Προσομοίωση τρισδιάστατης δομής φλοιού και ανώτερου μανδύα ελλαδικού χώρου με σεισμική τομογραφία

Abstract

The present Doctoral Thesis deals with the simulation of the three-dimensional structure of the crust and the Upper Mantle in the Hellenic peninsula, using Passive Seismic Tomography. This technique reveals two or three-dimensional structures through a set of seismic observations in the study region. A dense ray distribution which intersects the study volume is used to detect the spatial anomalies in order to determine its size. Tomography is solved as an inverse problem. Seismic travel time data are compared to an initial Earth model and the model is modified until the best possible fit between the model predictions and observed data is found. Seismic waves would travel in straight lines if Earth was of uniform composition, but the compositional layering, tectonic structure and thermal variations reflect and refract seismic waves. The location and magnitude of these variations can be calculated by the inversion process, although solutions to tomographic inversions are non-unique.Seismic tomography can resolve anisotropy, anelasticity, density and bulk sound density. Variations in these parameters may be a result of thermal or chemical differences, which are attributed to processes such as mantle plumes, subducting slabs and mineral phase changes in regional scale or to tectonic faults, hydrocarbon deposits and magmatic chamber in a more local scale. More than 100,000 seismic events were located with HYPOINVERSE (Klein, 2000) for the time interval of 1996-2016. A seismological catalogue of well-defined parameters was composed through the construction of detailed 1-D layered velocity models, using the mean travel-time residuals and location uncertainties (RMS, ERH, ERZ) minimization method. The main aim of this work was to reduce the spatiotemporal residuals in order to highlight certain activated areas.In the next step, Regional and Local scale tomography was performed, using body-wave (P and S) travel-time data from the derived Earthquake Catalogue of the Seismological Laboratory of the National and Kapodistrian University of Athens (S.L-N.K.U.A), in order to investigate the respective scale of anomalies such as the Hellenic Trench (HT), Cephalonia-Lefkas Transform Fault Zone (CLTFZ) as well as volcanic features. The LOTOS-10 algorithm (Koulakov, 2009a) was applied in order to perform an iterative tomographic inversion for 3-D seismic Vp and Vs in the cases described above. A selection of travel-time data took place using specific criteria of spatiotemporal errors and geographic distribution to provide the greatest possible resolution. Checkerboard method (Humphreys and Clayton, 1988) was applied as indicator of the resolution and errors associated with the inversion in order to define the fidelity area. It becomes evident that 3-D models produce a more reliable earthquake catalogue, highlighting in this way past or present tectonic and volcanic processes in a large or smaller scale. This procedure is of significant importance since a reliable 3-D velocity model affects the focal mechanism solutions in the epicentral area, as shown by previous work.The obtained results revealed some major superficial anomalies throughout the Hellenic peninsula which were mainly related to the principal local stress orientation and fault zones as well as possible magmatic chambers which can be linked to the Plio-Quaternary Hellenic Volcanic Arc (e.g. Nisyros, Santorini, Methana).

