Μελέτη εδαφικής παραμόρφωσης στην εκτίμηση ηφαιστειακής επικινδυνότητας τη χρήσει διαστημικών και γεωφυσικών τεχνικών: η περίπτωση του ελληνικού ηφαιστειακού τόξου

Abstract

Η δημιουργία του Ελληνικού Ηφαιστειακού Τόξου (ΕΗΤ) στο Νότιο Αιγαίο, το οποίο εκτείνεται από την Κρομμυωνία, τα Μέθανα, την Αίγινα και τον Πόρο στα δυτικά, την Μήλο και Σαντορίνη στα κεντρικά και την Νίσυρο και Δυτική Κω στα ανατολικά, χρονολογείται στο τέλος του Κατώτερου Πλειόκαινου, και εντάσσεται στα πλαίσια του ευρύτερου σχηματισμού του Ελληνικού Ορογενετικού Συστήματος, το οποίο αποτελεί την πιο σημαντική ενεργή γεωλογική δομή της Μεσογείου. Τα τρία επί μέρους τμήματα του ΕΗΤ που εξετάζονται στην παρούσα διατριβή, ήτοι το Δυτικό τμήμα με τα ηφαιστειακά κέντρα των Μεθάνων και Αίγινας, το Κεντρικό τμήμα με την Μήλο και Σαντορίνη, και τέλος το Ανατολικό τμήμα με την ευρύτερη περιοχή της Κω-Νισύρου, αποκαλύπτουν διαφορετικά χαρακτηριστικά ηφαιστείων, έχουν αναπτύξει στο παρελθόν διαφορετικούς ηφαιστειακούς μηχανισμούς, παρουσιάζουν διαφορετική τρέχουσα δράση και επομένως χαρακτηρίζονται από διαφορετική ηφαιστειακή επικινδυνότητα. Τα ηφαιστειακά κέντρα των Μεθάνων, της Σαντορίνης και της Νισύρου κατέγραψαν ιστορικές εκρήξεις και θεωρούνται προσωρινώς αδρανή. Ωστόσο, η τελευταία ηφαιστειακή δράση στην Σαντορίνη κατεγράφη το 1950, ενώ η Νίσυρος επέδειξε έντονη ατμιδική δραστηριότητα και φρεατικές εκρήξεις έως το τέλος του 19ου αιώνα. Κύριο σκοπό στην παρούσα έρευνα αποτέλεσε η εκτίμηση της Ηφαιστειακής Επικινδυνότητας του ΕΗΤ, η οποία βασίσθηκε σε ένα μακροπρόθεσμο πρόγραμμα παρακολούθησης των ηφαιστειακών κέντρων. Η ολοκληρωμένη εκτίμηση της Ηφαιστειακής Επικινδυνότητας οφείλει να περιέχει πληροφορίες, τόσο για την εκρηκτική συμπεριφορά που επέδειξαν τα ηφαιστειακά κέντρα στο παρελθόν, όσο και για την τωρινή τους συμπεριφορά, μέσω της παρακολούθησης των πρόδρομων φαινομένων. Βασιζόμενοι στα ανωτέρω, και λαμβάνοντας υπ’ όψιν παραμέτρους που αφορούν και τις δύο κατηγορίες, ανεπτύχθη μία μεθοδολογία βαθμονόμησης της Ηφαιστειακής Επικινδυνότητας συστηματική για όλο το ΕΗΤ. Μία τέτοια εργασία δύναται να συμβάλει ως βάση για τον σχεδιασμό ενός συστήματος έγκαιρης προειδοποίησης. Για την υλοποίηση της βαθμονόμησης διακρίθηκαν δύο κατηγορίες επικινδυνότητας, της Ιστορικής Εκρηκτικότητας και της Σημερινής Ηφαιστειακής Δραστηριότητας, όπου σε κάθε κριτήριο II κάθε κατηγορίας, εδόθη μία συγκεκριμένη βαθμολογία (αναλυτική περιγραφή δίνεται εκτενώς στο κείμενο). Με τον συνδυασμό των δύο κατηγοριών επετεύχθη η τελική βαθμονόμηση της Ηφαιστειακής Επικινδυνότητας, η οποία ουσιαστικά εκφράζει ποσοτικά τον σχετικό βαθμό επικινδυνότητας των επί μέρους ηφαιστειακών κέντρων. Τα κριτήρια που επελέγησαν για την περίπτωση της Ιστορικής Εκρηκτικότητας αναφέρονται σε γεγονότα επικινδυνότητας που προεκλίθησαν από τις ηφαιστειακές εκρήξεις (πυροκλαστικές ροές, ροές λάβας, λαχάρ, τσουνάμι, υδροθερμική