Πρώτη καταγραφή Σιωπηλών Σεισμών στη Μεσόγειο και η σύνδεσή τους με τον ισχυρό (Μw 6.9) Σεισμό της Ζακύνθου το 2018

Οι μεγαλύτεροι (Μ>7.5) σεισμοί στη Γη συμβαίνουν κατά μήκος ενεργών ζωνών υποβύθισης (subduction zones), δηλαδή εκεί που οι τεκτονικές πλάκες της Γης βυθίζονται η μία κάτω από την άλλη (Σχήμα 1). Στις περιοχές αυτές οι πλάκες ολισθαίνουν και τρίβονται αναμεταξύ τους, με αποτέλεσμα ισχυρές τάσεις να συσσωρεύονται στο σημείο διεπαφής τους. Όταν οι τάσεις αυτές υπερβούν την αντοχή των πετρωμάτων τότε προκαλείται θραύση, δηλαδή σεισμός, με τις δύο πλάκες να ολισθαίνουν πολλά μέτρα η μία σε σχέση με την άλλη, συνήθως μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα. Αμέσως μετά την απελευθέρωση της σεισμικής ενέργειας, ξεκινά ένας νέος κύκλος συσσώρευσης τάσεων στην διεπαφή των πλακών που θα οδηγήσει αργότερα σε έναν νέο σεισμό. Ο αέναος αυτός κύκλος συσσώρευσης και απελευθέρωσης (ελαστικής) ενέργειας ονομάζεται σεισμικός κύκλος και διαρκεί συνήθως από δεκάδες έως χιλιάδες χρόνια. Η διαδικασία αυτή αποτελεί τη Θεωρία της Ελαστικής Ανάδρασης (Σχήμα 2a) (Reid’s Elastic Rebound Τheory) και διατυπώθηκε από τον Reid μετά τον ισχυρό σεισμό (Μ_w7.9 ) του Σαν Φρανσίσκο το 1906.

Σχήμα 1. Το εξωτερικό κέλυφος του πλανήτη μας αποτελείται από τεκτονικές πλάκες που ολισθαίνουν η μία σε σχέση με την άλλη κατά μήκος ενεργών ζωνών υποβύθισης (μαύρες γραμμές με δοντάκια). Τα πράσινα βέλη (και οι αριθμοί) δείχνουν την απόλυτη ταχύτητα των πλακών. Οι μεγα-σεισμοί συμβαίνουν στα όρια δύο πλακών. Η περιοχής της ελληνικής ζώνης υποβύθισης υποδεικνύεται με το κόκκινο παραλληλόγραμμο (τροποποιημένο σχήμα από Schellart et al., 2011).

Σήμερα, οι παραμορφώσεις του φλοιού της Γης καταγράφονται πλέον με ακρίβεια χιλιοστού μέσω γεωδαιτικών μετρήσεων (Global Navigation Satellite System – GNSS). Τα τελευταία 20 περίπου χρόνια, η τεχνολογική επανάσταση μετρήσεων GNSS οδήγησε στην ανακάλυψη μίας πιο σύνθετης πτυχής του σεισμικού κύκλου, τα παροδικά επεισόδια αργής ολίσθησης (Slow Slip Events, SSEs) (Σχήμα 2α). Τα επεισόδια αυτά συμβαίνουν όταν η διεπαφή των τεκτονικών πλακών ολισθαίνει, όπως και σε έναν τυπικό σεισμό, αλλά με ταχύτητες μικρότερες από αυτές που απαιτούνται για την παραγωγή σεισμικής ενέργειας (Heki et al., 1997) – γι’ αυτό και ονομάζονται σιωπηλοί σεισμοί (silent earthquakes). Η διάρκεια των σιωπηλών σεισμών κυμαίνεται από λίγες ημέρες έως χρόνια και η ενέργεια που εκλύεται είναι συνήθως ισοδύναμη με σεισμό μεγέθους Μ_w 6-7.5. Επεισόδια αργής ασεισμικής ολίσθησης έχουν πλέον παρατηρηθεί σε πολλές ζώνες υποβύθισης ανά τον κόσμο, σε διάφορα στάδια του σεισμικού κύκλου, και συνήθως συνδέονται με αλλαγές στις μηχανικές ιδιότητες των πετρωμάτων σε διάφορα βάθη της διεπαφής των πλακών (Σχήμα 2b) (Bürgmann, 2018). Οι σιωπηλοί σεισμοί παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον αφού οι επιστήμονες έχουν διαπιστώσει ότι, κάποιοι από αυτούς, έχουν την ικανότητα να ανακατανείμουν τις τάσεις που φιλοξενούνται στα περιβάλλοντα πετρώματα, με αποτέλεσμα την πρόκληση μεγάλων (M>6) καταστροφικών σεισμών. Ωστόσο, παρά την πρόοδο που έχει σημειωθεί τα τελευταία χρόνια στην καταγραφή και ανάλυση σιωπηλών σεισμών παγκοσμίως, ο ρόλος τους στη γένεση μεγασεισμών κατά τη διάρκεια του σεισμικού κύκλου απαιτεί καλύτερη κατανόηση αφού είναι ζωτικής σημασίας για τον προσδιορισμό της σεισμικής επικινδυνότητας μιας περιοχής.

