Μελέτη τεκτονικής και ηφαιστειογενούς σεισμικότητας νήσου Σαντορίνης

Abstract

One of the most prominent tectonic features of the Eastern Mediterranean region is the Hellenic volcanic arc in the Southern Aegean Sea, with the Santorini area being one of the most active volcanic centers. During the periods June 2001-October 2001 and March 2003-August 2003, two local seismic arrays equipped with both short-period and broandband sensors were installed in the area (SANNET-2001 and SANNET-2003), in order to investigate the relation between seismic activity and hydrothermal-magmatic processes. For the best possible determination of hypocenters and of source parameters, a velocity model that consisted of five (5) seismic layers was calculated. The microseismic activity in the study area for the periods 2001 and 2003 was recorded in a very detailed way and 322 hypocenters were determined. The spatial distribution of epicenters in the first period of 2001, shows that the seismic activity is highly dispersed between the North East side of Santorini and Amorgos Island. In the case of the second period of 2003, the epicenters are much more concentrated and localized beneath the submarine Coloumbo volcano. This differnet activity pattern is mainly due to the occurrence of an earthquake sequence in the specific area, with the largest event being Md=4.0. Also a feature for both periods, is the low level of seismicity in the caldera of the volcanic complex of Santorini. From the cross sections in SW-NE, NW-SE and E-A directions it can be concluded that the seismic activity takes place mainly in the form of a vertical column, which is located beneath the volcano Coloumbo. This finding agrees with recent discoveries of high temperature hydrothermal activity in the Coloumbo area and low-temperature hydrothermal activity in the coldera of Santorini. The recording, identification and analysis of all kinds of signals in the volcanic region of Santorini was the main target of this thesis. For this purpose, initially it was applied spectral analysis of the seismic signals that were located earlier using the software SAC2000 and the fast Fourier transformation (FFT). According to their amplitude spectra, it is shown that the whole is volcanotectonic or high frequency signals. In order to discover and other types of volcanic signal and their particular characteristics, it was necessary to create spectrograms for all data using the software SAC2000. This method showed the existence of a non-harmonic volcanic tremor during 2001 in FINI station which was located north of Santorini station. The energy was concentrated in a wide range of frequencies (6.5-11.5Hz) and the spectrum has many individual peaks. ABSTRACT This tremor rarely was transformed into monochromatic tremor with one spectral peak in 9.8 Hz. During 2003, spectrograms revealed a harmonic volcanic tremor that was recorded in OIAX, INPI and less in SWIN station, which is mainly composed by isolated monochromatic signals of short duration. This tremor lasts a few seconds if it is shown as a single harmonic signal, or a few minutes in this case that is depicted as a sequence of 2-3 or more signals. The most predominant feature of this kind of tremor was the gradual increase of frequency content from 8.8Hz during March and April, to 9.4Hz in May and June and to 9.9Hz from July until the end of operation of SANNET-2003. Simultaneously with the creation of spectrograms for the period 2003 it was detected a second volcanic