ΓΕΩΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΣΕΙΣΜΟΙ Ενότητα 5: Τεχνικές Ανάλυσης Ενεργών Δομών Ιωάννης Κουκουβέλας, Καθηγητής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Γεωλογίας

Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση, Μη παράγωγα έργα 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». Σύμφωνα με αυτήν την άδεια ο δικαιούχος σας δίνει το δικαίωμα να: Μοιραστείτε — αντιγράψετε και αναδιανέμετε το υλικό Υπό τους ακόλουθους όρους: Αναφορά Δημιουργού — Θα πρέπει να καταχωρίσετε αναφορά στο δημιουργό, με σύνδεσμο της άδειας Μη εμπορική χρήση — Δεν μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το υλικό για εμπορικούς σκοπούς Μη παράγωγα έργα — Μπορείτε να αναδιανείμετε το υλικό ως έχει, χωρίς να προβείτε σε αλλαγές (ανάμιξη, τροποποίηση) Άδειες Χρήσης [1]

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Πατρών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Τεχνικές ανάλυσης ενεργών δομών

Γεωδαιτικές παρατηρήσεις-τεκτονική γεωδαισία (1) Η παραμόρφωση μιας ενεργού δομής ή σε ενός τμήματος μιας ηπειρωτικής περιοχής μπορεί να είναι μετρήσιμη ή όχι ανάλογα με το ρυθμό της. Μετρήσιμη είναι η παραμόρφωση της οποίας ο ρυθμός είναι μεγαλύτερος του σφάλματος των οργάνων παρατήρησης. Ο ρυθμός παραμόρφωσης δομών-περιοχών είναι της τάξεως 1-30 χιλιοστών/έτος και για να τις μετρήσουμε χρησιμοποιούμε μια σειρά γεωδαιτικών τεχνικών. Οι γεωδαιτικές εφαρμογές αναφέρονται και ως τεκτονική γεωδαισία, μικρής και μεγάλης κλίμακας. Χαρακτηρίζονται από την ακρίβεια τους Απαιτούν προσοχή στη χωροθέτηση και την επεξεργασία των δεδομένων Υφίστανται περιορισμών στη συλλογή Η πολυπλοκότητα των πειραμάτων της τεκτονικής γεωδαισίας αυξάνεται όσο πιο μεγάλος είναι ο γεωγραφικός χώρος.

Πίνακας 4.1 Κινήσεις μετρούμενες στην επιφάνεια της Γης που προκαλούνται από σεισμούς ή από μακράς διάρκειας παραμόρφωση. Τα στοιχεία προέρχονται από την Καλιφόρνια (στήλη 2) (από Sylvester 1988) και την Ελλάδα (στήλη 3). Τύπος κίνησης Ρυθμός (mm/yr) Παγκόσμια δεδομένα Ελληνικά δεδομένα Ερπυσμός 1-30 (Steinbrugge et al. 1960) 1-5(Δεν υπάρχουν αναφορές) Προσεισμική- Συνσεισμική ολίσθηση 1-? (Allen & Smith 1966) 1-χιλιάδες mm (πολλοί ερευνητές) ? (Δεν υπάρχουν αναφορές) (Pavlides & Caputo (2004), και αναφορές που περιέχονται στην εργασία) Ολίσθηση από αλληλεπίδραση ρηγμάτων 1-30 (Allen et al. 1972) ?(Δεν υπάρχουν αναφορές) Μετα- σεισμική Ολίσθηση (Allen & Smith 1966) ?- 30(Koukouvelas & Doutsos 1996, Stiros et al. 2007) Γεωδαιτικές παρατηρήσεις-τεκτονική γεωδαισία (2)

Διαφορές μεταξύ Μικρής κλίμακας γεωδαισία και γεωλογίας Η γεωλογική παρατήρηση για τη μετατόπιση ενός ρήγματος είναι σημειακή και αφορά τη μέτρηση κινήσεων ορατών με γυμνό οφθαλμό. Αδυναμία μέτρησης της κατανομής της μετατόπισης στο χώρο ή στο χρόνο. Η μικρής κλίμακας γεωδαισία λύνει το πρόβλημα. Η τεχνική γίνεται σημαντικότερη όσο πιο μικρές είναι οι κινήσεις που μετρούνται. Π.χ. η μετα-σεισμική ολίσθηση ενός ρήγματος αποτελεί ένα τυπικό πεδίο εφαρμογής της τεχνικής, αναλύει συγκεκριμένο ρήγμα, μελετά την παραμόρφωση μιας δομής και όχι την παραμόρφωση της περιοχής Σημαντική μέθοδος για τεχνικές εφαρμογές, μικροζωνικές μελέτες κλπ.

