Μελετώντας τον μηχανισμό γένεσης του πολυπλοκότερου σεισμού στη Γη: ο Μ7.8 σεισμός Καϊκούρα στη Νέα Ζηλανδία

Είναι γνωστό ότι οι μεγαλύτεροι σεισμοί στον Κόσμο συμβαίνουν εκεί που μία τεκτονική πλάκα βυθίζεται κάτω από την άλλη (Εικ. 1). Οι περιοχές αυτές ονομάζονται ζώνες υποβύθισης (subduction zones) και οι μεγάλοι σεισμοί συμβαίνουν όταν η ‘κλειδωμένη’ διεπαφή των πλακών (plate–interface) (με κόκκινο στην Εικ. 1α) σπάει απότομα. Παρά το μεγάλο μήκος τους (που φτάνει έως και τα χιλιάδες χιλιόμετρα, Εικ. 2), όλες οι ζώνες υποβύθισης στη Γη τερματίζουν πλευρικά πάνω σε μεγάλα ρήγματα μετασχηματισμού (transform faults) (Εικ. 2). Εκεί, η κίνηση συμπίεσης (από την σύγκλιση των πλακών) μετατρέπεται σε οριζόντια ολίσθηση. Ο μηχανισμός με τον οποίο η κίνηση των πλακών ‘φιλοξενείται’, με τη μορφή μεγα-σεισμών, κατά μήκος τέτοιων μεταβατικών ζωνών είναι, ωστόσο, ελάχιστα κατανοητός, κυρίως λόγω έλλειψης σχετικών δεδομένων.

Εικόνα 1. Περίληψη μηχανισμού γένεσης μεγα-σεισμών κατά μήκος ζωνών υποβύθισης: α) οι μεγαλύτεροι σεισμοί στον κόσμο συμβαίνουν όταν το κλειδωμένο τμήμα (κόκκινο χρώμα) της πλάκας που βυθίζεται, σπάει απότομα. Πάνω και κάτω από αυτό το τμήμα, η βυθιζόμενη πλάκα γλυστράει συνήθως ασεισμικά (μπλε χρώμα). Δευτερογενής ολίσθηση συχνά συμβαίνει ταυτόχρονα ή λίγο μετά τον κύριο σεισμό, σε ρήγματα του άνω φλοιού (πράσινο χρώμα). β) Ο εναλλακτικός μηχανισμός που παρατηρήθηκε κατά τον σεισμό Καϊκούρα: η κύρια απελευθέρωση ενέργειας έλαβε χώρα σε ρήγματα της άνω πλάκας (κόκκινο χρώμα), με έλαχιστη εμπλοκή της διεπαφής των πλακών (πράσινο χρώμα). Ασεισμική παραμόρφωση μετά τον σεισμό παρατηρήθηκε, όπως και στους συμβατικούς μεγα-σεισμούς,  στην διεπαφή των πλακών σε βάθη μικρότερα και μεγαλύτερα (μπλε χρώμα) του τμήματος που έσπασε κατά τον σεισμό.

Εικόνα 2. Τεκτονικός χάρτης που απεικονίζει τις κύριες ζώνες υποβύθισης (μαύρα δοντάκια) και μεσοωκεάνιες ράχες (μαύρες γραμμές) στη Γη. Οι κυριότερες απολήξεις ζωνών υποβύθισης στον κόσμο υποδεικνύονται με κόκκινο. Ο σεισμός Μ7.8 στην Καϊκούρα έσπασε το νότιο άκρο της ζώνης υποβύθισης Hikurangi (μπλε βέλος). Όλες οι ζώνες υποβύθισης τερματίζουν πλευρικά πάνω σε μεγάλα ρήγματα μετασχηματισμού (λεπτές μαύρες γραμμές).