tremor. This tremor, which was recorded by stations SWIN, INPI and much less from BUTA, was a typical monochromatic signal with varying duration and one sharp peak around 2.6 Hz. Then it was created the daily distribution of volcanic tremor for the period of 2003. For the period of 2001 there was no point in creating the corresponding distribution, since the number of volcanic tremor were almost stable and very small (<2 signals) per day. In the case of tremor with the sharp peak at 2.6 Hz, the daily distribution was not reliable, because the station SWIN which was the main recording station was moved twice. In the case of volcanic tremor with the spectral peak between 9-10 Hz the time distribution can be devided into three periods according to their daily number. Initially and about the first month of network operation, it is observed o small number of signals and specifically less than 5 per day. In the second period which lasts two month and ends a few days before the beginning of the earthquake sequence NE of Santorini, the number of tremors increases and reaches an average value of 16 per day. Finally in the third period, the number of harmonic tremors is considerably reduced to almost zero. Based on the fact that both the distribution and the spectral peak of harmonic tremors changed before and after the onset of the earthquake sequence, creates a strong conviction that a relationship exists between these two phenomena. Then it was necessary to apply spectral analysis Sompi. This method can be applied to any kind of harmonic volcanic signal whose waveform decay over time in order to calculate complex frequencies (frequency f and quality factor Q). In conjuction with the studies of Kumagai and Chouet (2000, 2001), which they calculated the theoritical values of quality factor Q based on the belief that the source of low frequency and harmonics volcanic signals is the excitation of a crack containing magmatic and hydrothermal fluids, Sompi analysis may interpret the complex spatial and temporal changes in complex frequencies (f, Q) indicating the type of fluids that may cause such signals. 274 ABSTRACT For this reason, this method is one of the most important tools in investigating natural processes and monitoring the hydrothermal and magmatic systems beneath volcanoes. In order to apply the Sompi analysis, signals with decaying harmonic oscilations, were sought in both periods. From this processs were found two harmonic volcanic signals in 2001 and twelve during the period of 2003. These signals come from the database of volcanic harmonic tremor, which consists of a sharp maximum in the range 9-10 Hz. Applying Sompi spectral analysis in the signals for the period of 2001, the frequency was found in 9.6 Hz, in agreement with the spectral analysis by the fourier transformation which was preceded to the volcanic tremor during this period. The Q factor was calculated above 1000. Based on calculations of Kumagai and Chouet, the water droplet-gas (steam) mixtures are required in order to explain the long-lasting oscilations with Q significantly larger than 100. For the period of 2003 Sompi method, showed that the frequency of signals increased from 8.9 Hz to 9.4 Hz before the beginning of earthquake sequence and ended at 9.9 Hz after its creation. This coincides with the previous finding in the spectral analysis of volcanic tremor of 2003. The important thing is that Sompi analysis highlighted and the simultaneous decreasing of the Q factor which