Seismic Source characteristics that shape the Seismic Hazard Assessment in Greece

Abstract

The aim of this thesis was to study earthquake source processes through multiple research perspectives, using a diverse set of tools from seismology, adopting well-established approaches, such as kinematic finite-fault modeling, exploring their applications in seismic hazard analysis, and evaluate practical applications like in earthquake early warning systems. The examined case studies include the rupture process of the three strongest events of the 2021 Tyrnavos Central Greece sequence (Mw: 6.3, 6.0 and 5.5), and the mainshock of the 2022 Florina Northwestern Greece sequence (Mw 5.4).For the 2021 Tyrnavos sequence, the moment tensors indicated normal faulting along distinct but adjacent southeast–northwest-trending faults, suggesting a sequential fault activation. The modeling suggested that three subparallel (∼300°), low-angle (~30°) detachment-type fault structures were responsible for the earthquakes. The dip angles of all structures were relatively small, lower than what is typically expected for normal faulting. Stress inversion indicated a ∼25° clockwise rotation of the local extensional axis relative to the regional ∼north-south extension, possibly reflecting activation of older structures oblique to the contemporary stress field. On 12 March, the Mw 5.5 event activated southwest-dipping fault antithetic to the structures of 3 and 4 March events. For the 2022 Florina mainshock, modeling showed rupture along a blind normal fault at 10–17 km depth (hypocenter at 14 km), striking N20°E and dipping 37° to the east. These previously unrecognized ruptures were incorporated into a seismic hazard framework. A probabilistic approach was applied to Florina, assessing the sensitivity of seismic hazard levels to the slip rate of the fault. For Tyrnavos, a deterministic analysis was performed due to the multiple unknown, potentially interdependent slip rates of the rupture segments. In Florina, hazard levels aligned with the latest European Seismic Model, with only modest increases unless an unusually high slip rate was assumed. In Tyrnavos, a deterministic scenario involving simultaneous rupture of the three structures highlighted minimal increases in peak ground acceleration (PGA) despite the larger cumulative moment release, likely due to PGA saturation effects. The feasibility of a hypothesized early warning system was examined for the Greek region by developing a tool and adopting a zero-latency system, regionally applicable ground motion models and the theoretical Brune-type circular crack model. Warning timelines were provided, as for example a warning time of the order of 10 s was estimated for the site of Acropolis from earthquakes in the eastern Gulf of Corinth and warning times of >20 s for the site of the Rio-Antirrio Bridge for large earthquakes in the Ionian Sea Islands. Warning times depended on the adopted scaling relationship between source duration and magnitude. This motivated a data-driven investigation using global datasets of source durations and centroid time-delays, the latter serving as a robust proxy for source duration. The analysis revealed a linear relationship between magnitude and the logarithm of source duration, with no clear dependence on focal mechanism but a distinct dependence on focal depth, indicating that deeper earthquakes release energy more rapidly.

