Πεδίο βαρύτητας ελλαδικού χώρου με έμφαση στην περιοχή της Σαντορίνης

Abstract

This doctoral thesis focuses on describing a comprehensive process of utilizing gravity information for geodetic and geophysical purposes. The thesis aims to depict and explore the gravity field of the Greek territory, with an emphasis on the volcanic complex of Santorini. It comprises an introduction, seven chapters and bibliography. The first chapter briefly introduces and simplifies theoretical elements derived from the literature review. In the second chapter, there's a historical overview of acquiring gravimetric data by the Hellenic Military Geographical Service (HMGS) and the National Technical University of Athens (NTUA), followed by the description of the correction of the national gravimetric network. The methodology for creating the new database of HMGS is also outlined, along with control algorithms. The third chapter approaches the gravity field of the Greek territory from a geodetic perspective. It begins with the determination of the geoid using all available data and its evaluation. The National Height System is then described, followed by the calculation of geodynamic parameters and useful conclusions about the country's height system. Additionally, a unified correction surface is constructed for the ho-mogenization of surfaces defining the National Height System. In the fourth chapter, a geophysical approach to the gravity field of Greece is con-ducted using the database. Various techniques from international literature are applied to generate representations of different magnitudes of the gravity field. Conclusions about various geodynamic and tectonic phenomena in the Greek region are drawn. The inversion of the gravity field is implemented to calculate a three-dimensional density model. The fifth chapter describes and provides appendixes for gravity measurements forming the microgravity network of Santorini, which can be used in future studies. The gravity field of the region is visualized, and valuable conclusions about the tectonics of the broader area are recorded. In the sixth chapter, a comparative evaluation and interpretation of spatiotemporal gravity variations in Santorini volcano are carried out for the first time. Models de-rived from these variations aid in interpreting and understanding internal volcanic processes. The seventh chapter summarizes the conclusions of all chapters and proposes fur-the research directions and ways to improve the results. The main results of the thesis are:(a) The creation of a new homogenized database, consisting of 21,279 ground gravity points, 2,450 raw measurements of marine gravity, 142,869 marine gravity grid nodes, and 50,373 grid nodes of neighboring countries' gravity.(b) Identification of the EIGEN 6C4 as the best Global Geodynamic Model(GGM) for the Greek region. Calculated Gravimetric Geoid improves the standard deviation of the GGM by 10%. The Gravimetric Geoid was adjusted to ground-based measurements, yielding a final model with a typical error of 6.2 cm.(c) Examination of the Greek Height System revealed its non-homogeneity, with over sixty different reference surfaces. The mean gravitational potential of this system was calculated at W0 = 62,636,860.64±0.03 m²/s². A unified correction surface was computed for the Greek region to homogenize orthometric heights.(d) Geophysical analysis indicated an average depth of mass concentration in the Greek region at approximately 29.9±1.9 km. The Airy model was found insufficient to compensate for all masses, leading to the inversion of Bouguer anomalies for a three-dimensional density model. Results showed an average Moho depth of about 28.75 km, upper crust thickness of 16.88 km, and sediment thickness up to 6-7 km.(e) The gravity field of the Santorini region displayed significant variations, revealing seven low-gravity basins. Profiles of residual and regional gravity anomalies were generated, identifying surface ruptures related to both shallow and deeper-seated faults. Geological boundaries of subsurface structures were determined, and small closed isoanomalous contours were associated with potential volcanic cones.(f) The analysis of temporal gravity variations in Santorini revealed two sources causing observed changes. The first corresponds to the Mogi point, estimated with geodetic methods during 2011-12, attributed to the influx of dense basaltic magma (~3.3x1011kg). The second source, located approximately 1350m below Nea Kameni, was linked to density changes arising from hydrothermal fluctuations, degassing, or vesicle collapse within stored magma. This process was found to be an ongoing phenomenon unaffected by the 2011-12 unrest, with the gravity increase likely continuing at a diminishing rate.