was estimated 1000-1500 in April and 400-500 in August 2003. These spatial and temporal changes in complex frequencies during the period of 2003 can be interpreted with the presence of mixture of steam with water droplets in the crack whose increases the gas-weight fraction over time. Such an increase in gas-weight fraction in the mixture can be explained by the presence of a hot magmatic body which heats the fluid that is in the crack, resulting in the conversion of water droplets into steam. In conclusion, the results from the temporal distribution of volcanic tremors and the application of Sompi spectral analysis highlight the necessity of the existence of a magmatic body, which through the process of heating fluids contained in the cracks, increases the amount of harmonic signals and the pressure surrounding area. This process probably result in a crack and break up the volcanotectonic earthquake and also change the fluid composition which is contained by a mixture of water droplet-steam according to previous results.

Ένα από τα σημαντικότερα τεκτονικά χαρακτηριστικά της Ανατολικής Μεσογείου είναι το Ελληνικό ηφαιστειακό τόξο στο νότιο τμήμα της θάλασσας του Αιγαίου, με το νησί της Σαντορίνης να είναι ένα από ενεργά ηφαιστειακά του κέντρα. Με σκοπό τη διερεύνηση της σχέσης μεταξύ σεισμικής δραστηριότητας, υδροθερμικής δράσης και ηφαιστειότητας, εγκαταστάθηκε τοπικό δίκτυο ψηφιακών σεισμογράφων στην ευρύτερη περιοχή της Σαντορίνης τις περιόδους Ιούνιος 2001-Οκτώβρης 2001 και Μάρτης 2003-Αύγουστος 2003 (SANNET-2001 και SANNET-2003). Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής αναλύθηκαν οι καταγραφές των δικτύων SANNET-2001 και SANNET-2003 για συνολικό χρονικό διάστημα περίπου 10 μηνών. Καθορίστηκε ένα μοντέλο μέσων ταχυτήτων αποτελούμενο από πέντε (5) σεισμικά στρώματα, στην ευρύτερη περιοχή της Σαντορίνης προκειμένου να επιτευχθεί ο καλύτερος δυνατός προσδιορισμός των υποκέντρων και των εστιακών παραμέτρων των σεισμών της περιοχής. Κατεγράφη με ακρίβεια η μικροσεισμική δραστηριότητα στην περιοχή μελέτης για τις περιόδους 2001 και 2003 και προσδιορίστηκαν τα υπόκεντρα συνολικά 322 σεισμών, 165 από τα οποία έχουν επιλεγεί βάσει σφαλμάτων. Από τον χάρτη χωρικής κατανομής της πρώτης περιόδου, η σεισμική δραστηριότητα εντοπίζεται με μεγάλη διασπορά μεταξύ της Βορειοανατολικής πλευράς της Σαντορίνης και της Αμοργού. Στη περίπτωση της δεύτερης περιόδου, το σεισμικό καθεστώς διαφοροποιείται ως προς τη διασπορά των επικέντρων η οποία είναι πολύ πιο συγκεντρωμένη και εντοπισμένη στην περιοχή του υποθαλάσσιου ηφαιστείου Κολούμπο. Αυτά τα δύο διαφορετικά χαρακτηριστικά των δύο περιόδων οφείλονται στην παρουσία μίας σεισμικής ακολουθίας στην περιοχή του Κολούμπο την περίοδο του 2003, με το μεγαλύτερο γεγονός να είναι μεγέθους Md=4.0. Επίσης κοινό χαρακτηριστικό για τις δύο περιόδους είναι το πολύ χαμηλό επίπεδο σεισμικότητας στην καλδέρα του ηφαιστειακού κέντρου της Σαντορίνης. Από τις κατακόρυφες τομές στις διευθύνσεις ΝΔ-ΒΑ, ΒΔ-ΝΑ και Δ-Α προκύπτει ότι η σεισμική δραστηριότητα λαμβάνει χώρα κυρίως με τη μορφή κατακόρυφης κατανομής, η οποία βρίσκεται κάτω από το ηφαίστειο Κολούμπο. Αυτή η διαπίστωση συμφωνεί με τις πρόσφατες ανακαλύψεις υδροθερμικής δραστηριότητας υψηλής θερμοκρασίας στην περιοχή του Κολούμπο και την χαμηλής θερμοκρασίας υδροθερμική δραστηριότητα στην περιοχή της καλδέρας της Σαντορίνης. ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η καταγραφή, ταυτοποίηση και ανάλυση όλων των ειδών των σημάτων στην ηφαιστειακή περιοχή της Σαντορίνης αποτέλεσε τον κύριο στόχο της παρούσας διατριβής. Για αυτό το σκοπό, αρχικά πραγματοποιήθηκε φασματική ανάλυση των κυματομορφών που εντοπίστηκαν προγενέστερα. Χρησιμοποιώντας το λογισμικό SAC2000 και τον ταχύ μετασχηματισμό Fourier (FFT) για τον υπολογισμό των φασμάτων πλάτους, διαπιστώθηκε ότι το σύνολό τους αποτελεί ηφαιστειοτεκτονικά ή υψίσυχνα σήματα. Προκειμένου να ανακαλυφθούν και άλλες κατηγορίες ηφαιστειακών σημάτων καθώς και τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους, κρίθηκε αναγκαίο η δημιουργία φασματογραφημάτων για το σύνολο των δεδομένων χρησιμοποιώντας το λογισμικό SAC2000. Την περίοδο του 2001 στο σταθμό FINI, που βρίσκεται στο βόρειο τμήμα της Σαντορίνης, αποκαλύφθηκε μη αρμονική ηφαιστειακή δόνηση διάρκειας συνήθως μερικών λεπτών, της οποίας το φασματικό περιεχόμενο εντοπίζεται στη ζώνη 6.5-11.5 Hz περίπου. Αυτή το σήμα ελάχιστες φορές μετατράπηκε σε αρμονική δόνηση με ένα οξύ μέγιστο στα 9.8 Hz. Την περίοδο 2003 κυρίως στο σταθμό OIAX και INPI και λιγότερο στον SWIN καταγράφηκε αρμονική ηφαιστειακή δόνηση με ένα οξύ μέγιστο. Η δόνηση αυτή είχε διάρκεια είτε μερικών δευτερολέπτων οπότε και απεικονίζεται ως μεμονωμένο αρμονικό σήμα, είτε μερικών λεπτών οπότε σε αυτή την περίπτωση απεικονίζεται ως αλληλουχία 2-3 ή και περισσοτέρων σημάτων. Επίσης ένα δεύτερο χαρακτηριστικό αυτού του είδους της δόνησης είναι ότι το οξύ μέγιστο παρουσίασε βαθμιαία μετατόπιση προς ανώτερες τιμές και συγκεκριμένα από 8.8Hz την περίοδο Μαρτίου και Απριλίου, στα 9.4Hz το Μάιο και τον Ιούνιο και στα 9.9Hz από τον Ιούλιο έως το τέλος λειτουργίας του δικτύου. Ταυτόχρονα με την δημιουργία φασματογραφημάτων για την περίοδο 2003 ανακαλύφθηκε και μία δεύτερη ηφαιστειακή δόνηση. Η δόνηση αυτή καταγράφηκε από τους σταθμούς SWIN, INPI και πολύ λιγότερο από τον BUTA και χαρακτηρίστηκε ως αρμονική καθώς η περισσότερη ενέργεια είναι συγκεντρωμένη γύρω από ένα μέγιστο στα 2.6 Hz περίπου. Στη συνέχεια δημιουργήθηκε η ημερήσια χρονική κατανομή των ηφαιστειακών δονήσεων για την περίοδο του 2003. Για το διάστημα του 2001 δεν υπήρχε νόημα η δημιουργία της αντίστοιχης κατανομής, διότι το πλήθος των ηφαιστειακών δονήσεων ήταν σχεδόν σταθερό και πολύ μικρό (<2 σήματα) ανά ημέρα. Στην περίπτωση της δόνησης με οξύ μέγιστο στα 2.6 Hz διαπιστώθηκε ότι δεν είναι αξιόπιστη η κατανομή, διότι ο σταθμός SWIN, μετακινήθηκε δύο φορές, οπότε η καταγραφή τους περιορίστηκε μόνο από το σταθμό INPI. Αντίθετα στην περίπτωση της ηφαιστειακής δόνησης με μέγιστο στo συχνοτικό διάστημα 9-10 Hz διαπιστώθηκε ότι στην αρχή λειτουργίας του δικτύου η ημερήσια καταγραφή ανέρχεται σε λιγότερες από πέντε κατά μέσο όρο. 270 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Δύο περίπου μήνες πριν τη γένεση του κύριου σεισμού της σεισμικής ακολουθίας, ο αριθμός των δονήσεων αυξάνεται στις δεκαέξι κατά μέσο όρο ανά ημέρα και διατηρείται σε αυτά τα επίπεδα για ενάμιση μήνα. Τέλος στην τρίτη περίοδο, η οποία ξεκινά δύο περίπου εβδομάδες πριν τον κύριο σεισμό, ο κατά μέσος όρος των δονήσεων ανά ημέρα μειώνεται δραματικά στις δύο και διατηρείται σε αυτό το επίπεδο μέχρι την παύση λειτουργίας του δικτύου. Με βάση το γεγονός ότι τόσο η κατανομή των αρμονικών δονήσεων όσο και η μετατόπιση του οξέος μεγίστου αυτών μεταβάλλονται πριν και μετά την εκδήλωση του κύριου σεισμού της ακολουθίας, δημιουργείται η έντονη πεποίθηση ότι υπάρχει σχέση μεταξύ αυτών των δύο φαινομένων. Στη συνέχεια κρίθηκε αναγκαία η εφαρμογή της φασματικής ανάλυσης Sompi. Η μέθοδος αυτή μπορεί να εφαρμοστεί σε