Ο σεισμός Καϊκούρα (Μ7.8) που έγινε στις 14 Νοεμβρίου 2016 στο νότιο άκρο της ζώνης υποβύθισης Hikurangi στη Νέα Ζηλανδία (Εικ. 2), προκάλεσε παγκόσμιο επιστημονικό ενδιαφέρον³ διότι, για πρώτη φορά, ένας μεγάλος σεισμός που έπληξε την απόληξη μιας ενεργούς ζώνης υποβύθισης καταγράφηκε ενόργανα (μέσω σεισμογράφων, GPS, InSAR, κ.α.), παρέχοντας μια μοναδική ευκαιρία να μελετηθεί με εξαιρετική ακρίβεια ο μηχανισμός δημιουργίας μεγα-σεισμών στις απολήξεις τεκτονικών ζωνών υποβύθισης. Το επιστημονικό ενδιαφέρον ενισχύθηκε από το γεγονός ότι ο σεισμός αυτός διήρκεσε 100 δευτερόλεπτα (συνήθως οι σεισμοί δεν ξεπερνούν τα 30 δευτερόλεπτα) και συμπεριέλαβε τη διάρρηξη πολλών (>20) ρηγμάτων σε στεριά και θάλασσα με διαφορετικούς μηχανισμούς γένεσης⁴ (Εικ. 3). Όχι άδικα, ο σεισμός αυτός έχει χαρακτηρισθεί ως ο πολυπλοκότερος σεισμός που έχει καταγραφεί ποτέ στη Γη.

Πρόσφατη έρευνα που δημοσιεύθηκε στο διεθνές επιστημονικό περιοδικό Earth and Planetary Science Letters από Έλληνες, Γερμανούς και Νεοζηλανδούς επιστήμονες, με επικεφαλής τη Δρ. Βασιλική Μουσλοπούλου από το Εθνικό Κέντρο Γεωεπιστημών της Γερμανίας GFZ-Potsdam (τώρα στο Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών), δείχνει ότι, σε αντίθεση με ότι ξέραμε μέχρι τώρα για τους συμβατικούς μεγα-σεισμούς (Εικ. 1a), ο σεισμός Kaikōura απελευθέρωσε το 80% της σεισμικής ενέργειάς του σε ρήγματα του ανώτερου φλοιού της Γης (<20 km), τα οποία, εν συνεχεία, προκάλεσαν μικρή μόνο ολίσθηση στη διεπαφή των πλακών (Εικ. 1β). Αντίθετα, στους μήνες που ακολούθησαν τον σεισμό, η διεπαφή των πλακών φιλοξένησε σχεδόν το 80% της (ασεισμικής) παραμόρφωσης, περιμετρικά της ζώνης που έσπασε κατά τον σεισμό (Εικ. 1β).

Εικόνα 3: Πολλαπλές σεισμικές διαρρήξεις στο άκρο μιας ζώνης υποβύθισης. α, Χάρτης ρηγμάτων στην περιοχή Καϊκούρα. Με κόκκινο υποδεικνύονται τα ρήγματα που έσπασαν κατά τον σεισμό του 2016 (σε στεριά και θάλασσα). Οι παράκτιες περιοχές στις οποίες μετρήθηκε η κατακόρυφη μετατόπιση που προκλήθηκε από τον σεισμό, υποδεικνύονται στον χάρτη. Οι αριθμοί δίπλα στα ρήγματα δηλώνουν τους ρυθμούς μετατόπισης (σε mm/a) κατά την διάρκεια των τελευταίων 25 χιλιάδων ετών. β, Ένθετος χάρτης που δείχνει το γεωδυναμικό καθεστώς της Νέας Ζηλανδίας. Ο σεισμός έγινε στο νότιο άκρο της ζώνης υποβύθισης Χικουράνγκι. Η αποθήκευση της ελαστικής παραμόρφωσης στον φλοιό της Γης τα τελευταία 10 χρόνια, επίσης υποδεικνύεται⁵. Τα CPIT, WLGT και KAIT δείχνουν παλιρροιογράφους. c, Διάγραμμα που απεικονίζει κατακόρυφες σεισμικές μετατοπίσεις κατά μήκος της ακτογραμμής (προφίλ Α-Α’).