Σχήμα 2. Σεισμικές και ασεισμικές διεργασίες κατά μήκος μίας ζώνης υποβύθισης. (a) Ο κύκλος της συσσώρευσης παραμόρφωσης (interseismic strain) και της απευλευθέρωσής της σε μορφή σεισμικής ενέργειας (coseismic strain), είναι πλέον γνωστό ότι περιλαμβάνει και σιωπηλούς σεισμούς (slow EQs) (τροποποιημένο σχήμα από (Oncken, 2018). (b) Σχηματική απεικόνιση των κινηματικών χαρακτηριστικών μίας ζώνης υποβύθισης. Η σεισμογενής ζώνη (κόκκινη σκίαση) ολισθαίνει απότομα κατά τη διάρκεια σεισμών μεγάλου μεγέθους, ενώ τα όρια της προς τα πάνω και προς κάτω ολισθαίνουν με παροδικά ασεισμικά επεισόδια (πράσινη σκίαση) (τροποποιημένο σχήμα από Schwartz & Rokosky, 2007).

Στην ελληνική ζώνη υποβύθισης, κατά μήκος της οποίας η Αφρικανική πλάκα βυθίζεται κάτω από την Ευρασιατική (Σχήμα 4a, ένθετο), μέχρι πρόσφατα δεν είχε καταγραφεί σιωπηλός σεισμός. Αυτό, ωστόσο, άλλαξε όταν διεθνής ομάδα Ελλήνων και Γερμανών ερευνητών, με επικεφαλής την Ερευνήτρια του Γεωδυναμικού Ινστιτούτου του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών Δρ. Βασιλική Μουσλοπούλου, κατέγραψε έντονη τεκτονική αναταραχή διάρκειας περίπου 4 ετών να έχει προηγηθεί του ισχυρού σεισμού (Μw 6.9) της Ζακύνθου (Mouslopoulou et al., 2020). Συγκεκριμένα, μέσω ανάλυσης γεωλογικών, σεισμολογικών και γεωδαιτικών δεδομένων, οι ερευνητές κατέγραψαν διαδοχικά κι εναλλασσόμενα επεισόδια σιωπηλών σεισμών και σμηνοσεισμών (μικροσεισμών) κάτω από τη Ζάκυνθο και ΒΔ Πελοπόννησο, εκεί που η «ραφή» των πλακών βρίσκεται στα 15 με 40 χλμ βάθος (είναι κεκλιμένη) και η άνω-πλάκα φιλοξενεί ένα πολύπλοκο σύστημα ενεργών ρηγμάτων (Σχήμα 3). Τα επεισόδια αυτά (σεισμικά και ασεισμικά) ήταν το αποτέλεσμα αλληλεπίδρασης ρηγμάτων μεταξύ της υποβυθιζόμενης και της άνω-πλάκας (Σχήμα 3) (Mouslopoulou et al., 2020).