Η διατριβή αυτή επικεντρώνεται στην διερεύνηση μεθοδολογιών για την εκμετάλλευση μετρήσεων βαρύτητας και τη χρησιμοποίησή τους για γεωδαιτικούς και γεωφυσικούς σκοπούς. Η διατριβή στοχεύει στην απεικόνιση και εξερεύνηση του πεδίου βαρύτητας της ελληνικής επικράτειας, με έμφαση στον ηφαιστειακό σύμπλεγμα της Σαντορίνης. Αποτελείται από μια εισαγωγή, επτά κεφάλαια και βιβλιογραφία. Το πρώτο κεφάλαιο περιλαμβάνει κάποια πολύ σύντομα και απλοποιημένα θεωρητικά στοιχεία προερχόμενα από τη βιβλιογραφική ανασκόπηση. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται αρχικά μια ιστορική αναδρομή της απόκτησης των βαρυτομετρικών δεδομένων που έχει στο αρχείο της η ΓΥΣ και το ΕΜΠ και στη συνέχεια η περιγραφή της συνόρθωσης του εθνικού βαρυτομετρικού δικτύου. Ακολούθως περιγράφεται η μεθοδολογία για τη δημιουργία της νέας βάσης δεδομένων της ΓΥΣ καθώς και αλγόριθμοι ελέγχου. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται η προσέγγιση του βαρυτικού πεδίου του ελλαδικού χώρου από γεωδαιτική σκοπιά. Αρχικά περιγράφεται ο προσδιορισμός του γεωειδούς με τη χρησιμοποίηση όλων των διαθέσιμων στοιχείων καθώς και η αξιολόγησή του. Στη συνέχεια περιγράφεται το Εθνικό Σύστημα Υψομέτρων της χώρας. Ακολούθως υπολογίζονται οι γεωδυναμικοί αριθμοί όπου υπάρχουν διαθέσιμα στοιχεία και καταγράφονται χρήσιμα συμπεράσματα για το υψομετρικό σύστημα στη χώρα μας. Τέλος κατασκευάζεται, για πρώτη φορά, μία ενιαία επιφάνεια διορθώσεων για την ομογενοποίηση των επιφανειών που ορίζουν το Εθνικό Σύστημα Υψομέτρων. Στο τέταρτο κεφάλαιο, γίνεται η γεωφυσική προσέγγιση του πεδίου βαρύτητας της Ελλάδας με τη χρησιμοποίηση της βάσης δεδομένων. Για να γίνει αυτό εφαρμόζονται διάφορες τεχνικές από τη διεθνή βιβλιογραφία και παράγονται επιφάνειες απεικόνισης διαφόρων μεγεθών του βαρυτικού πεδίου. Από τη περαιτέρω επεξεργασία των επιφανειών αυτών, προκύπτουν συμπεράσματα για διάφορα γεωδυναμικά και τεκτονικά φαινόμενα στον Ελλαδικό χώρο. Τέλος υλοποιείται η αντιστροφή του πεδίου βαρύτητας για τον υπολογισμό ενός τρισδιάστατου μοντέλου πυκνοτήτων. Στο κεφάλαιο πέντε περιγράφονται και παρατίθενται σε παράρτημα οι μετρήσεις βαρύτητας που αποτελούν το δίκτυο μικροβαρύτητας της Σαντορίνης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μελλοντικές μελέτες. Παράλληλα οπτικοποιείται το βαρυτικό πεδίο της περιοχής και καταγράφονται χρήσιμα συμπεράσματα για την τεκτονική της ευρύτερης περιοχής. Στο κεφάλαιο έξι γίνεται για πρώτη φορά, σε ελληνικό ηφαίστειο συγκριτική αξιολόγηση και ερμηνεία χωροχρονικών μεταβολών βαρύτητας. Από τις μεταβολές αυτές υπολογίζονται κατάλληλα μοντέλα τα οποία βοηθούν στην ερμηνεία και την κατανόηση των εσωτερικών διεργασιών του ηφαιστείου. Στο κεφάλαιο 7 συνοψίζονται τα συμπεράσματα όλων των κεφαλαίων και διατυπώνονται προτάσεις για περαιτέρω έρευνα των συμπερασμάτων της διατριβής και τρόπων βελτίωσης των αποτελεσμάτων της. Στη βάση δεδομένων που δημιουργήθηκε εντάχθηκαν τελικά 21279 επίγεια σημεία βαρύτητας, 2450 σημεία πρωτογενών μετρήσεων θαλάσσιας βαρύτητας, 142869 κόμβοι καννάβου θαλάσσιας βαρύτητας και 50373 κόμβοι καννάβου βαρύτητας γειτονικών χωρών. Καλύτερο Παγκόσμιο Γεωδυναμικό Μοντέλο για τον Ελλαδικό χώρο βρέθηκε να είναι το EIGEN 6C4 πλήρες σε βαθμό και τάξη. Με βάση αυτό υπολογίστηκε