Μικρής κλίμακας γεωδαισία Κίνηση/τεχνική Μετρούμενες αλλαγές Απόσταση Γεωδαιτικών σημείων Απαιτούμενη ακρίβεια Συχνότητα Επανάληψης μετρήσεων Οριζόντια Ευθυγράμμιση Τριγωνισμός Τριπλευρισμός Παρέκλιση Γωνίες Μήκη 100 μ 1000 μ + 1mm + 5 mm Μήνες Μήνες έως έτη Κατακόρυφη Χωροθέτηση Υψόμετρα1000 μ+ 1mmΜήνες Κλίση Υψόμετρο Κλίση Υψόμετρα 500 μ 40 μ + 1 μrad +10 μrad Μήνες Μήνες έως έτη Πίνακας 4. 2 Προδιαγραφές υλοποίησης δικτύων μικρής κλίμακας γεωδαιτικών μετρήσεων (από Sylvester 1988).

Εφαρμογή μεθόδου (1) Εγκατάσταση δικτύων Μέτρηση μεταβολών σε σχέση με ένα σταθερό σημείο. Η επιλογή του σταθερού σημείου είναι αυθαίρετη ή με γεωλογικά κριτήρια. Το δίκτυο μεμονωμένων ρηγμάτων ή δομών βασίζεται σε τριγωνισμούς και οδεύσεις για ρήγματα που έχουν οριζόντια μετατόπιση. Το ποιο δίκτυο θα χρησιμοποιηθεί εξαρτάται από την κινηματική των ρηγμάτων.

Εφαρμογή μεθόδου (2) Η όδευση κάθετα στο ρήγμα είναι η πλέον φθηνή αλλά έχει περιορισμένες δυνατότητες. Στις περισσότερες περιπτώσεις εγκαθίστανται περίπλοκα δίκτυα μέτρησης και βασίζεται στην επαναλαμβανόμενη μέτρησή του σε τακτά χρονικά διαστήματα. Αποτέλεσμα επαναλαμβανόμενων μετρήσεων = αλλαγές που συντελούνται στα μήκη ευθύγραμμων τμημάτων, τις γωνίες ή τα υψόμετρα των σημείων γύρω από τη δομή. Με τη μικρής κλίμακας γεωδαισία επιτυγχάνεται ακρίβεια στη μέτρηση της τάξης του 1 χιλιοστού, μικρά σφάλματα στην καταγραφή της παραμόρφωσης.

Εφαρμογή μεθόδου (3) Εικόνα 1.

Εφαρμογή μεθόδου (4) Οι μετρήσεις χρησιμοποιούνται για να προσδιορισθεί ο ρυθμός ολίσθησης/ερπυσμού των ρηγμάτων. Πρόβλεψη σεισμών, συνδυάζεται με αλλαγή των υψομέτρων στην άμεση γειτονιά ενός ρήγματος ή αλλαγή στην ολίσθηση ενός ρήγματος. Στον Ελληνικό χώρο όπου επικρατούν κυρίως τα κανονικά ρήγματα τα δίκτυα μέτρησης που επιλέγονται είναι ευθύγραμμα. Η τεχνική έχει εφαρμοσθεί σε διάφορες περιοχές.

Μεγάλης κλίμακας γεωδαισία (1) Τριγωνισμοί σε εκτεταμένες περιοχές π.χ. Πελοπόννησος, Βόρεια Ελλάδα, Άνδεις. Επανάληψη της μέτρησης δικτύων για δεκαετίες. Όσο πιο παλιό δίκτυο πιο αξιόπιστα τα αποτελέσματα. DGPS για τον προσδιορισμό της θέσης σημείων. Αποτελέσματα = συγκέντρωση δεδομένων για τμήματα των ηπείρων.