κάθε είδους αρμονικό ηφαιστειακό σήμα του οποίου η κυματομορφή αποσβένει με το πέρασμα του χρόνου, με σκοπό να υπολογιστούν οι μιγαδικές συχνότητες (συχνότητα f και παράγοντας ποιότητας Q). Σε συνδυασμό με τις μελέτες των Kumagai and Chouet (2000, 2001), οι οποίες βασιζόμενες στην πεποίθηση πηγή των χαμηλόσυχνων και γενικότερα των αρμονικών ηφαιστειακών σημάτων είναι η διέγερση μίας ρωγμής εμπλουτισμένη με ρευστό, υπολόγισαν για διάφορους τύπους ρευστού τις θεωρητικές τιμές του παράγοντα ποιότητας Q. Συνεπώς η ανάλυση Sompi, μπορεί να υποδείξει τους διάφορους τύπους ρευστών που ενδεχομένως δημιουργούν τέτοιου είδους σήματα αλλά και να ερμηνεύσει τις χωροχρονικές μεταβολές των μιγαδικών συχνοτήτων (f, Q). Για αυτό το λόγο η μέθοδος αυτή αποτελεί να από τα σημαντικότερα εργαλεία στη διερεύνηση των εσωτερικών φυσικών διεργασιών και στον έλεγχο των υδροθερμικών και μαγματικών συστημάτων κάτω από τα ηφαίστεια. Με βάση την προηγούμενη παράγραφο αναζητήθηκαν και στις δύο χρονικές περιόδους σήματα τα οποία αποσβένουν με το χρόνο, υποψήφια για την εφαρμογή της μεθόδου Sompi. Από την αναζήτηση αυτή βρέθηκαν δύο αρμονικά ηφαιστειακά σήματα την περίοδο 2001 και δώδεκα την περίοδο του 2003. Τα σήματα αυτά προέρχονται από τη βάση δεδομένων της αρμονικής ηφαιστειακής δόνησης η οποία αποτελείται από ένα οξύ μέγιστο στην περιοχή 9-10 Hz. Εφαρμόζοντας τη φασματική ανάλυση Sompi στα υπό μελέτη σήματα για την περίοδο του 2001 η συχνότητά τους βρέθηκε στην περιοχή 9.6 Hz, σε συμφωνία με τη φασματική ανάλυση μέσω του μετασχηματισμού fourier που προηγήθηκε για την ηφαιστειακή δόνηση την περίοδο αυτή. Ο παράγοντας Q από την άλλη υπολογίσθηκε στα 1000 και περισσότερο. 271 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Συνεπώς με βάση τους υπολογισμούς των Kumagai and Chouet το μόνο υποψήφιο ρευστό το οποίο μπορεί να ικανοποιήσει αυτές τις τιμές του Q είναι το μίγμα αερίου νερού (ατμού) εμπλουτισμένου με σταγονίδια νερού. Για την περίοδο του 2003 η φασματική ανάλυση Sompi ανέδειξε ότι η συχνότητα των σημάτων από 8.9 Hz αυξήθηκε στα 9.4 Hz πριν την έναρξη της σεισμικής ακολουθίας και κατέληξε στα 9.9 Hz μετά τη δημιουργία της. Αυτό είχε διαπιστωθεί και προηγουμένως στη φασματική ανάλυση της ηφαιστειακής δόνησης του 2003. Το σημαντικό όμως είναι ότι η μέθοδος Sompi ανέδειξε και την ταυτόχρονη πτώση του παράγοντα Q από 1000-1500 την περίοδο του Απριλίου σε τιμές περίπου 400-500 τον Αύγουστο. Αυτές οι χωροχρονικές μεταβολές των μιγαδικών συχνοτήτων την περίοδο του 2003 μπορούν να ερμηνευτούν με την παρουσία μίγματος ατμού εμπλουτισμένου με σταγονίδια νερού στη ρωγμή, του οποίου αυξάνεται η κατά βάρος σύσταση του αερίου στο πέρασμα του χρόνου. Μία τέτοια αύξηση της κατά βάρος σύστασης των ατμών στο μίγμα μπορεί να εξηγηθεί από την παρουσία ενός θερμού μαγματικού σώματος το οποίο θερμαίνει το ρευστό που ενυπάρχει στη ρωγμή, με αποτέλεσμα τη μετατροπή των σταγονιδίων νερού σε ατμό. Καταλήγοντας, τα αποτελέσματα από την κατανομή των ηφαιστειακών δονήσεων και από την εφαρμογή της φασματικής ανάλυσης Sompi αναδεικνύουν την αναγκαιότητα της ύπαρξης ενός μαγματικού σώματος το οποίο μέσα από τη διαδικασία θέρμανσης των ρευστών που εμπεριέχονται στις ρωγμές, αυξάνει την ποσότητα των αρμονικών σημάτων και την πίεση στη γύρω περιοχή. Αυτό αφενός έχει ως πιθανό αποτέλεσμα τη διάρρηξη μίας ρωγμής και δημιουργία του ηφαιστειοτεκτονικού σεισμού και αφετέρου την αλλαγή της σύστασης του ρευστού το οποίο σύμφωνα με τα προηγούμενα αποτελέσματα αποτελείται από μίγμα σταγονιδίων νερού και ατμών.