έκρηξη, κατάρρευση, κλπ), στην συχνότητα των εκρήξεων, στον βαθμό εκρηκτικότητάς τους, αλλά και στην χρονική τους εξέλιξη, με μεγαλύτερη βαρύτητα στην τελευταία έκρηξη. Τα κριτήρια της Σημερινής Ηφαιστειακής Δραστηριότητας, τα οποία περιγράφουν οποιαδήποτε αφύσικη γεωφυσική δραστηριότητα που επακολούθησε μετέπειτα της τελευταίας εκρήξεως και εντός του διαστήματος παρακολούθησης της παρούσας έρευνας, αναφέρονται στα πρόδρομα φαινόμενα των ηφαιστειακών εκρήξεων, ήτοι της εδαφικής παραμόρφωσης, της σεισμικότητας, της ατμιδικής δραστηριότητας, των γεωχημικών και υδροθερμικών μεταβολών. Η παρακολούθηση της εδαφικής παραμόρφωσης αποτελεί άκρως επιδεκτική και εφαρμόσιμη τεχνική για την αναγνώριση διαφορετικών συμπεριφορών της ηφαιστειακής δραστηριότητας. Εν προκειμένω, ανεπτύχθη μία ανεξάρτητη βαθμονόμηση, η οποία εμπεριέχει χωρο-χρονικές παραμέτρους, αποκτηθείσες από την ανάλυση του Διαφορικού GPS (DGPS) και της Διαφορικής Συμβολομετρίας Ραντάρ (DInSAR). Η τελική βαθμολογία που προκύπτει για την εδαφική παραμόρφωση προστίθεται στις υπόλοιπες παραμέτρους ώστε να υπολογιστεί εν τέλει ένας συντελεστής της σημερινής ηφαιστειακής δραστηριότητας. Οι παράμετροι της σημερινής ηφαιστειακής δραστηριότητας λαμβάνουν διαφορετικούς συντελεστές βαρύτητας στον τελικό τύπο, με την εδαφική παραμόρφωση και την σεισμικότητα να υποδεικνύουν μεγαλύτερη βαρύτητα εκ των εναπομεινάντων κριτηρίων, λόγω της πιο εμπεριστατωμένα αξιόπιστης απόδοσης των αποτελεσμάτων τους. Για την μελέτη της εδαφικής παραμόρφωσης εφαρμόστηκαν Διαφορικές Μετρήσεις GPS (DGPS) και η τεχνική της Διαφορικής Συμβολομετρίας Ραντάρ (DInSAR), για όλα τα ηφαιστειακά κέντρα του ΕΗΤ. Οι τεχνικές GPS και InSAR αποτελούν τις πλέον σύγχρονες III δορυφορικές τεχνικές προσδιορισμού της εδαφικής παραμόρφωσης σε ηφαιστειακά περιβάλλοντα. Βάσει των παρατηρήσεων GPS επιλύονται με ακρίβεια οι οριζόντιες συνιστώσες της κίνησης, ενώ με τα δεδομένα DInSAR εκφράζεται η παραμόρφωση στην διεύθυνση παρατήρησης του δορυφόρου, η οποία με την σειρά της αποδίδει κυρίως τις μεταβολές της επιφάνειας στην κατακόρυφη διάσταση. Στα πλαίσια των μετρήσεων GPS, εγκαταστάθηκε δίκτυο GPS στα ηφαιστειακά κέντρα του Σαρωνικού Κόλπου, όπου και διεξήχθησαν διαδοχικές μετρήσεις μέχρι και το 2008, ενώ στα ηφαιστειακά κέντρα της Σαντορίνης και Νισύρου, όπου τα δίκτυα GPS προϋπήρχαν, διεξήχθησαν νέες μετρήσεις και επιλύσεις των δικτύων, ακόμα και των προηγούμενων μετρήσεων, ώστε να υπάρχει κοινό σημείο αναφοράς καθώς και πλαίσιο αναφοράς, το ITRF2000. Ως αποτέλεσμα κατασκευάστηκαν οι χρονοσειρές παραμόρφωσης από τις οποίες υπολογίστηκαν οι ταχύτητες στο ITRF2000, και εν συνεχεία ως προς σταθερή την Ευρώπη. Επί πλέον οι ταχύτητες υπολογίστηκαν και σε τοπικό επίπεδο, προκειμένου να αποκτηθεί η πληρέστερη εικόνα του σύγχρονου γεωδυναμικού καθεστώτος κάθε ηφαιστειακού κέντρου. Στα πλαίσια της εφαρμογής της DInSAR