Μεγάλης κλίμακας γεωδαισία (2) Δίκτυο στη βόρειο Ελλάδα από το 1990 στην Τουρκία από το 1999 περιοχές σημαντικές για δύο λόγους. Πρώτον έντονη παραμόρφωση = μετά από δύο ή τρεις κύκλους μετρήσεων μπορεί να υπάρξουν αποτελέσματα. Δεύτερον ηπειρωτική Ελλάδα και η Πελοπόννησος κινήσεις σε βάθος χρόνου ενός αιώνα. Αποτελέσματα έχουν δημοσιευτεί σε επιστημονικά περιοδικά = διαπίστωση ότι σημαντικό ποσοστό παραμόρφωσης στον Αιγιακό χώρο είναι πλαστικού τύπου.

Παλιά άποψη: Παραμόρφωση στο Βόρειο Αιγαίο διαστολή Β-Ν = τάφρος Σποράδων με βάση διασκοπήσεις που δείχνουν μετατόπιση οριζόντων που κατά την ερμηνεία οφείλονταν σε κανονικά ρήγματα. Μεγάλης κλίμακας γεωδαισία (3) Η παραμόρφωση στο Βόρειο Αιγαίο Εικόνα 2.

Μεγάλης κλίμακας γεωδαισία (4) Εικόνα 3.

Νέα άποψη: Γεωδαισία μεγάλης κλίμακας ένας σταθμός ανά νησί του Β. Αιγαίου και επίγειοι σταθμοί στη Μακεδονία, Θράκη, Εύβοια έδειξε ότι η περιοχή Λήμνου-Αγ. Ευστρατίου-Σκύρου κλπ., → ΝΔ mm /έτος. Επίλυση εστιακών μηχανισμών ισχυρών σεισμών στο Βόρειο Αιγαίο (τα οποία εσφαλμένα είχαν θεωρηθεί σε μια σειρά δημοσιεύσεων ως μη ενδεικτικά). Τα γεωδαιτικά στοιχεία που έδειξαν σημαντικές οριζόντιες κινήσεις συνδυάζονται με τις επιλύσεις εστιακών μηχανισμών. Την ίδια εικόνα δείχνουν θαλάσσιες γεωφυσικές διασκοπήσεις. Μεγάλης κλίμακας γεωδαισία (5)

Μεγάλης κλίμακας γεωδαισία (6) Εικόνα 4.

Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών (1) Αποτελέσματα που αφορούν την τρωτότητα και τη επικινδυνότητα του δομημένου περιβάλλοντος παρουσιάζονται με GIS. Τις χωρικές βάσεις δεδομένων βοήθησε η πρόοδος των υπολογιστών, Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών (ΓΠΣ). Είναι εργαλείο για τους γεωλόγους. Τα ΓΣΠ εισάγουν την τρισδιάστατη προοπτική σε ένα χώρο δύο διαστάσεων - συνδέουν τη γεωγραφική πληροφορία με βάσεις δεδομένων (πίνακες). Ανάλυση Μορφολογίας Σύνθεση Γεωλογικών χαρτών. Γεωγραφικά στοιχεία.

Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών (2) Η λειτουργία τους βασίζεται στην εισαγωγή, την ανάλυση, τη διαχείριση και την απεικόνιση χωρικών πληροφοριών. Δυνατότητα συνεχούς εισαγωγής δεδομένων. Πληροφορία σε αναλογική μορφή (χαρτογραφική πληροφορία) όσο και ψηφιακή μορφή (δορυφορικές εικόνες). Η αναλογική πληροφορία → ψηφιακή μέσω σάρωσης και γεωαναφοράς => συντεταγμένες του γεωγραφικού χώρου => η χαρτογραφική πληροφορία = χωρική πληροφορία. Ψηφιοποίηση σημειακά (π.χ. προβολή μετρήσεων GPS) ή γραμμικά (π.χ. απεικόνιση ισοϋψών) ή πολυγωνικά (π.χ. απεικόνιση ενοτήτων). Η ψηφιοποίηση = εκκίνηση για οποιαδήποτε προσθήκη ή επεξεργασία θεματικής πληροφορίας για την παραγωγή «προϊόντων».