το βαρυτομετρικό γεωειδές της χώρας που προέκυψε από την βάση δεδομένων, το οποίο βελτίωσε την τυπική απόκλιση του ΠΓΜ κατά 10%. Στη συνέχεια το βαρυτομετρικό αυτό γεωειδές προσαρμόστηκε σε σημεία μετρημένης αποχής του γεωειδούς και το τελικό τυπικό σφάλμα του μοντέλου βρέθηκε στα 6.2 cm. Από τη διερεύνηση της δημιουργίας του ΕΣΥ προέκυψε ότι αυτό δεν είναι ομοιογενές συμπεριλαμβάνοντας περισσότερες από εξήντα διαφορετικές επιφάνειες αναφοράς. Υπολογίστηκε μέσο δυναμικό βαρύτητας του ΕΣΥ W0ΕΣΥ=62636860.64±0.03 m2/s2 .Στη συνέχεια υπολογίστηκαν W0 για κάθε επιφάνεια αναφοράς του ΕΣΥ και βρέθηκε η υψηλότερη επιφάνεια αναφοράς αυτή που ορίστηκε από το παλιρροιόμετρο του Αγαθονησίου (κατά 50 cm περίπου υψηλότερα από τη ΜΣΘ του Πειραιά), αντίστοιχα η χαμηλότερη επιφάνεια αναφοράς βρέθηκε αυτή της Ρόδου (κατά 22.5 cm χαμηλότερα από τη ΜΣΘ του Πειραιά). Τέλος υπολογίστηκε μια ενιαία επιφάνεια διορθώσεων για τον Ελλαδικό χώρο για την ομογενοποίηση των ορθομετρικών υψομέτρων Από τη γεωφυσική ανάλυση του βαρυτικού πεδίου της Ελλάδας προέκυψε ότι το μέσο βάθος συμπύκνωσης των μαζών είναι περίπου 29.9±1.9 Km.. Υπολογίστηκε ένα τρισδιάστατο μοντέλο πυκνοτήτων από την αντιστροφή των ανωμαλιών βαρύτητας Bouguer το οποίο περιοριζόταν από δημοσιευμένες σεισμικές μετρήσεις. Τα αποτελέσματα της αντιστροφής έδειξαν μέσο βάθος της ασυνέχειας Moho περίπου στα 28.75 km , μέσο ανώτερου φλοιού περίπου 16.88 km και πάχος ιζημάτων έως 6-7 km. Από την επισκόπηση των αποτελεσμάτων είναι αξιοσημείωτο ότι τα ιζήματα χωροθετούνται κυρίως κατά μήκος του ελληνικού Τόξου και οριοθετούνται ή τέμνονται από ενεργά σεισμογενή ρήγματα . Το πεδίο βαρύτητας της ευρύτερης περιοχής της Σαντορίνης παρουσιάζει έντονες μεταβολές που αντανακλούν στο έντονο γεωλογικό υπόβαθρο της περιοχής. Από την οπτικοποίηση του βρέθηκαν επτά λεκάνες χαμηλής ανωμαλίας βαρύτητας, στις οποίες δημιουργήθηκαν κατάλληλα προφίλ υπολειπόμενων και περιφερειακών ανωμαλιών βαρύτητας. Από τα προφίλ αυτά προέκυψε ότι τα περισσότερα από τα καταγεγραμμένα ρήγματα στη περιοχή είναι κυρίως επιφανειακά. Ανιχνεύθηκε επίσης υπόγειο ρήγμα μεταξύ Χριστιανών Σαντορίνης που είχε προταθεί από άλλες μελέτες. Προσδιορίστηκαν επιπλέον τα γεωλογικά όρια των δομών του υπεδάφους της περιοχής με κατάλληλη οπτικοποίηση του βαρυτικού πεδίου και επιπλέον εκτιμήθηκε το βάθος τους. Επισημαίνεται επίσης ότι βρέθηκαν μικρές κλειστές ισοανώμαλες καμπύλες οι οποίες πιθανόν να σχετίζονται με ηφαιστειακούς κώνους στο υπόγειο της περιοχής. Τέλος από την ανάλυση των διαχρονικών μεταβολών βαρύτητας στη περιοχή της Σαντορίνης, προέκυψε ότι υπάρχουν δύο πηγές που προκαλούν τις παρατηρούμενες μεταβολές. Η πρώτη αντιστοιχεί περίπου στη θέση του σημείου Mogi που υπολογίστηκε με γεωδαιτικές μεθόδους την περίοδο 2011-12, η οποία ερμηνεύεται ως εισροή πυκνού βασαλτικού μάγματος ~3,3x10^11 kg. Η δεύτερη πηγή των ανωμαλιών εντοπίζεται περίπου 1350m κάτω από τη Νέα Καμμένη και ερμηνεύεται ως αύξηση της πυκνότητας, η οποία προέρχεται από υδροθερμικές διακυμάνσεις, απαέρωση ή /και κατάρρευση κυστιδίων μέσα στο αποθηκευμένο μάγμα. Η διεργασία αυτή βρέθηκε να είναι συνεχιζόμενη διαδικασία ανεπηρέαστη από την αναταραχή 2011-12. Η αύξηση της βαρύτητας στη περιοχή πιθανολογείται ότι συνεχίζεται με μειούμενο ρυθμό .