Αναλυτικά, κατεγράφησαν δύο επεισόδια ασεισμικής παραμόρφωσης (slow slip events), το καθένα με διάρκεια περίπου 5 μηνών (Σχήμα 4b & 4c). Ο πρώτος σιωπηλός σεισμός ξεκίνησε τον Σεπτέμβριο του 2014 και έληξε τον Μάρτιο του 2015 (Σχήμα 4c) προκαλώντας σημαντική πτώση της σεισμικής τιμής ‘b’ στην περιοχή (Mouslopoulou et al., 2020), γεγονός που υποδηλώνει ανάπτυξη ισχυρών τεκτονικών τάσεων μέσα στο φλοιό της Γης. Πράγματι, ο πρώτος σιωπηλός σεισμός σηματοδότησε την έναρξη μιας περιόδου έντονης μικροσεισμικότητας λίγα χιλιόμετρα (<15) κάτω από την ΒΔ Πελοπόννησο/Ζάκυνθο (Σχήμα 4d). Το δεύτερο επεισόδιο ασεισμικής ολίσθησης ξεκίνησε πέντε μήνες πριν τον ισχυρό σεισμό του Οκτωβρίου 2018 στη Ζάκυνθο, και διήρκησε μέχρι την ημέρα του σεισμού (Σχήματα 4c). Και τα δύο αυτά ασεισμικά επεισόδια περιλάμβαναν δύο διαδοχικές φάσεις επιτάχυνσης (διάρκειας ∼2-3 μηνών η καθεμία), πρώτα προς το εσωτερικό της Ευρωπαϊκής Πλάκας, δηλαδή προς την ‘Ανατολή’ και, κατόπιν, στροφή 180° και επιτάχυνση προς τη ζώνη υποβύθισης, δηλαδή προς την ‘Δύση’ (Σχήμα 4b & 4c). Οι κινήσεις προς την Δύση δηλώνουν σιωπηλούς σεισμούς βάθους (Σχήμα 4b) – αυτά είναι τα πρώτα επεισόδια αργής ασεισμικής ολίσθησης (SSEs) που παρατηρούνται εντός της Ελληνικής ζώνης υποβύθισης (Mouslopoulou et al., 2020) – αλλά και τα πρώτα που καταγράφονται στην περιοχή της Μεσογείου. Ο σεισμός που ακολούθησε στις 25 Οκτωβρίου 2018 κοντά στη Ζάκυνθο, είχε εστιακό βάθος περίπου 15 χιλιομέτρων και ο μηχανισμός έδειξε ταυτόχρονη θραύση σε τουλάχιστον δύο διαφορετικά ρήγματα της άνω-πλάκας (Mouslopoulou et al., 2020). Είναι επίσης αξιοσημείωτο ότι τα ρήγματα που ενεργοποιήθηκαν πριν και μετά τον ισχυρό σεισμό της Ζακύνθου, είχαν διαφορετική κινηματική, γεγονός που υποδηλώνει αναστροφή των τάσεων μέσα στο φλοιό της Γης (Σχήμα 3) (βλ. παρακάτω).

Σχήμα 3. Τρισδιάστατο σχήμα που αναπαριστά την βυθιζόμενη πλάκα και την κατανομή κάτω από τη ΒΔ Πελοπόννησο και Ζάκυνθο της σεισμικής και ασεισμικής παραμόρφωσης κατά την διάρκεια των 4 ετών πριν τον ισχυρό σεισμό (Μ 6.9) της Ζακύνθου. Τα διαφορετικά ρήγματα απεικονίζονται με διαφορετικά χρώματα (κόκκινο: ανάστροφο, πράσινο: οριζόντιας ολίσθησης, μπλε: κανονικό). (σχήμα από Mouslopoulou et al., 2020).

Σε έρευνα που ακολούθησε, η ίδια ομάδα, με επικεφαλής την ερευνήτρια του Εθνικού Κέντρου Επιστημών της Γερμανίας (GFZ-Potsdam) Δρ. Βασιλική Σαλτογιάννη, προσπάθησε να προσδιορίσει το μέγεθος και την κατανομή αυτών των σιωπηλών σεισμών μέσα στον φλοιό της Γης. Προσομοίωση γεωδαιτικών δεδομένων έδειξε ότι οι σιωπηλοί σεισμοί έλαβαν χώρα πάνω στην «ραφή» των δύο τεκτονικών πλακών, σε βάθη που κυμαίνονται μεταξύ 15 και 40 χλμ (κάτω από τη Ζάκυνθο και δυτική Πελοπόννησο, αντίστοιχα) (Σχήμα 5), ενώ η συνολική ενέργεια που εκκλήθηκε από κάθε ασεισμικό επεισόδιο, σε διάστημα περίπου 5 μηνών, ισοδυναμούσε με σεισμούς μεγέθους Μ_w 6.4 (Saltogianni et al., 2021). Περαιτέρω ανάλυση σεισμολογικών, γεωδαιτικών και γεωλογικών δεδομένων έδειξε ότι ο πρώτος σιωπηλός σεισμός (2014-2015), προκάλεσε ήπιες (≤3 kPa) μεταβολές τάσεων στη ΒΔ Πελοπόννησο οι οποίες, ωστόσο, ήταν ικανές να αποσταθεροποιήσουν (και ενεργοποιήσουν) ρήγματα στην υπερκείμενη άνω-πλάκα (Σχήμα 6a & 6b). Αντίθετα, ο δεύτερος σιωπηλός σεισμός, που έλαβε χώρα λίγους μήνες πριν το σεισμό της Ζακύνθου, προκάλεσε πολύ έντονες μεταβολές τάσεων (έως και 25 kPa) στην ευρύτερη περιοχή της Ζακύνθου (Σχήμα 6c & 6d), ικανές να προκαλέσουν τον σεισμό μεγέθους Μw 6.9 που ακολούθησε αμέσως μετά. Συμπερασματικά, η ανάλυση των Saltogianni et al. (2021) επιβεβαιώνει ότι τα δύο ασεισμικά επεισόδια που προηγήθηκαν του σεισμού της Ζακύνθου το 2018 έπαιξαν καθοριστικό ρόλο στην έναρξη της τεκτονικής αναταραχής που τελικά πυροδότησε τον ισχυρό αυτό σεισμό.

