Συμβολή στη μελέτη της ενεργού τεκτονικής και της δομής του ηφαιστειακού κέντρου της Σαντορίνης με δεδομένα τοπικού δικτύου ψηφιακών σεισμογράφων

Abstract

The volcanic center of Santorini Island is one of the most active volcanoes of the southern Aegean volcanic arc. Α dense seismic array consisting of fourteen portable broadband seismological stations has been deployed in order to monitor and study the seismic activity at the Santorini volcanic center between March - September 2003. During this period 243 earthquakes were recorded, with focal depths until 15 km and moment magnitude until 3.6. A double-difference relocation technique was used, in order to obtain optimal focal parameters for the best-constrained earthquakes. The results indicate that the seismic activity of the Santorini volcanic center is strongly associated with the tectonic regime of the broader area as well as with the volcanic processes. The main seismicity is located near the north-eastern edge of the Santorini Island, beneath the submarine volcano of Coloumbo. In contrast, the main caldera of the Santorini volcano is characterized by the almost complete absence of seismicity. The intense activity at Coloumbo is confirmed by recent marine surveys which show a high-temperature (fluid temperatures > 200o) intense hydrothermal activity, in comparison to the corresponding low-level activity of the Santorini caldera (fluid temperatures ~ 15-20o). The high-resolution hypocentral relocations present a clear view of the volcanic submarine structure at the Coloumbo Reef, showing that the main seismic activity is located within a very narrow vertical column at depths between 6 and 9 km. The focal mechanisms of the best-located events show that the cluster at the Coloumbo Reef is associated with the “Kameni - Coloumbo Fracture Zone” (NE - SW direction), which corresponds to the western termination of the major ENE-WSW Santorini - Amorgos Fault Zone, while a ~300 rotation of the local stress field is observed with respect to the NNW-SSE regional extension field of the southern Aegean Sea. The P and S wave velocity structure of the Santorini - Coloumbo volcanic center is studied by the inversion of travel-times of local earthquakes recorded by two separate dense seismic arrays installed in the broader area of Santorini Islands during the period 2002 - 2005. The inversion technique applied is non-linear, since three-dimensional ray tracing is incorporated. The applicability of the inversion method used is demonstrated through synthetic tests. This study confirms the strong variations of the P and S wave velocity structure in the area of Santorini - Coloumbo volcanic center, as well as the strong connection between the tectonic regime of the area under study with the magmatic processes taking place beneath the two volcanoes. The tomographic results show that a low-velocity zone is extended at the north-eastern edge of the Santorini Island parallel to the “Kameni - Coloumbo Fracture Zone” (NE - SW direction). Hence, it is probable that this tectonic alignment is used as a volcanic fracture zone which connects the volcanic center of Kameni with the submarine volcano at Coloumbo Reef.