Συγκεκριμένα, οι επιστήμονες κατέληξαν σε αυτό το συμπέρασμα αναλύοντας μια διεπιστημονική βάση δεδομένων που καλύπτει χρονικές και χωρικές κλίμακες που εκτείνονται από δευτερόλεπτα έως εκατομμύρια χρόνια και από χιλιοστά έως δεκάδες χιλιόμετρα, αντίστοιχα, και κατόπιν προσομοιώνοντας αριθμητικά τον πολύπλοκο αυτό σεισμό (Εικ. 3 & 4). Αναλυτικά, τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν για την μοντελοποίηση του σεισμού, είναι τα εξής:

• Γεωλογικά & παλαιοσεισμολογικά δεδομένα υπαίθρου από ρήγματα που έσπασαν την επιφάνεια της Γης και τον πυθμένα της θάλασσας κατά την διάρκεια του σεισμού (Εικ. 3).
• Δεδομένα ανυψωμένων ακτογραμμών μέσω χρήσης θαλάσσιας πανίδας (~2000 μετρήσεις που συλλέχθηκαν αμέσως μετά τον σεισμό από έρευνα πεδίου) (Εικ. 3c & 5).
• Δεδομένα κατακόρυφης σεισμικής μετατόπισης από air-borne Lidar (96000 διαφορικές μετρήσεις πριν και μετά τον σεισμό) (Εικ. 3).
• Ενόργανα σεισμολογικά δεδομένα από 13 μόνιμους σεισμογράφους του GNS Science.
• Ενόργανα GPS δεδομένα από 60 μόνιμους και περιοδικούς σταθμούς του GNS Science (έως και 12 μήνες μετά τον σεισμό) (Εικ. 4α).
• Δεδομένα σεισμικής ανάκλασης βάθους (seismic reflection datasets) για την τριασδιάστατη χαρτογράφηση των υποθαλάσσιων ρηγμάτων που έσπασαν κατά τον σεισμό (Εικ. 3).
• Δεδομένα παλιρροιογράφων (GNS Science) κατά μήκος της ακτογραμμής της Νέας Ζηλανδίας που κατέγραψαν το τσουνάμι που προκλήθηκε (Εικ. 4g).
• Επαναπροσδιορισμένα επίκεντρα μετασεισμών (έως 4 μήνες μετά τον σεισμό) (Εικ. 4d-f).

Εικόνα 4. Μοντέλο σεισμικής μετατόπισης για τον σεισμό Μ7.8 Kaikōura. a, Χάρτης που απεικονίζει τις θέσεις των διάφορων βάσεων δεδομένων που χρησιμοποιήθηκαν για την μοντελοποίηση της ολίσθησης. Οι διακεκομμένες γραμμές αντιστοιχούν στα προφίλ B, C και D που παρουσιάζονται στα πλαίσια (d-f), στα δεξιά. b, Η κατανομή της τελικής σεισμικής ολίσθησης και των μετασεισμών (Mw> 3.5) μέχρι και 31/3/2017. Το κόκκινο αστέρι δείχνει το επίκεντρο. c, Η ανύψωση που προέκυψε από το μοντέλο συγκρίνεται με εμπειρικές βάσεις δεδομένων (Lidar, GPS, θαλάσσια πανίδα, παλιρροιογράφους, κ.α.) κατά μήκος της ακτογραμμής (προφίλ Α-Α’). d-f, Τομές κάθετα στην ακτογραμμή που απεικονίζουν την γεωμετρία των ρηγμάτων, την συνολική σεισμική ολίσθηση, την τοπογραφία και τις παρατηρούμενες (μαύρες) και προβλεπόμενες (κόκκινες) κατακόρυφες μετακινήσεις. Η ολίσθηση (slip) είναι χρωματικά κωδικοποιημένο σύμφωνα με το μέγεθός του. Οι αρχικές θέσεις των μετασεισμών εμφανίζονται με γκρι, ενώ οι επαναπροσδιορισμένες (relocated) θέσεις τους με κόκκινο. g, Το πλάτος των κυμάτων τσουνάμι που παράγονται από το σεισμό (μαύρο) συγκρίνονται με τα μοντελοποιημένα κύματα (κόκκινο) σε τρεις σταθμούς (KAIT, WLGT, CPTI, για θέσεις βλέπε σχήμα 1b.