Σχήμα 4. Σύνοψη της τετραετούς περιόδου τεκτονικής αναταραχής πριν τον ισχυρό σεισμό στη Ζάκυνθο. (a) Μηχανισμοί γένεσης σεισμών μεγέθους M>4 που σημειώθηκαν τα 4 χρόνια πριν τον σεισμό του 2018 (μεγάλος πράσινος κύκλος) (τα χρώματα των ρηγμάτων όπως στο Σχήμα 3). Η σεισμικότητα συμβολίζεται με γκρί κουκκίδες (M≥2). Οι ισοβαθείς της διεπαφής των πλακών απεικονίζονται με γκρι διακεκομμένες γραμμές. Ένθετο: Η περιοχή μελέτης βρίσκεται στη δυτική απόληξη της Ελληνικής ζώνης υποβύθισης. (b) Συνολικές επιφανειακές μετατοπίσεις για τους σιωπηλούς σεισμούς των περιόδων 2014-2015 και 2018. (c) Χρονική διακύμανση των ημερήσιων ταχυτήτων κατά μήκος της ανατολικής συνιστώσας των σταθμών GNSS από τον Νότο προς τον Βορρά. (d) Ιστογράμματα του αριθμού σεισμών ως συνάρτηση του χρόνου εντός των περιοχών d1-d3 όπως αυτές ορίζονται στο (a). Το κόκκινο αστέρι στα (c) και (d) σηματοδοτεί τη χρονική στιγμή του σεισμού της Ζακύνθου. (σχήμα από Saltogianni et al., 2021).

Συνεπώς, η παραπάνω μελέτη δείχνει ότι ακόμα και ασθενείς ασεισμικές ολισθήσεις (≤10 χιλιοστά) στην επιφάνεια μιας υποβυθιζόμενης πλάκας είναι ικανές να ανακατανείμουν τις τάσεις έτσι ώστε να προκληθούν σεισμοί μεγάλου μεγέθους (M > 6) στην άνω-πλάκα, όπως αυτός που καταγράφηκε στη Ζάκυνθο αμέσως μετά τον σιωπηλό σεισμό του 2018. Τα αποτελέσματα αυτά είναι σε συμφωνία, και ενισχύονται, από ευρήματα προσομοιώσεων τεκτονικών τάσεων στο πρίσμα προσαύξησης (accretionary wedge) που δείχνουν ότι η Ελληνική ζώνη υποβύθισης αποτελεί μηχανικά ένα πολύ εύθραυστο σύστημα, όπου μικρές αλλαγές στις ιδιότητες των υλικών των πετρωμάτων (όπως η τριβή, η διαπερατότητα, κ.α.) είναι ικανές να αντιστρέψουν το υπάρχων καθεστώς τάσεων, και να οδηγήσουν στην ενεργοποίηση ρηγμάτων εντελώς διαφορετικής κινηματικής πριν και μετά από έναν μεγάλο σεισμό (Saltogianni et al., 2021). Με μεγάλο ενδιαφέρον οι επιστήμονες είδαν τον σεισμό της Ζακύνθου να επιβεβαιώνει και αυτά τα χαρακτηριστικά.