Δεδομένα Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών ΠληροφορίαΠάροχος ΑναλογικήΤοπογραφικοί χάρτεςΓΥΣ Γεωλογικοί χάρτεςΙΓΜΕ Βυθομετρικοί χάρτεςΕΛ.ΚΕ.ΘΕ ΑεροφωτογραφίεςΓΥΣ Πρωτογενή Δεδομένα Υπαίθρου ΨηφιακήΔορυφορικές Εικόνες LandsatUSGS, Global Land Cover Facility ΟρθοφωτοχάρτεςΥπουργείο Αγροτικής Ανάπτυξης SRTM ψηφιακά ανάγλυφαNASA ASTER ψηφιακά ανάγλυφαJRC Μετρήσεις InSARJPL Μετρήσεις GPS,LIdar Πίνακας 4.3

Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών (3) Τρισδιάστατο ψηφιακό μοντέλο ανάγλυφου (ΨΜΑ). Τα ΨΜΑ είναι ο «καμβάς» όπου προστίθενται θεματικές πληροφορίες για αποδοθούν νέες χαρτογραφικές απεικονίσεις. Με την εισαγωγή νεοτεκτονικών στοιχείων μιας περιοχής π.χ. ρήγματα ή δίκτυο απορροής, μπορούν να πραγματοποιηθούν ποσοτικές μετρήσεις γεωμορφολογικών και μορφοτεκτονικών παραμέτρων. Στο επόμενο στάδιο ανάλυσης = κατανομή διαφόρων πληροφοριών => συμπεράσματα που οδηγούν σε μοντέλα εξέλιξης ρηγμάτων. Αρχικός τρόπος εκτίμησης της σεισμικής επικινδυνότητας. Αναγνώριση περιοχών μεγάλης σπουδαιότητας για σεισμικό κίνδυνο, περιφερειακό σχεδιασμό, αντιμετώπιση καταστροφών ώστε να σχεδιασθούν οι χρήσεις Γης.

Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών (4) Εικόνα 5.

Συμβολομετρία ραντάρ συνθετικού ανοίγματος κεραίας (InSAR) (1) «Γεωδαιτική κάμερα»: λήψη εικόνων που δίνουν με ακρίβεια τη μετατόπιση του εδάφους κοντά σε ένα ενεργό ηφαίστειο, πρόδρομα ηφαιστειακών εκρήξεων. Χαρτογράφησης της παραμόρφωσης μπορεί να αναφέρεται σε κάθε ανιχνεύσιμη αλλαγή υψομέτρου. Επιτεύχθηκε μέτρηση ανύψωσης ή βύθισης πολλών σημείων με γρήγορο και αξιόπιστο τρόπο. Μπορεί να γίνει συνδυασμός εικόνων ραντάρ διαφορετικής ηλικίας λήψης.

Συμβολομετρία ραντάρ συνθετικού ανοίγματος κεραίας (InSAR) (2) Εικόνα 6.

Συμβολομετρία ραντάρ συνθετικού ανοίγματος κεραίας (InSAR) (3) Εικόνα 7.

Βασικές αρχές της μεθόδου InSAR (1) Οι τεχνικές λεπτομέρειες του τρόπου λειτουργίας της μεθόδου της διαφορικής συμβολομετρίας προέρχονται από τη φυσική των σημάτων ραντάρ και την τεχνολογία ραντάρ. Η μέθοδος βασίζεται στην αρχή ότι διαδοχικοί παλμοί ενέργειας που περικλείουν τα εκπεμπόμενα από ένα δορυφόρο σήματα ραντάρ αφού υποστούν σκέδαση στην επιφάνεια της Γης μπορούν να καταγραφούν πίσω στο δορυφόρο.

Βασικές αρχές της μεθόδου InSAR (2) Τα επιστρεφόμενα σήματα του ραντάρ έχουν: (α) Η πληροφορία κωδικοποιείται στην ισχύ ή στο πλάτος του επιστρεφόμενου σήματος, από φυσικές ιδιότητες της επιφάνειας, όπως κλίση, μέγεθος των τεμαχών των γεωλογικών σχηματισμών (π.χ., άμμος, κροκάλες, συνεκτικό πέτρωμα), και την υγρασία του εδάφους. Καταγραφή σήματος σε ζώνη πλάτους 100 χλμ. Η πληροφορία αναλύεται (λογισμικό) = «συναρμολόγηση» εικόνας ραντάρ. (β) Πληροφορία της μετ’ επιστροφής απόστασης που διανύει το σήμα από το δορυφόρο στο έδαφος και πάλι πίσω στο δορυφόρο. Ο παλμός είναι μια αόρατη μετροταινία βαθμονομημένη 5.66 εκατοστά του μέτρου (~2.2 ίντσες).

Βασικές αρχές της μεθόδου InSAR (3) Εικόνα 8.

Βασικές αρχές της μεθόδου InSAR (4) Εικόνα 9.