Ο Μηχανισμός

Εικόνα 5. Μετρήσεις ανυψωμένων ακτογραμμών ως συνέπεια του σεισμού Καϊκούρα. Η άσπρη γραμμή έχει δημιουργηθεί από νεκρούς θαλάσσιους μικροοργανισμούς (Carpophyllum) που ζούσαν στην επιφάνεια της θάλασσας πριν τον σεισμό (Φωτογραφία: Β. Μουσλοπούλου, GFZ-Potsdam).

Η ανάλυση και μοντελοποίηση των παραπάνω δεδομένων δείχνει ότι στο διάστημα των 100 περίπου δευτερολέπτων που διήρκεσε ο σεισμός, έλαβαν χώρα σεισμικές αλληλεπιδράσεις πολλών (>20) ρηγμάτων τα οποία βρίσκονται σε διαφορετικά τμήματα του συστήματος υποβύθισης (από την επιφάνεια του εδάφους έως και την διεπαφή των πλακών στα 35 χλμ βάθος) (Εικ. 6). Συγκεκριμένα, ο σεισμός ξεκίνησε διαρρηγνύοντας ένα επιφανειακό ρήγμα (εστιακό βάθος 14 χλμ), το οποίο ήταν άγνωστο έως τη μέρα εκείνη (!), και το οποίο εκτείνεται έως και την διεπαφή των πλακών (αστέρι στην Εικ. 6d & Εικ. 6α1). Διαμέσου του σημείου τομής τους, η σεισμική ολίσθηση μεταφέρθηκε από το επιφανειακό αυτό ρήγμα στην διεπαφή των πλακών (20-30 χλμ βάθος) για να διατρέξει ένα τμήμα της (εκλείοντας μικρή σεισμική ενέργεια και παράγοντας μικρές μετατοπίσεις; Εικ. 6α2) και να ενεργοποιήσει, εκ νέου, ένα άλλο σύστημα ρηγμάτων επιφανείας. Το σύστημα αυτό έσπασε 60 δευτερόλεπτα μετά την έναρξη του σεισμού απελευθερώνοντας τη μεγαλύτερη σεισμική ενέργεια που καταγράφηκε (Εικ. 6d & Εικ. 6b1&c2) και προκαλώντας οριζόντιες επιφανειακές μετατοπίσεις έως και 12 μέτρα (Εικ. 7). Η μεγάλη αυτή δόνηση προκάλεσε και δεύτερη αδύναμη σεισμική ολίσθηση στην διεπαφή των πλακών αλλά και σημαντική ασεισμική παραμόρφωση τους 12 μήνες που ακολούθησαν (σε βάθη 30-40 χλμ.) (Εικ. 8b). Συνολικά βλέπουμε ότι, ενώ η διεπαφή των πλακών έπαιξε δευτερεύοντα ρόλο ως προς το μέγεθος της σεισμικής ολίσθησης (<20% της συνολικής), έπαιξε κρίσιμο ρόλο ως προς την διάδοση της σεισμικής ολίσθησης στα υπόλοιπα ρήγματα που έσπασαν (Εικ. 6 & 8).

Εικόνα 6. Διαρρηγνύοντας ‘από-πάνω-προς-τα-κάτω’ το άκρο μιας ζώνης υποβίθυσης. a-c, Κάτοψη και τομή (a1-a2, b1-b2, c1-c2) της κατανομής της σεισμικής ολίσθησης ανά ρήγμα. Η κατανομή ολίσθησης σε κάθε πλαίσιο (a-c) προκύπτει από ολίσθηση των ρηγμάτων που υποδεικνύονται με παχιές κόκκινες γραμμές. Το κόκκινο αστέρι υποδεικνύει το επίκεντρο του σεισμού (ρήγμα HF), ενώ η διακεκομμένη μπλε γραμμή δείχνει την καταγραφόμενη αλλαγή της κλίσης του. d, Τρισδιάστατα σχηματικά μοντέλα που απεικονίζουν τη μεταφορά ολίσθησης από το HF στην διεπαφή των πλακών (T1) και μεταξύ του OSTF, του K-NF και της διεπαφής των πλακών (T2).