Η παρούσα εργασία Διδακτορικής Διατριβής πραγματεύεται την προσομοίωση τρισδιάστατης Δομής Φλοιού και Ανώτερου Μανδύα Ελλαδικού χώρου με Σεισμική Τομογραφία. Η τεχνική της Σεισμικής Τομογραφίας απεικονίζει δισδιάστατες ή τρισδιάστατες δομές μέσα από ένα σύνολο παρατηρήσεων στην περιφέρεια ενός στοχοποιημένου γήινου όγκου. Μερικές ιδιότητες ενός πυκνού συνόλου ακτινών που διασταυρώνονται και αντιπροσωπεύουν αυτή τη δομή, χρησιμοποιούνται για τον εντοπισμό των χωρικών ανωμαλιών και προσδιορισμό του μεγέθους τους. Η Σεισμική Τομογραφία, κατά κύριο λόγο, αποτελεί ένα μη-γραμμικό πρόβλημα το οποίο μπορεί να υπερκεραστεί κατά κάποιον τρόπο, μέσω περιορισμών που τίθενται εκ των προτέρων, ώστε η δομή των ταχυτήτων (ή η αντίστοιχη τιμή της απόσβεσής της) να μπορεί να υπολογιστεί από αντιστροφή πινάκων ή μια προσέγγιση επ’ αυτού. Η χρήση της Παθητικής Σεισμικής Τομογραφίας εφαρμόζεται σε αρκετούς κλάδους των Γεωεπιστημών, με σκοπό τη βέλτιστη δυνατή τρισδιάστατη απεικόνιση του ανώτερου, κυρίως, Γήινου φλοιού και την εξαγωγή συμπερασμάτων επί της Γεωλογικής δομής της εκάστοτε περιοχής αλλά και των Γεωδυναμικών διεργασιών που συντελούνται σ’ αυτή. Στα πλαίσια αυτής έγινε εκτενής ανάλυση σεισμολογικών δεδομένων της περιόδου 1996-2007 και επανέλεγχος των κυματομορφών των τελευταίων ετών (2008-2016), περίοδος κατά την οποία λειτουργεί το Ενιαίο Εθνικό Δίκτυο Σεισμογράφων για βελτίωση, όπου απαιτείται, των αρχικά προσδιορισθέντων επικέντρων, με τη χρήση του αλγορίθμου HYPOINVERSE (Klein, 2000). Σκοπός αυτής της διαδικασίας είναι η συλλογή και αξιοποίηση δεδομένων φάσεων και κυματομορφών για τη σύνθεση τόσο μονοδιάστατων όσο και τρισδιάστατων προτύπων δομής ταχυτήτων. Η δημιουργία ενός σεισμολογικού καταλόγου με άρτια προσδιορισμένες παραμέτρους, συνέβαλλε στο πρώτο στάδιο της εργασίας όπου γίνεται αναπροσαρμογή του αρχικού μονοδιάστατου προτύπου στρωματοποιημένης δομής ανά περιοχή. Οι περιοχές που επελέγησαν κατά τη Μεταπτυχιακή Διατριβή Ειδίκευσης είναι κατηγοριοποιημένες βάσει των Σεισμοτεκτονικών χαρακτηριστικών τους ενώ η διαδικασία που έχει σχεδιαστεί περιλαμβάνει την αναπροσαρμογή ενός αρχικού μονοδιάστατου προτύπου ταχυτήτων, το οποίο έχει χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της σεισμικότητας στον Ελλαδικό χώρο, με αλγορίθμους αντιστροφής σεισμολογικών δεδομένων. Στόχος ήταν η μείωση των χρονικών υπολοίπων ανά σεισμό και η ανάδειξη νέων μονοδιάστατων προτύπων τα οποία επικουρούν στην καλύτερη κατανομή σεισμικών επικέντρων ώστε να αναδεικνύονται χαρακτηριστικές ρηξιγενείς δομές. Εκ των δεκάδων χιλιάδων σεισμών που έχουν σημειωθεί σε αυτό το χρονικό διάστημα, επιλέχθηκαν αυτοί που είναι άρτια προσδιορισμένοι και πληρούν τις προϋποθέσεις για την επεξεργασία τους με τον αλγόριθμο σεισμικής τομογραφίας για την παραγωγή τρισδιάστατων προτύπων δομής ταχυτήτων. Οι μέθοδοι προσέγγισης της αντιστροφής των σεισμολογικών δεδομένων ποικίλλουν καθώς αναλόγως με την κλίμακα της περιοχής που είναι επιθυμητό να αναδειχθεί η επιλογή γίνεται με διαφορετικά κριτήρια. Στην περίπτωση που χρειάζεται να προσεγγίσουμε την τρισδιάστατη δομή μιας ευρείας περιοχής, όπως είναι αυτή της Ανατολικής Μεσογείου, κρίνεται απαραίτητη η χρήση σεισμολογικών σταθμών σε μέσες έως μακρινές αποστάσεις ώστε να μπορούν να καμφθούν οι σεισμικές ακτίνες, ενώ στην αντίστοιχη περίπτωση όπου το ζητούμενο είναι η εύρεση δομών τοπικής κλίμακας είναι απαραίτητη η χρήση κοντινών σταθμών σεισμολογικών δικτύων, όπου χρησιμοποιούνται τοπικά μονοδιάστατα μοντέλα ταχυτήτων. Στην παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε Σεισμική Τομογραφία με τη χρήση του αλγόριθμου LOTOS (Koulakov, 2009a). Τα αποτελέσματα εξήχθησαν σε Περιφερειακή και Τοπική Κλίμακα, ενώ γίνεται αναφορά στα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα αυτής της μεθόδου. Ο έλεγχος αξιοπιστίας των τελικών προτύπων πραγματοποιήθηκε με τις συνθετικές δοκιμές σκακιέρας (Humphreys and Clayton, 1988). Γίνεται σαφές πως ένα τέτοιο πρότυπο δομής παράγει πιο αξιόπιστα υπόκεντρα και αποτυπώνει με τον βέλτιστο δυνατό τρόπο τις τεκτονικές και ηφαιστειακές διεργασίες που συντελούνται ή συντελέσθηκαν κατά το παρελθόν σε μεγάλη ή μικρή κλίμακα. Χαρακτηριστικό της σημασίας που παρέχει η γνώση των τρισδιάστατων δομών αποτελεί το γεγονός πως ακόμα και οι Μηχανισμοί Γένεσης των σεισμών, στην επικεντρική περιοχή, είναι ευαίσθητοι σε αυτή την υποθετική δομή ταχυτήτων, όπως έχει αποδειχθεί από προηγούμενες εργασίες. Κατά την παρούσα διατριβή, επετεύχθη η ανάδειξη τόσο ενός Γενικού προτύπου τρισδιάστατης δομής για τον Ελλαδικό χώρο, και ειδικότερα για τον χώρο του Αιγαίου, όπου γίνεται αντιληπτή η παρουσία τεκτονικών μεγαδομών που συντελούν σε παλαιότερες και σύγχρονες διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στην Ανατολική Μεσόγειο, όσο και επιμέρους υψηλής ανάλυσης τρισδιάστατα πρότυπα, σε επιλεγμένες περιοχές, με σημαντική καταγεγραμμένη σεισμικότητα συνδεόμενη με ρήγματα ή δραστηριοποίηση ηφαιστειακών δομών (π.χ. Νίσυρος, Σαντορίνη και Μέθανα).