Ο στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η μελέτη των διεργασιών της σεισμικής πηγής μέσω πολλαπλών ερευνητικών προσεγγίσεων και η αξιοποίηση ενός συνόλου σεισμολογικών εργαλείων, όπως η προσομοίωση της σεισμικής πηγής με κινηματικά μοντέλα, καθώς και η διερεύνηση των εφαρμογών τους στη σεισμική επικινδυνότητα και τα συστήματα έγκαιρης ειδοποίησης σεισμών. Συγκεκριμένα, εξετάστηκαν οι διεργασίες της σεισμικής πηγής για τους ισχυρότερους σεισμούς της ακολουθίας του Τυρνάβου (Θεσσαλίας) το 2021 στην Κεντρική Ελλάδα (Mw: 6.3, 6.0 and 5.5), καθώς και για τον κύριο σεισμό της ακολουθίας της Φλώρινας στη Βορειοδυτική Ελλάδα το 2022 (Mw 5.4). Για την σεισμική ακολουθία Τυρνάβου το 2021, η αντιστροφή του τανυστή της σεισμικής ροπής ανέδειξε κανονική διάρρηξη κατά μήκος διακριτών αλλά γειτονικών ρηγμάτων με διεύθυνση νοτιοανατολική–βορειοδυτική, καταδεικνύοντας διαδοχική ενεργοποίηση ρηγμάτων. Τρία σχεδόν παράλληλα ρήγματα (παράταξη ~300°) με μικρές κλίσεις (~30°), μικρότερες από αυτές που συνήθως αναμένονται στα κανονικά ρήγματα, φαίνεται να ενεργοποιήθηκαν και να οδήγησαν στην γένεση της ακολουθίας. Η αντιστροφή του πεδίου τάσης έδειξε ότι ο άξονας μέγιστου εφελκυσμού σχηματίζει γωνία περίπου 25° δεξιόστροφα προσανατολισμένος σε σχέση με τη Β-Ν διεύθυνση του άξονα εφελκυσμού της περιοχής, αντανακλώντας την πιθανή ενεργοποίηση παλαιότερων δομών κεκλιμένων ως προς το σύγχρονο πεδίο τάσεων. Στις 12 Μαρτίου, ο σεισμός Mw 5.5 ενεργοποίησε αντιθετικό ρήγμα (σε σχέση με αυτά των 3 και 4 Μαρτίου) με κλίση προς τα νοτιοδυτικά. Για τον κύριο σεισμό της Φλώρινας το 2022, η προσομοίωση ανέδειξε διάρρηξη σε τυφλό κανονικό ρήγμα, που εκτείνεται σε βάθη 10–17 km (εστία στα 14 km), με διεύθυνση N20°E και κλίση 37° προς τα ανατολικά. Αυτά τα ρήγματα, που ήταν προηγουμένως άγνωστα, ενσωματώθηκαν σε ένα μοντέλο εκτίμησης της σεισμικής επικινδυνότητας. Για την εφαρμογή στην περιοχή της Φλώρινας, εφαρμόστηκε πιθανολογική προσέγγιση, αξιολογώντας την ευαισθησία των εκτιμήσεων της σεισμικής επικινδυνότητας στον ρυθμό ολίσθησης του ρήγματος. Αντίθετα για την περιοχή της Θεσσαλίας, ακολουθήθηκε αιτιοκρατική ανάλυση, λόγω των πολλαπλών αγνώστων και δυνητικά αλληλεξαρτώμενων ρυθμών ολίσθησης των επιμέρους ρηγμάτων. Τα επίπεδα επικινδυνότητας στη Φλώρινα σε γενικές γραμμές συμφωνούν με το Ευρωπαϊκό Μοντέλο Σεισμικής Επικινδυνότητας (ESHM20). Στον Τύρναβο, το αιτιοκρατικό σενάριο με ταυτόχρονη διάρρηξη και των τριών δομών έδειξε ελάχιστες αυξήσεις στη μέγιστη εδαφική επιτάχυνση (PGA), παρά την υψηλότερη συνολικά απελευθερωμένη ροπή, πιθανώς λόγω του φαινομένου κορεσμού της PGA.Επιπλέον, εξετάστηκε η δυνατότητα εφαρμογής ενός υποθετικού συστήματος έγκαιρης προειδοποίησης για την Ελλάδα, που αξιοποιεί το θεωρητικό μοντέλο κυκλικής διάρρηξης (τύπου Brune) και σχέσεις απόσβεσης της ισχυρής σεισμικής κίνησης, κατάλληλες για την περιοχή. Εφαρμόστηκε αυτοματοποιημένα σε επιλεγμένες περιοχές, και διαπιστώθηκε η δυνατότητα επίτευξης χρονικών παραθύρων ειδοποίησης 10 δευτερόλεπτα για την Ακρόπολη από σεισμούς στον ανατολικό Κορινθιακό Κόλπο και >20 δευτερόλεπτα για τη Γέφυρα Ρίου-Αντιρρίου από σεισμούς στα Ιόνια Νησιά. Τα χρονικά παράθυρα εξαρτώνται από το ρυθμό απελευθέρωσης σεισμικής πηγής με το χρόνο.Ανάλυση παγκόσμιων δεδομένων κατέδειξε γραμμική σχέση μεταξύ μεγέθους και του λογαρίθμου της διάρκειας πηγής, χωρίς εξάρτηση από τον μηχανισμό γένεσης, αλλά με σαφή εξάρτηση από το βάθος διάρρηξης, δείχνοντας ότι βαθύτεροι σεισμοί απελευθερώνουν ροπή ταχύτερα. Στην Ελλάδα, δεν φάνηκε σαφής τοπική εξάρτηση για μικρότερα μεγέθη σεισμών.