Εικόνα 7. Εντυπωσιακή σεισμική ολίσθηση στο Ρήγμα Leader κατά την διάρκεια του σεισμού Καϊκούρα (Φωτογραφία: K. Padley, University of Canterbury, NZ).

Αυτός ο εναλλακτικός μηχανισμός γένεσης μεγα-σεισμών που παρατηρήθηκε στην Καϊκούρα, που θέλει την σεισμική ενέργεια να εκλείεται και να μεταναστεύει ‘από-πάνω-προς-τα-κάτω’ με ελάχιστη κινηματική συνδρομή της διεπαφής των πλακών, υποστηρίζεται από μακροχρόνια (20 χιλιάδων ετών) γεωλογικά δεδομένα⁵ που δείχουν ότι το 75% της ταχύτητας σύγκλισης των πλακών φιλοξενείται από ολίσθηση σε ρήγματα της άνω πλάκας (και όχι από την διεπαφή των πλακών) (Εικ. 9).

Εικόνα 8. Η μετανάστευση της ολίσθησης κατά τη διάρκεια και μετά τον σεισμό Kaikōura. a, Αθροιστική κατανομή ασεισμικής ολίσθησης στην διεπαφή των πλακών και κατά μήκος του ρήγματος K-NF τους 3 μήνες που ακολούθησαν τον σεισμό Kaikōura. Η σύγκριση μεταξύ των παρατηρούμενων (μαύρων) και μοντελοποιημένων (κόκκινων) μετακινήσεων GPS υποδεικνύεται με βέλη. b, Ολίσθηση στη διεπαφή των πλακών κατά τη διάρκεια (μαύρες καμπύλες) και 3 μήνες μετά (έγχρωμη σκίαση) τον σεισμό. Οι μαύρες διακεκομμένες γραμμές δείχνουν το βάθος της διεπαφής των πλακών. c, Σύγκριση των κανονικοποιημένων αθροιστικών μετατοπίσεων μετασεισμών και της αθροιστικής οριζόντιας ολίσθησης από όλους τους σταθμούς GPS στο βορειοανατολικό νότιο νησί, τους 12 μήνες που ακολούθησαν το σεισμό Kaikōura.

Υποστηρίζεται επίσης και από γεωδαιτικά δεδομενά⁵ που συλλέχθηκαν την 10ετία που προηγήθηκε του σεισμού και που, επίσης, δείχνουν ότι η διεπαφή των πλακών το διάστημα αυτό είναι σχεδόν νεκρή (Εικ. 9). Συνεπώς, καταλήγει η έρευνα, αυτός ο εναλλακτικός μηχανισμός γένεσης μεγασεισμών, που μπορεί να χαρακτηρίζει τις απολήξεις ζωνών υποβύθισης παγκοσμίως, έχει ως αποτέλεσμα ο σημαντικότερος σεισμικός  (& tsunami) κίνδυνος στις περιοχές αυτές να αναμένεται από επιφανειακά ρήγματα που τέμνουν, με μεγάλες κλίσεις, την επιφάνεια της Γης και τους πυθμένες των ωκεανών.

Εικόνα 9: Η κατανομή της σεισμικής ολίσθησης μιμείται τα μακροχρόνια μοτίβα παραμόρφωσης. a, Σχηματικό 3D διάγραμμα που απεικονίζει τη μετανάστευση, σε χρονικές περιόδους χιλιάδων ετών (<25 ka), της κίνησης των πλακών από τη διεπαφή των πλακών (αποχρώσεις του κόκκινου) στην άνω πλάκα (αποχρώσεις του μπλε). Η μπλε σκίαση συνεπάγεται χαμηλή ολίσθηση στην διεπαφή των πλακών. b, Τρισδιάστατη απεικόνιση της συνολικής (σεισμικής και ασεισμικής) ολίσθησης του σεισμού Kaikōura. Προσέξτε τις ισχυρές (αποχρώσεις του κόκκινου) και τις αδύναμες (αποχρώσεις του μπλε) ολισθήσεις στα ρήγματα της άνω πλάκας και της διεπαφής των πλακών, αντίστοιχα.

