Application of geophysical technique to the investigation of tectonic structures in urban and sub-urban environments: a case study in Athens basin

Abstract

On 7th September 1999, a 5.9R earthquake occurred in Greece metropolis, Athens city, causing enormous damage in almost 70.000 buildings with almost 100 of them collapsing. More than 2.000 injuries were recorded along with 143 dead people and at least 100.000 homeless people. Although a lot of major earthquakes had occurred during the last 100 years in the greater area of Athens basin, this one caused the most damage. The 7th September 1999 earthquake had its epicenter at a fault that had not generated severe earthquakes until then.Geologically, Athens basin is a complex neotectonic graben, covered with post-alpine sediments, elongated in a NE-SW direction. The surrounding mountains as well as the interior hills of the basin are structured by alpine formations, which are separated tectonically by a large-scale detachment zone in two rock types. At the eastern margin, the metamorphic formations of Attico-Cycladic Unit are located, comprising the relatively autochthonous geotectonic unit. At the northern and western margins, the unmetamorphic formations appear, known as the Ypopelagoniki Unit. The metamorphic formations of Attico-Cycladic massif that we come along are mainly marbles, schists and dolomites, dips towards NW under the unmetamorphic formations (mainly limestones and shales), with a general trace direction NE-SW. The hills located in the basin are mainly constituted by semi-metamorphic rocks (mainly sandstones, schists, tuffs, limestones) that belong to the allochthonous units of Athens and Alepovouni. Overlying the four (4) different geotectonic alpine units and the detachment zone, there are the recent post-alpine sediments, covering the majority of Athens basin. In the context of this Ph.D. thesis, the gravity method has been applied for the subsurface investigation of the geotectonic structure of the urban and sub-urban areas of Athens basin, taking into account all the limitations of the increasing coverage by artificial structures (buildings, stadiums, roads, playgrounds, public services station etc.). It is expected to contribute by either verifying fault zones already mapped as possible/covered or even revealing new concealed (blind) faults which could affect the city in the future by generating disastrous earthquakes. The density of the existing geological formations in the Athens basin was determined combinational with laboratory measurements on surface samples and cores, with the application of the Nettleton method across hills and with additional seismic velocity information. The information from all three methods was compared and evaluated in order to end up with a specific density value for each geological formation. In the context of this gravity survey, data from 1.122 gravity measurements were finally gathered, including the grid gravity stations, Nettleton profiles and the established gravity base network. The corresponding Differential Global Positioning System (dGPS) measurements were also carried out for the determination of their exact coordinates. All the necessary corrections (drift, tide, latitude, free-air, terrain, Bouguer) were applied on the acquired gravity data in the context of the standard data reduction and the calculation of the final Bouguer Anomaly Map. A method for calculating the additional Building Correction, necessary for such urban areas is also presented. The regional-residual separation was performed with Fourier Analysis and Filtering, based on the Power Spectrum Analysis data, which in our case indicated anomaly sources of two different depths. In the context of the qualitative interpretation, we took advantage of the derivatives methods in order to enhance the structural edges. Thereby, we produced several structural maps by applying most of the enhancement techniques, such as the Total Horizontal Derivative (THDR), the First Vertical Derivative (VDR), the Second Vertical Derivative (SVDR), the Analytical Signal (AS), Tilt (Tilt) and the Theta (cos Tilt). Their results were extremely helpful, providing severe indications for the delineation of the structural framework of the area. The final evaluation of the gravity survey is based on the quantitative interpretation, from which we try to determine some specific parameters, such as the location, depth, shape and density contrast of the subsurface geological bodies. This kind of information is obtained from several sources. First, we have obtained information for the depths according to the results of the 3D Euler deconvolution. Afterwards, by producing several 3D density models of the subsurface, we have gathered data concerning mostly the shape, depth and density contrast of the source bodies causing the determined gravity anomalies. Finally, we have the interpretive geological 2.75-D density models, where we compare the gravity response of the geological sections with the observed ones. These geophysical-geological profiles provide a subsurface “image” of the geological and tectonic structure. The application of the gravity method in urban and sub-urban areas of Athens basin is considered more than successful and informative for our case. The importance of this Ph.D. thesis is considered multidisciplinary since it contributes not only to the immiscibly geological and tectonic knowledge but also to the geophysical knowledge, with the thorough study, application and evaluation of the innovative Building Correction. Although the differences of the final Residual Anomaly for many gravity stations were negligible, before and after the Building Correction, significant ones have been revealed, with values reaching up to 0.19 mGal.Beyond that, an important correlation between published isoseismal contours the 7-9-1999 earthquake and the produced residual or structural maps has been revealed, where the most damaged areas are also presented with low gravity anomaly values. This could mean that we might have one new innovative scientific way to locate and define the most dangerous and susceptible to potential earthquake damage areas, especially in urban zones, where the collection of the necessary data is difficult and because of that, they have already published in an international scientific journal.Finally, the immiscibly geological and tectonic data obtained from this Ph.D. thesis refer to depths up to 2000-2500 meters. Important data regarding the thickness of the geological formations covering the basin were retrieved. Beyond that, we were able to identify and propose new locations of blind faults or even verify and modify the location of already proposed as concealed faults zones from older geological researches, which was practically the initial purpose of this Ph.D. thesis.