Κατά το διάστημα Μαρτίου - Σεπτεμβρίου 2003 καταγράφηκαν 243 τοπικοί σεισμοί ηφαίστειο-τεκτονικής προέλευσης από το προσωρινό σεισμολογικό δίκτυο των 14 ψηφιακών σεισμογράφων που είχε εγκατασταθεί στο ηφαιστειακό κέντρο της Σαντορίνης. Από αυτούς οι 159 καλύτερα προσδιορισμένοι σεισμοί είχαν εστιακά βάθη μέχρι 15 km και μεγέθη σεισμικής ροπής μέχρι Mw = 3,6. Η κύρια σεισμική δραστηριότητα λαμβάνει χώρα βορειοανατολικά της Σαντορίνης, στην περιοχή του υποθαλάσσιου ηφαιστείου του Κολούμπου, όπου παρατηρείται η κύρια συγκέντρωση των σεισμικών εστιών σε βάθη κυρίως μεταξύ 5 και 10 km. Ο επαναπροσδιορισμός των εστιακών παραμέτρων των σεισμών αυτών πραγματοποιήθηκε με την χρήση μιας τροποποίησης του προγράμματος HYPO-DD και παρουσίασε ότι η κύρια συγκέντρωση των σεισμικών εστιών περιορίστηκε σε βάθη μεταξύ 6 και 9 km, κάτω από τον ύφαλο του Κολούμπου. Πρόσφατες υποθαλάσσιες έρευνες στην ευρύτερη περιοχή αποκάλυψαν ένα εκτεταμένο υδροθερμικό πεδίο στον κρατήρα του Κολούμπου, όπου παρατηρήθηκε έντονη εκπομπή ηφαιστειακών αερίων με υψηλές θερμοκρασίες (~220?C). Αντίθετα, στην καλδέρα της Σαντορίνης παρατηρήθηκε χαμηλή υδροθερμική δραστηριότητα με θερμοκρασίες ~ 17?C. Η διαφορετική υδροθερμική δραστηριότητα που παρατηρείται μεταξύ των δύο ηφαιστειακών κέντρων είναι σε καλή συμφωνία με την έλλειψη σεισμικότητας που παρατηρείται στην καλδέρα της Σαντορίνης, σε σχέση με την έντονη σεισμικότητα που παρατηρείται κάτω από το υποθαλάσσιο ηφαίστειο του Κολούμπου. Οι λύσεις των καλύτερων μηχανισμών γένεσης των καλύτερα προσδιορισμένων σεισμών δείχνουν κατά κύριο λόγο κανονικά ρήγματα διεύθυνσης ΒΑ - ΝΔ, τα οποία προκαλούνται από ένα έντονο εφελκυστικό πεδίο διεύθυνσης ΒΔ - ΝΑ. Επιπρόσθετα, η εφαρμογή της μεθόδου της αντιστροφής του τανυστή τάσης χρησιμοποιώντας τόσο τα σεισμολογικά δεδομένα όσο και διαθέσιμα νεοτεκτονικά δεδομένα από τη βορειοανατολική πλευρά της Θήρας, επιβεβαίωσε την ύπαρξη ενός ενιαίου πεδίου τάσεων στην περιοχή, παρά τις τοπικές διαφοροποιήσεις που παρατηρούνται κατά μήκος της τεκτονικής ζώνης Σαντορίνης - Κολούμπου. Μια μεταβολή της παράταξης της τεκτονικής ζώνης Σαντορίνης - Αμοργού παρατηρείται στο νοτιοδυτικό άκρο της, στην περιοχή του Κολούμπου. Συγκεκριμένα, το τοπικό πεδίο των τάσεων φαίνεται να περιστρέφεται αριστερόστροφα κατά ~ 300 στην συγκεκριμένη περιοχή με αποτέλεσμα να δημιουργεί την Τεκτονική Γραμμή του Κολούμπου διεύθυνσης ΒΑ - ΝΔ, σε αντιδιαστολή με την τεκτονική ζώνη διάρρηξης Σαντορίνης - Αμοργού διεύθυνσης ΑΒΑ - ΔΝΔ. Τα αποτελέσματα της σεισμικής τομογραφίας έδειξαν την στενή σχέση μεταξύ των τεκτονικών και των ηφαιστειακών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στην υπό μελέτη περιοχή. Συγκεκριμένα, εντοπίστηκε μια ζώνη χαμηλών ταχυτήτων σε βάθη περίπου 5 - 7 km διεύθυνσης ΒΑ - ΝΔ, η οποία φαίνεται καθαρά να διαπερνά από το βορειοανατολικό τμήμα της Θήρας και μπορεί να ταυτιστεί με την τεκτονική ζώνη διάρρηξης διεύθυνσης ΒΑ - ΝΔ που υπάρχει στην ίδια περιοχή. Επίσης, παρατηρήθηκε στην περιοχή του ηφαιστείου του Κολούμπου μια αρνητική αντίθεση ταχυτήτων περίπου στα 5 km, η οποία πιθανότατα να αντιπροσωπεύει το μαγματικό θάλαμο. Τέλος, τα τομογραφικά αποτελέσματα έδειξαν καθαρά τη μεγάλη αντίθεση που παρατηρείται στα επιφανειακά στρώματα μεταξύ του κρυσταλλοσχιστώδους υπόβαθρου στον Προφήτη Ηλία με τα ηφαιστειακά πετρώματα της Νέας και Παλαιάς Καμένης (χαμηλές ταχύτητες).