επελέγησαν συνολικά 60 απεικονίσεις δορυφορικών συστημάτων ERS και ENVISAT του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος, για το συνολικό διάστημα παρακολούθησης 1992-2006. Παρήχθησαν 5 συμβολογραφήματα, δηλαδή χάρτες παραμόρφωσης για την Σαντορίνη, 9 για την Νίσυρο-Κω και 5 για την περιοχή Μεθάνων-Αίγινας. Η συμβολή της εδαφικής παραμόρφωσης στην εκτίμηση της Ηφαιστειακής Επικινδυνότητας στηρίχθηκε στον ποσοτικό υπολογισμό των τοπικών εδαφικών μικρο- μετακινήσεων και κατ’ επέκταση των ρυθμών παραμόρφωσης του φλοιού στα σημεία αυτά. Ο ποσοτικός προσδιορισμός αποτελεί την σημαντικότερη ένδειξη και παράμετρο της εδαφικής παραμόρφωσης που καθορίζει με μεγάλη σαφήνεια την σημερινή ηφαιστειακή δραστηριότητα. Ωστόσο, θα πρέπει να ενταχθεί σε ένα γενικότερο πλαίσιο κατηγοριοποίησης, όπου ένα εύρος ρυθμών παραμόρφωσης αντανακλά μία συγκεκριμένη κατάσταση του ηφαιστείου. Ένα εύρος μεγαλύτερου ρυθμού παραμόρφωσης χαρακτηρίζει συνθήκες πιο έντονης ηφαιστειακής δραστηριότητας. Ουσιαστικά, η εν λόγω ενέργεια στηρίζεται σε ένα σχέδιο απόκρισης, όπου οι σταδιακές μεταβολές των συνθηκών του ηφαιστείου αναπαρίστανται με μία κωδικοποίηση τεσσάρων επιπέδων, από την IV κατάσταση της αδράνειας του ηφαιστείου έως την φάση της έκρηξης (ακολουθείται η διαβάθμιση της Αμερικάνικης Γεωλογικής Υπηρεσίας, USGS). Σημαντικός παράγοντας για την κατηγοριοποίηση των ρυθμών παραμόρφωσης αποτέλεσε η πρόσφατη δράση (1996-1998) του ηφαιστειακού κέντρου της Νισύρου, η οποία δεν κατέληξε σε έκρηξη, εν τούτοις αποτελεί την τελευταία δραστηριότητα κατά μήκος του ΕΗΤ και χρήζει ιδιαίτερης προσοχής και συστηματικής διερεύνησης. Η ανύψωση των 20 mm που υπολογίστηκε πλησίον του μαγματικού θαλάμου, σε συνδυασμό με τα υπόλοιπα χαρακτηριστικά που παρατηρήθηκαν (σεισμικότητα κλπ), κατατάσσουν την εν λόγω δραστηριότητα σε «Μέτρια-έως-Ισχυρή», χωρίς να κατέχει άμεσο κίνδυνο. Τα υπόλοιπα ηφαιστειακά κέντρα εντάσσονται στο επίπεδο της «Ασθενούς Δράσης». Αυτό που καθίσταται σημαντικό και ενδιαφέρον σε αυτήν την περίπτωση είναι ότι φαινόμενο ανύψωσης (πιθανότα συνδεόμενης με μαγματική διείσδυση) με σημαντικό ρυθμό μετατόπισης, η οποία θα μπορούσε να σηματοδοτήσει μιαν ηφαιστειακή έκρηξη, αναγνωρίσθη μόνο στην Νίσυρο. Ανυψωτική τάση του εδάφους, με πολύ μικρότερο ρυθμό (~4 mm/yr), παρατηρήθηκε και στην ΒΑ Θήρα, στο Ακρωτήριο του Κολούμπου, λόγω πιθανότατα της ηφαιστειακής δράσης του Ηφαιστείου Κολούμπου. Αντιθέτως, στα ηφαιστειακά κέντρα του Σαρωνικού Κόλπου παρατηρήθηκε καθίζηση (από -3 έως -8 mm/yr), υποδηλώνοντας ασθενή ηφαιστειακή δράση. Μετά την τελική βαθμολογία της Ηφαιστειακής Επικινδυνότητας, και την παρουσίασή της σχετικής της κατανομής, διακρίνονται τρεις διαφορετικές ομάδες βαθμού Ηφαιστειακής Επικινδυνότητας κατά μήκος του ΕΗΤ. Το ηφαιστειακό κέντρο του Κολούμπου, το οποίο παρουσιάζει την μεγαλύτερη βαθμολογία χαρακτηρίζει την πρώτη ομάδα της Υψηλής Επικινδυνότητας, τα