομετρίας σε καταγραφές σεισμικού θορύβου 3 ετών από το διαθέσιμο σεισμολογικό δίκτυο της δυτικής Κορινθιακής Τάφρου. Επεξεργαστήκαμε καταγραφές σεισμικού θορύβου μετατρέποντας κάθε σταθμό του δικτύου σε μία «εικονική πηγή» επιφανειακών κυμάτων Rayleigh. Προσδιορίσαμε τις χαρακτηριστικές καμπύλες διασποράς των ανακτημένων κυμάτων Rayleigh μεταξύ κάθε ζεύγους σταθμών και προχωρήσαμε στην αντιστροφή των δεδομένων για να πραγματοποιήσουμε την πρώτη Τομογραφία Σεισμικού Θορύβου της δυτικής Κορινθιακής Τάφρου. Στο τελευταίο στάδιο, στους 2-Δ χάρτες ταχυτήτων κυμάτων Rayleigh που προέκυψαν, εφαρμόσαμε τεχνικές αντιστροφής για την εκτίμηση του 3-Δ μοντέλου ταχυτήτων εγκαρσίων κυμάτων της περιοχής. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την πολυπλοκότητα του γεω-τεκτονικού καθεστώτος στο δυτικό τμήμα της Κορινθιακής Τάφρου. Οι χάρτες ταχυτήτων της Τομογραφία Σεισμικού Θορύβου για περιόδους μέχρι 3 s (~2.5 km βάθος) υποδεικνύουν ότι η γενικότερη κατανομή των ταχυτήτων βρίσκεται σε συμφωνία με την τοπική γεωλογία της περιοχής. Περιοχές χαμηλών ταχυτήτων παρατηρούνται κυρίως εκεί όπου υπάρχουν πρόσφατες ιζηματογενείς αποθέσεις και αποθέσεις του Πλειο-Τεταρτογενούς, ενώ υψηλότερες ταχύτητες παρατηρούνται εκεί όπου υπάρχουν δομές των ανθρακικών καλυμμάτων των εξωτερικών Ελληνίδων. Για περιόδους μεγαλύτερες των 3 s (>2.5 km βάθος), δηλαδή για περιόδους στις οποίες οι ταχύτητες των κυμάτων Rayleigh είναι ευαίσθητες σε δομές μεγαλύτερου βάθους, τα αποτελέσματα αναδεικνύουν μία ζώνη χαμηλών ταχυτήτων στο νότιο περιθώριο της τάφρου, με ΔΒΔ-ΑΝΑ διεύθυνση, υπο-παράλληλη με την διεύθυνση της δυτικής Κορινθιακής Τάφρου. Η ζώνη χαμηλών ταχυτήτων αποτελεί την πιο χαρακτηριστική και ενδιαφέρουσα δομή που αναδεικνύεται από τους χάρτες ταχυτήτων τόσο των κυμάτων Rayleigh όσο και των εγκαρσίων κυμάτων. Η ύπαρξη της ζώνης χαμηλών ταχυτήτων στη νότια περιοχή της τάφρου είναι εμφανής σε βάθη μεγαλύτερα από ότι θα αναμενόταν, εκεί όπου πλέον συναντώνται δομές υποβάθρου. Η ζώνη χαμηλών ταχυτήτων στα νότια περιθώρια της τάφρου ερμηνεύεται λαμβάνοντας υπόψη παράγοντες οι οποίοι περιλαμβάνουν το σημερινό ενεργό τεκτονικό καθεστώς της περιοχής σε συνδυασμό με πιθανή ύπαρξη διεργασιών κυκλοφορίας ρευστών σε βάθος, κατά μήκος ενός έντονα ρωγματωμένου ανώτερου φλοιού.Λαμβάνοντας υπόψη προηγούμενες μελέτες που πραγματοποιήθηκαν στην περιοχή που προτείνουν ότι πιθανή ύπαρξη ρευστών σε τμήματα του ανώτερου φλοιού της δυτικής Κορινθιακής Τάφρου παίζουν καθοριστικό ρόλο στη γενικότερη σεισμοτεκτονική εξέλιξη της περιοχής, και ωθούμενοι από τα αποτελέσματα της Τομογραφίας Σεισμικού Θορύβου της παρούσας διατριβής, επικεντρωθήκαμε σε τοπικές καταγραφές εγκαρσίων κυμάτων με σκοπό να μελετηθούν πιθανές μεταβολές στην ταχύτητα διάδοσης των σεισμικών κυμάτων (σεισμική ανισοτροπία) στον ανώτερο φλοιό σε σχέση με την εκδήλωση σεισμικών γεγονότων στην περιοχή. Η Ανισοτροπία Εγκαρσίων Κυμάτων είναι ένα φαινόμενο κατά το οποίο τα εγκάρσια κύματα (κύματα S) διαχωρίζονται κατά τη διάδοσή τους σε δύο συνιστώσες, με διαφορετικές διευθύνσεις πόλωσης και διαφορετικές ταχύτητες διάδοσης. Ο διαχωρισμός αυτός πραγματοποιείται κατά την διάδοση των εγκαρσίων κυμάτων μέσα από ανισοτροπικά μέσα. Δύο είναι οι παράμετροι που εκτιμώνται σε μία μελέτη Ανισοτροπίας Εγκαρσίων Κυμάτων, οι χρονικές καθυστερήσεις μεταξύ της ταχείας και της βραδείας συνιστώσας των S κυμάτων, και οι διευθύνσεις πόλωσης της ταχείας φάσης. Σημαντικές μεταβολές στις παραμέτρους ανισοτροπίας έχουν παρατηρηθεί στον ανώτερο φλοιό κυρίως σε σχέση με την εκδήλωση σεισμών, αποτυπώνοντας μεταβολές στα φυσικά χαρακτηριστικά του μέσου