Τώρα που οι πρώτοι σιωπηλοί σεισμοί στην Ελληνική ζώνη υποβύθισης κατεγράφησαν (Mouslopoulou et al., 2020) και η γενετική σχέση τους με τον ισχυρό σεισμό της Ζακύνθου επιβεβαιώθηκε (Saltogianni et al., 2021), η ανάγκη συστηματικής παρακολούθησης του ελλαδικού χώρου για παρόμοια γεγονότα ασεισμικής ολίσθησης είναι επιβεβλημένη αφού αυτά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως πιθανά πρόδρομα φαινόμενα ισχυρού σεισμού.

Σχήμα 5. Χωρική κατανομή των σιωπηλών σεισμών κατά μήκος της διεπaφής των πλακών για την περίοδο 2014-2015 (a) και 2018 (b). Οι χρωματιστοί κύκλοι δείχνουν την μικροσεισμικότητα κατά τη διάρκεια των δύο ασεισμικών επεισοδίων, ενώ τα κόκκινα αστέρια υποδηλώνουν, αντίστοιχα, τον σεισμό της Ζακύνθου και τους δύο (M>5) σεισμούς δυτικά της ΝΔ Πελοποννήσου το 2018. (σχήμα από Saltogianni et al., 2021).

Σχήμα 6. Μεταβολές τάσεων αστοχίας Coulomb (ΔCFS) στον ανώτερο φλοιό (10-15 km) λόγω των σιωπηλών σεισμών. Οι κόκκινες περιοχές υποδηλώνουν περιοχές στις οποίες οι τάσεις έχουν αυξηθεί εξαιτίας ασεισμικών επεισοδίων. (a και b) ΔCFS σε βάθος 10 km προσαρμοσμένες σε (a) ένα ΒΔ-ΝΑ αριστερόστροφο και (b) ένα ΒΑ-ΝΔ δεξιόστροφο ρήγμα οριζόντιας ολίσθησης. (c και d) ΔCFS σε βάθος (c) 14 km και (d) 15 km προσαρμοσμένες στον μηχανισμό γένεσης του σεισμού της Ζακύνθου. Δείτε τη σημαντική αύξηση (έως και 25 kPa) στην περιοχή που έμελλε να γίνει ο σεισμός της Ζακύνθου. Οι ανοιχτοί κύκλοι υποδεικνύουν μετασεισμούς κατά τις πρώτες 5 ημέρες μετά τον κύριο σεισμό της Ζακύνθου (το επίκεντρο του οποίου συμβολίζεται με γκρίζο αστέρι στα a και b). (σχήμα από Saltogianni et al., 2021).

Βιβλιογραφικές αναφορές

Mouslopoulou, V., Bocchini, G. M., Cesca, S., Saltogianni, V., Bedford, J., Petersen, G., Gianniou, M., & Oncken, O. (2020). Earthquake Swarms, Slow Slip and Fault Interactions at the Western-End of the Hellenic Subduction System Precede the Mw 6.9 Zakynthos Earthquake, Greece. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 21(12), e2020GC009243. https://doi.org/10.1029/2020GC009243

Saltogianni, V., Mouslopoulou, V., Dielforder, A., Bocchini, G. M., Bedford, J., & Oncken, O. (2021). Slow Slip Triggers the 2018 Mw 6.9 Zakynthos Earthquake Within the Weakly Locked Hellenic Subduction System, Greece. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 22(11), e2021GC010090. https://doi.org/10.1029/2021GC010090

Βιβλιογραφία

Bürgmann, R. (2018). The geophysics, geology and mechanics of slow fault slip. Earth and Planetary Science Letters, 495, 112–134. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2018.04.062

Heki, K., Miyazaki, S., & Tsuji, H. (1997). Silent fault slip following an interplate thrust earthquake at the Japan Trench. Nature, 386(6625), 595–598. https://doi.org/10.1038/386595a0

Oncken, O. (2018). Forearc deformation across time scales—A tale of fluids, locking and transients. 19th General Assembly of WEGENER 2018, Grenoble, France.

Schellart, W. P., Stegman, D. R., Farrington, R. J., & Moresi, L. (2011). Influence of lateral slab edge distance on plate velocity, trench velocity, and subduction partitioning. Journal of Geophysical Research: Solid
Earth, 116(B10). https://doi.org/10.1029/2011JB008535

Schwartz, S. Y., & Rokosky, J. M. (2007). Slow slip events and seismic tremor at circum-Pacific subduction zones. Reviews of Geophysics, 45(3). https://doi.org/10.1029/2006RG000208

Σχετικά Βίντεο

Σιωπηλός σεισμός 2014-2015

Σιωπηλός σεισμός 2018