Στις 7 Σεπτεμβρίου 1999, ένας ισχυρός σεισμός μεγέθους 5,9R πραγματοποιήθηκε στην πρωτεύουσα της Ελλάδος, την Αθήνα, προκαλώντας υλικές ζημιές σε περίπου 70.000 κτίρια, εκ των οποίων περίπου 100 τελικά κατέρρευσαν. Πάνω από 2.000 άτομα τραυματίστηκαν, 143 εντοπίστηκαν νεκροί και τουλάχιστον 100.000 άνθρωποι έμειναν άστεγοι. Παρότι τα τελευταία 100 χρόνια έχουν καταγραφεί αρκετοί ισχυροί σεισμοί στην ευρύτερη περιοχή της λεκάνης των Αθηνών, αυτός ήταν ο πιο καταστροφικός. Το επίκεντρο του σεισμού της 7ης Σεπτέμβριου 1999 εντοπίζεται σε μια ρηξιγενή ζώνη που μέχρι τότε δεν ήταν γνωστή γιατί δεν είχε προκαλέσει ισχυρούς σεισμούς μέχρι τότε. Γεωλογικά, η λεκάνη των Αθηνών είναι ένα περίπλοκο επίμηκες νεοτεκτονικό βύθισμα, διεύθυνσης ΒΑ-ΝΔ, που καλύπτεται από μεταλπικά ιζήματα στο μεγαλύτερο μέρος της. Τα περίγυρα όρη καθώς και λόφοι που βρίσκονται στο εσωτερικό της λεκάνης δομούνται από αλπικά πετρώματα, τα οποία χωρίζονται τεκτονικά σε δύο διαφορετικούς τύπους από μια μεγάλη ζώνης τεκτονικής αποκόλλησης. Στα ανατολικά περιθώρια, εντοπίζεται η σχετικά αυτόχθονη Αττικο-Κυκλαδική Ενότητα με μεταμορφωμένα πετρώματα. Στα βόρεια και δυτικά περιθώρια εντοπίζεται η αμέταμόρφωτη Υποπελαγονική Ενότητα. Τα μεταμορφωμένα πετρώματα που απαρτίζουν την Αττικό-Κυκλαδική μάζα στην περιοχή είναι κυρίως μάρμαρα, σχιστόλιθοι και δολομίτες, τα οποία βυθίζονται προς τα ΒΔ κάτω από τους αμεταμόρφωτους σχηματισμούς των ασβεστόλιθων και κλαστικών του Παλαιοζωικού. Οι λόφοι στο εσωτερικό του λεκανοπέδιου δομούνται από ημι-μεταμορφωμένα πετρώματα (κυρίως ψαμμίτες, σχίστες, τοφφίτες και ασβεστόλιθους) που ανήκουν στις αλλόχθονες ενότητες των Αθηνών και Αλεποβουνίου. Υπερκείμενα και των τεσσάρων αυτών αλπικών ενοτήτων εντοπίζονται τα πρόσφατα μεταλπικά ιζήματα τα οποία και καλύπτουν το μεγαλύτερο μέρος του λεκανοπέδιου Αθηνών. Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής, η βαρυτική μέθοδος εφαρμόστηκε για τη διερεύνηση της υπεδαφικής δομής των αστικών και περιαστικών περιοχών του λεκανοπέδιου των Αθηνών, λαμβάνοντας υπόψη όλους τους περιορισμούς που προκύπτουν από την αυξημένη κάλυψη του από ανθρωπογενείς κατασκευές (κτίρια, στάδια, δρόμους, παιδικές χαρές, σταθμοί μέσων μαζικής μεταφοράς κ.