Τηλεπισκόπηση με χρήση ακτίνων laser (Lidar) (1) Το σύστημα LIDAR (Light Detection and Ranging) είναι οπτικό μέσο τηλεπισκόπησης. Βάση η ιδιότητα σκέδασης του φωτός. Η μέθοδος μετρά την απόσταση ή άλλη πληροφορία που αφορά ένα απομακρυσμένο αντικείμενο, με δέσμη παλμών φωτός. Η μέθοδος είναι παρόμοια με τη μέθοδο ΙΝSAR. Εφαρμογές LIDAR αρχαιολογία, γεωγραφία, γεωλογία, γεωμορφολογία, σεισμολογία, τηλεπισκόπηση, φυσική της ατμόσφαιρας κλπ.

Στη σάρωση (LiDAR) χρησιμοποιούνται πολύ μικρά μήκη κύματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, Το LiDAR στη γεωλογία και τη σεισμολογία ο χρησιμοποιείται συνδυασμός εναέριας σάρωσης LIDAR και GPS για ανίχνευση ρηγμάτων και τη μέτρηση ανύψωσης του φλοιού. Οι δυο τεχνολογίες προσφέρουν εξαιρετικής ακρίβειας δεδομένα ΨΜΑ και αποτύπωση ακόμα και σε περιοχές πυκνής βλάστησης. Τηλεπισκόπηση με χρήση ακτίνων laser (Lidar) (2)

Τηλεπισκόπηση με χρήση ακτίνων laser (Lidar) (3) Εικόνα 10.

Τηλεπισκόπηση με χρήση ακτίνων laser (Lidar) (4) Εικόνα 11.

Τηλεπισκόπηση με χρήση ακτίνων laser (Lidar) (5) Υπάρχουν διάφοροι τύποι σαρωτών laser για διάφορες εφαρμογές, σε γεωλογικές εφαρμογές έχουν χρησιμοποιηθεί οι μεγάλου εύρους σαρωτές. Οι μεγάλου εύρους σαρωτές έχουν ακτίνα δράσης έως 1000 μέτρα, μέγιστη ανάλυση (γωνιών 0.004°= 7 χιλιοστά στα 100 μ.) και ακρίβεια μήκους περίπου 5 εκ./1000 μ. Η συλλογή δεδομένων ενός σαρωτή έχει ταχύτητα απόκτησης σημείων/sec. Γρήγορη επεξεργασία σήματος και η υψηλή ταχύτητα σύνδεσης των δεδομένων.

Παραδείγματα (1) Εικόνα 12.

Εικόνα 13. Παραδείγματα (2)

Παραδείγματα (3) Εικόνα 14.

Παραδείγματα (4) Εικόνα 15.

Τηλεπισκόπηση με χρήση ακτίνων laser (Lidar) (4) Τα υψηλής διακριτικότητας δεδομένα βοηθούν τη λεπτομερή απεικόνιση της επιφάνειας του ρήγματος. Με βάση τα στοιχεία αυτά θεωρείται ότι το ρήγμα της Αρκίτσας χαρακτηρίζεται από επιμέρους τμήματα κάθε ένα εκ των οποίων εμφανίζει σημαντική καμπυλότητα (Εικόνες 13, 14, 15). Η δυνατότητα της ποσοτικοποίησης των γεωμετρικών χαρακτηριστικών συμπεριλαμβάνει τη μέτρηση της μεταβολής της διεύθυνσης και της κλίσης σε κάθε επιμέρους τμήμα (Εικ. 4.14). Η διεύθυνση των ανυσμάτων ολίσθησης των ρηγμάτων μπορεί να υπολογιστεί σε οποιοδήποτε τμήμα της επιφάνειάς του.

Σημείωμα Αναφοράς Copyright, Πανεπιστήμιο Πατρών, Ιωάννης Κουκουβέλας, Σωτήριος Κοκκάλας και Βασιλική Ζυγούρη. «Γεωλογία και Σεισμοί». Έκδοση: 1.0. Πάτρα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση:

Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Το υλικό της παρουσίασης προέρχεται από: i.Κουκουβέλας, Ι.Κ., Κοκκάλας, Σ., Ζυγούρη, Β., Γεωλογία και Σεισμοί. Εκδόσεις Δίσιγμα – Έκδοση 2010 – ISBN: ii.Sylvester, A.G., Strike-slip faults. Geological Society of American Bulletin, 100,

Τέλος Ενότητας