καθώς και στο πεδίο των τάσεων. Προς αυτή την κατεύθυνση, πραγματοποιήσαμε μία μελέτη Ανισοτροπίας Εγκαρσίων Κυμάτων χρησιμοποιώντας τοπικά σεισμικά γεγονότα 2 ετών (Ιανουάριος 2009 - Δεκέμβριος 2010), μίας περιόδου που καλύπτει χρονικά ένα έτος πριν και ένα έτος μετά την εκδήλωση της ακολουθίας σεισμών του Ευπαλίου (Ιανουάριος 2009). Η ανάλυση των δεδομένων ανέδειξε την ύπαρξη ανισοτροπίας στην περιοχή μελέτης, καθώς και σημαντικές χρονικές μεταβολές στις τιμές των παραμέτρων ανισοτροπίας σε σχέση με την εκδήλωση των δύο κύριων σεισμικών γεγονότων της ακολουθίας σεισμών του Ευπαλίου. Με στόχο να αποκτήσουμε περισσότερες πληροφορίες για τις μέσες ιδιότητες του μέσου διάδοσης κατά μήκος των σεισμικών ακτίνων, κάθε μέτρηση παραμέτρων ανισοτροπίας συνοδεύτηκε από μετρήσεις ταχυτήτων επιμήκων κυμάτων (Vp), εγκαρσίων κυμάτων (Vs) καθώς και λόγων ταχυτήτων Vp/Vs. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση στις χρονικές καθυστερήσεις και στους λόγους Vp/Vs αμέσως μετά την εκδήλωση των κύριων σεισμικών γεγονότων (Mw ~5.2) της ακολουθίας, ενώ μετά το τέλος της μετασεισμικής ακολουθίας, μερικούς μήνες μετά την εκδήλωση των κύριων σεισμικών γεγονότων, οι τιμές των προαναφερθέντων παραμέτρων εμφάνισαν μείωση. Οι τιμές των ταχυτήτων Vp και Vs έδειξαν ότι οι παρατηρούμενες μεταβολές στις τιμές των λόγων Vp/Vs μετά την εκδήλωση των σεισμών, οφείλονται συγκεκριμένα σε μικρή αύξηση των τιμών Vp και μείωση των τιμών Vs. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, η ερμηνεία των παρατηρούμενων χρονικών μεταβολών στις τιμές των παραμέτρων βασίζεται σε παράγοντες που σχετίζονται με την εκδήλωση των κύριων σεισμικών γεγονότων του Ευπαλίου, με τα χαρακτηριστικά του ευρύτερου πεδίου των τάσεων της περιοχής καθώς και την πιθανή συμμετοχή ρευστών. Προτείνεται ότι μία μετανάστευση υπο-πίεση ρευστών σε τμήματα του φλοιού κοντά στις ζώνες διάρρηξης, προκλήθηκε από την εκδήλωση των σεισμών και αποτελεί την κυριότερη αιτία των παρατηρούμενων αυξήσεων στις τιμές των χρονικών καθυστερήσεων και των λόγων Vp/Vs. Οι μεταβολές που παρατηρήθηκαν στις χρονικές καθυστερήσεις και στους λόγους Vp/Vs, εμφανίζονται να είναι ισχυρότερες κοντά στις ζώνες διάρρηξης και ηπιότερες μακριά από αυτές, γεγονός που πιθανόν αντανακλά διαφορετικό βαθμό μεταβολών στα φυσικά χαρακτηριστικά του ανώτερου φλοιού. Η μέση διεύθυνση πόλωσης της ταχείας συνιστώσας παρουσιάζει σε γενικές γραμμές μία διεύθυνση Α-Δ, η οποία είναι σε συμφωνία με το πεδίο των τάσεων της ευρύτερης περιοχής, σχεδόν κάθετη στη διεύθυνση εφελκυσμού της Κορινθιακής Τάφρου. Σε αντίθεση με τις άλλες παραμέτρους, η εκδήλωση των σεισμών φαίνεται ότι είχε μηδενική επίδραση στη μέση τιμή της διεύθυνσης πόλωσης της ταχείας συνιστώσας, καθώς δεν παρουσίασε ιδιαίτερη μεταβολή πριν και μετά την εκδήλωση τους.Τόσο η μελέτη Ανισοτροπίας Εγκαρσίων Κυμάτων, όσο και η Τομογραφία Σεισμικού Θορύβου παρουσιάζουν ενδείξεις ύπαρξης ρευστών στον ανώτερο φλοιό της δυτικής Κορινθιακής Τάφρου, όχι μόνο κατά μήκος των πιο σεισμικά ενεργών νότιων περιθωρίων της τάφρου, αλλά και στα λιγότερο ενεργά βόρεια περιθώρια της. Οι διεργασίες μετακίνησης ρευστών εμφανίζονται να είναι πιο έντονες και μόνιμες χρονικά κατά μήκος των νοτίων περιθωρίων της τάφρου, παρά των παρατηρούμενων διεργασιών στα βόρεια περιθώρια, οι οποίες φάνηκε να προκλήθηκαν κυρίως από την εκδήλωση των σεισμικών γεγονότων. Τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής έρχονται να επιβεβαιώσουν και να ενισχύσουν τα ευρήματα προηγούμενων εργασιών που αποδίδουν στην ύπαρξη ρευστών έναν καθοριστικό ρόλο για τη σεισμοτεκτονική εξέλιξη της δυτικής Κορινθιακής Τάφρου.