ηφαιστειακά κέντρα της Νισύρου και Σαντορίνης με τις αμέσως μικρότερες βαθμολογίες οριοθετούν την ομάδα της Μέσης Επικινδυνότητας, και τέλος τα ηφαιστειακά κέντρα της Μήλου και Μεθάνων που παρουσιάζουν μικρή και σχετικά κοντινή βαθμολογία, χαρακτηρίζουν την τρίτη ομάδα της Χαμηλής Επικινδυνότητας. Αν και τα ηφαιστειακά κέντρα Κολούμπου και Νισύρου καθορίζουν διαφορετικές ομάδες επικινδυνότητας, παρ’ όλα αυτά, εμφανίζουν παρόμοια σημερινή ηφαιστειακή δράση. Λαμβάνοντας υπ’ όψιν το γενικό πλαίσιο παρακολούθησης που απαιτείται στην περίπτωση ενός ενεργού ηφαιστείου, το οποίο ορίζεται με την σεισμικότητα, την εδαφική V παραμόρφωση, την έκλυση αερίων, τις υδρολογικές μεταβολές, και την εφαρμογή της τηλεπισκόπισης έγινε η προσπάθεια να προταθεί η κατάλληλη παρακολούθηση, η οποία αρμόζει σε κάθε περίπτωση επικινδυνότητας. Διακρίθηκαν δύο διαφορετικά επίπεδα παρακολούθησης που απαιτούνται στην περίπτωση των ηφαιστειακών κέντρων του τόξου: α) Ελάχιστη Παρακολούθηση για τα ηφαιστειακά κέντρα Σαντορίνης (Νέας Καμμένης), Μήλου και Μεθάνων, τα οποία υποδεικνύουν πολύ μικρή σημερινή ηφαιστειακή δραστηριότητα, και β) Περιορισμένη Παρακολούθηση για τα ηφαιστειακά κέντρα Κολούμπου και Νισύρου, τα οποία υποδεικνύουν μεγαλύτερη ηφαιστειακή δράση. Στην πρώτη περίπτωση, της ελάχιστης παρακολούθησης, τα δεδομένα συλλέγονται σε μεγάλα χρονικά διαστήματα, ενώ στην περίπτωση της περιορισμένης παρακολούθησης, η ανίχνευση οποιασδήποτε ακανόνιστης μεταβολής, λόγω της συχνής δράσης του ηφαιστείου, επιτυγχάνεται «Σχεδόν σε Πραγματικό Χρόνο». Σε ενδεχόμενη αύξηση της δραστηριότητας τα επίπεδα παρακολούθησης οφείλουν να αλλάξουν και να διεξαχθούν σε «Πραγματικό Χρόνο» με λεπτομερείς εφαρμογές των μεθόδων, που αφορούν την ανίχνευση της προ-εκρηκτικής και της εκρηκτικής μεταβολής (Βασική Παρακολούθηση σε Πραγματικό Χρόνο) και της ανάπτυξης και εφαρμογής μοντέλων της εξελισσόμενης αναμενόμενης δραστηριότητας (Εντατική Παρακολούθηση σε Πραγματικό Χρόνο). Ένα επί πλέον βήμα το οποίο επετεύχθη κατά την παρούσα έρευνα, με την εφαρμογή του Διαφορικού GPS, αφορά την κινηματική του ΕΗΤ, τόσο σε τοπικό επίπεδο, όσο και σε ευρύτερο επίπεδο, από την συνδυαστική κίνηση των επί μέρους ηφαιστειακών κέντρων. Για να κατανοηθούν οι γεωδυναμικοί μηχανισμοί σε μία ενεργή περιοχή, σχετικά αξιόλογης Ηφαιστειακής Επικινδυνότητας, όπως είναι το ΕΗΤ, είναι αρκετά σημαντικό να είναι γνωστό το κινηματικό πεδίο της περιοχής. Εξετάζοντας την κινηματική κάθε ενός ηφαιστειακού κέντρου χωριστά, δύναται να διακριθεί η μαγματική ή τεκτονική προέλευση της παραμόρφωσης. Ωστόσο, ένα μειονέκτημα το οποίο εισάγεται εξ αρχής στην μελέτη των ηφαιστειακών χώρων, είναι η δυσκολία ερμηνείας της εδαφικής παραμόρφωσης, λόγω της επιρροής της τεκτονικής δομής, και του διαχωρισμού της τεκτονικής παραμόρφωσης από την ηφαιστειακή. Για αυτόν τον λόγο, πραγματοποιήθηκε η προσπάθεια της τεκτονικής ερμηνείας