Στην Ελλάδα;

Ένα τμήμα της δυτικής Ελλάδας που παρουσιάζει έντονες τεκτονικές αναλογίες με την περιοχή που έπληξε ο σεισμός Καϊκούρα, είναι η περιοχή της ΒΔ Πελοποννήσου και νότιου Ιονίου. Εκεί,  όπως και στην περιοχή Καϊκούρα, λαμβάνει χώρα η μετάβαση από το σεισμοτεκτονικό καθεστώς υποβύθισης σε αυτό της οριζόντιας ολίσθησης. Ο σεισμός Kaikōura μας έμαθε ότι μεγαλύτεροι και πιο πολύπλοκοι σεισμοί μπορεί να συμβούν εκεί που οι ζώνες υποβύθισης τερματίζουν (λόγω της γεωμετρικής διάταξης των ρηγμάτων)⁶. Αν αυτό επαληθευτεί για την δυτική Ελλάδα, η γνώση ότι ισχυρότερες σεισμικές επιταχύνσεις είναι δυνατόν να πλήξουν τα εδάφη και τον πυθμένα της θάλασσας του Ιονίου, θα επιτρέψει στις κρατικές αρχές να προετοιμαστούν καλύτερα. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για την πυκνοκατοικημένη και τουριστικά ελκυστική δυτική Πελοπόννησο και τα Ιόνια νησιά, όπου ιστορικά έχουν υποστεί μόνο σεισμούς M≤7.2 και η υποδομή τους είναι προσαρμοσμένη σε τέτοια χαρακτηριστικά μεγέθους. Οι πληροφορίες αυτές μπορούν επίσης να έχουν άμεση χρησιμότητα για τις έρευνες πετρελαίου και τις υποδομές γεωτρήσεων στο Ιόνιο (https://www.energean.com/operations/greece/katakolo/).

Πόσο απίθανο είναι άραγε ένας σεισμός τύπου-Καϊκούρα να πλήξει τη δυτική απόληξη της ελληνικής ζώνης υποβύθισης; Το ενδιαφέρον αυτό ερώτημα, θα προσπαθήσουμε να απαντήσουμε μέσω μελλοντικής έρευνας.

Βιβλιογραφική αναφορά:

Mouslopoulou, V., Saltogianni, V., Nicol, A., Oncken, O., Begg, J., Babeyko, A., Cesca, S., Moreno, M., 2019. Breaking a subduction-termination from top-to-bottom: the 2016 Kaikōura earthquake, New Zealand. Earth Planet. Sci. Lett. 506, 221-230, https://doi.org/10.1016/j.epsl.2018.10.020.

Βιβλιογραφία

1. Moreno, M., Rosenau, M., Oncken, O. 2010 Maule earthquake slip correlates with pre-seismic locking of Andean subduction zone. Nature 467, 198-202 (2010).
2. Tichelaar, B. W. & Ruff, L. J. Depth of seismic coupling along subduction zones. Geophys. Res. 98, B2, 2017-2037 (1993).
3. Hamling, I. J. et al. Complex multifault rupture during the 2016 Mw 7.8 Kaikōura earthquake, New Zealand. Science 356, eaam7194, doi:10.1126/science.aam7194 (2017).
4. Cesca, S., Zhang, Z., Mouslopoulou, V., Wang, R., Saul, J., Savage, M., Heimann, S., Kufner, S-K, Oncken, O., Dahm, T. Complex rupture process of the Mw 7.8, 2016, Kaikōura earthquake, New Zealand, and its aftershock sequence. Earth Planet. Sci. Lett. 478, 110-120 (2017).
5. Wallace, L.M., Barnes, P., Beavan, R.J., Van Dissen, R.J., Litchfield, N.J., Mountjoy, J., Langridge, R.M., Lamarche, G., Pondard, N. The kinematics of a transition from subduction to strike-slip: An example from the central New Zealand plate-boundary. Geophys. Res. 117, B02405 (2012).
6. Mouslopoulou, V., Saltogianni, V., Nicol, A., Oncken, O., Begg, J., Babeyko, A., Cesca, S., Moreno, M. Breaking a subduction-termination from top-to-bottom: the 2016 Kaikōura earthquake, New Zealand. Earth Planet. Sci. Lett. 506, 221-230 (2019).