των αποτελεσμάτων GPS, ώστε να επιβεβαιωθεί ή να ακυρωθεί, αντιστοίχως. Λαμβανομένου υπ’ όψιν του τεκτονικού ιστού των περιοχών, και εξετάζοντας τα ανύσματα της οριζόντιας κίνησης, οριοθετήθηκαν περιοχές-ενότητες VI με όμοια κινηματική. Διαπιστώθηκε ότι οι σημερινές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα κατά μήκος του ΕΗΤ οφείλονται κυρίως στην τεκτονική των περιοχών, χωρίς όμως να θεωρείται αμελητέα και η συνιστώσα των μαγματικών διαδικασιών. Μία χαρακτηριστική εικόνα απεδόθη στην Νίσυρο κατά την διάρκεια της σεισμικής δραστηριότητας του 1996- 1998. Η αξιοσημείωτη ανύψωση των 20 mm που πραγματοποιήθηκε στην ΒΔ Νίσυρο φαίνεται να ήταν το αποτέλεσμα του συνδυασμού μαγματικών/τεκτονικών μηχανισμών. Η εκτόνωση της μαγματικής δραστηριότητας πραγματοποιήθηκε κατά μήκος ασυνεχειών του φλοιού. Γενικότερα, η συμβολή των μαγματικών διεργασιών δεν δύναται να αποκλειστεί, αλλά δεν φαίνεται να παρατηρείται σε αξιόλογο βαθμό λόγω της απουσίας των συνοδών φαινομένων (πχ υψηλή θερμική ροή, αυξημένη υδροθερμική δραστηριότητα). Ένα σημαντικό στάδιο κατά την μελέτη της εδαφικής παραμόρφωσης και της εξέτασης της κινηματικής του ΕΗΤ, αποτέλεσε η κατασκευή των χρονοσειρών παραμόρφωσης για κάθε δίκτυο GPS του ΕΗΤ. Το γεγονός αυτό ευνόησε, από την μελέτη της χωρο-χρονικής ακολουθίας της παραμόρφωσης, να μελετηθούν οι μεταβολές της παραμόρφωσης στο ηφαιστειακό κέντρο της Νισύρου κατά την διάρκεια και μετέπειτα της σεισμικής κρίσης (1996-1998). Αναγνωρίσθηκε και υπολογίστηκε η συν-σεισμική ανύψωση, η οποία εκφράζει την συσσωρευτική παραμόρφωση για την σεισμική περίοδο 1997-1998, αλλά και η μετασεισμική παραμόρφωση, η οποία εκφράζει τον ρυθμό μετατόπισης για την χρονική περίοδο 1998-2002. Η χωρική διακύμανση της παραμόρφωσης, στην οριζόντια και κατακόρυφη συνιστώσα της κίνησης, όπως εξετάσθη στην παρούσα έρευνα για την περίπτωση της πιο πρόσφατης δραστηριότητας κατά μήκος του ΕΗΤ, η οποία δεν κατέληξε σε έκρηξη, και η οποία δεν έχει επαναληφθεί έκτοτε, δύναται να χρησιμοποιηθεί ως βάση για πιθανή ένδειξη, είτε όμοιας μελλοντικής δραστηριότητας, είτε μεγαλύτερης που θα μπορούσε να παράγει μεγαλύτερου βαθμού επικινδυνότητες, ακόμα και ηφαιστειακή έκρηξη. Ο διαχωρισμός της συν-σεισμικής παραμόρφωσης αποτέλεσε σημαντική εργασία, διότι αποτέλεσε την βάση οριοθέτησης των ρυθμών παραμόρφωσης για την αντίστοιχη διαβάθμιση των συνθηκών του ηφαιστείου. Αποτέλεσε την μοναδική πληροφορία, για τα τελευταία 16 έτη που παρακολουθείται μέσω GPS το ΕΗΤ, κατά την διάρκεια των οποίων δεν παρατηρήθηκε οποιαδήποτε άλλη δραστηριότητα, πλην της σεισμικής κρίσης της Νισύρου. Συμπληρωματικές πληροφορίες από άλλα ηφαίστεια ανά VII τον Κόσμο, όπως ρυθμοί ανύψωσης πριν από ηφαιστειακές εκρήξεις, αλλά και από απλές διεισδύσεις, υποδεικνύουν ότι κάθε ηφαίστειο λειτουργεί διαφορετικά και δεν δύναται να γενικευθεί σε μία ενιαία ομάδα με αναμενόμενους ρυθμούς παραμόρφωσης.