ά.). Τα αποτελέσματα της αναμένεται να συνεισφέρουν είτε στην επιβεβαίωση ρηξιγενών ζωνών που έχουν ήδη αποτυπωθεί ως πιθανές είτε στον εντοπισμό νέων καλυμμένων ρηξιγενών ζωνών που θα μπορούσαν μελλοντικά να επηρεάσουν την πόλη των Αθηνών προκαλώντας κάποιο καταστροφικό σεισμό. Η πυκνότητα του κάθε γεωλογικού σχηματισμού της περιοχής καθορίστηκε συνδυαστικά από εργαστηριακές μετρήσεις επιφανειακών γεωλογικών δειγμάτων και πυρήνων γεωτρήσεων, από την εφαρμογή της μεθόδου Nettleton κατά μήκος τοπογραφικών εξάρσεων καθώς και από στοιχεία σεισμικών ταχυτήτων. Η συνδυαστική αυτή πληροφορία συγκρίθηκε και αξιολογήθηκε προκειμένου να αποδοθεί μια χαρακτηριστική τιμή πυκνότητας για κάθε γεωλογικό σχηματισμό. Στο πλαίσιο της βαρυτικής έρευνας, συγκεντρώθηκαν δεδομένα από 1.122 θέσεις βαρυτικών μετρήσεων, συμπεριλαμβανομένων βαρυτικών σταθμών καννάβου, τομές Nettleton και τις βαρυτικές βάσεις του δικτύου που ιδρύθηκε. Οι αντίστοιχες μετρήσεις Διαφορικού GPS πραγματοποιήθηκαν προκειμένου να καθορισθούν με ακρίβεια οι συντεταγμένες των θέσεων. Εφαρμόστηκαν όλες οι απαραίτητες διορθώσεις (drift, παλιρροιακές, γεωγραφικού πλάτους, ελευθέρου αέρα, τοπογραφικές, πλάκας Bouguer) και κατασκευάστηκε ο Χάρτης Ανωμαλίας Bouguer. Επιπλέον, περιγράφεται ενδελεχώς η διαδικασία υπολογισμού της διόρθωσης λόγω του όγκου των κτιρίων, απαραίτητη για βαρυτικές μετρήσεις σε αστικές περιοχές. Ο διαχωρισμός της τοπικής ή υπολειπόμενης (residual) ανωμαλίας Bouguer από της ευρείας (regional) πραγματοποιήθηκε με Ανάλυση και εφαρμογή φίλτρων Fourier, βασιζόμενη στην φασματική ανάλυση των δεδομένων, που στην συγκεκριμένη περιοχή κατέδειξε δύο διαφορετικά βάθη για τις μάζες που προκαλούν τις ανωμαλίες.Για την ποιοτική ερμηνεία των βαρυτικών δεδομένων που συγκεντρώθηκαν, οι παράγωγοι τους χρησιμοποιήθηκαν για την ενίσχυση των τεκτονικών γραμμών. Κατασκευάστηκαν αρκετοί χάρτες «τεκτονικών γραμμώσεων» (structural maps) εκμεταλλευόμενοι τις παραγώγους, όπως αυτοί της Ολικής Οριζόντιας Παράγωγου (THDR), της Πρώτης Κατακόρυφης Παράγωγου (VDR), της Δεύτερης Κατακόρυφης Παράγωγου (SVDR), του ‘Αναλυτικού σήματος’ (Analytic Signal) και της ‘Κλίσης’ (Tilt). Τα αποτελέσματα ήταν ιδιαίτερα χρήσιμα, προσδίδοντας σοβαρά στοιχεία για την σκιαγράφηση του τεκτονικού ιστού του λεκανοπέδιου. Η τελική αξιολόγηση των βαρυτικών δεδομένων στηρίχθηκε στην ποσοτική ερμηνεία τους, μέσω της οποίας προσπαθούμε να καθορίσουμε κάποιες χαρακτηριστικές παραμέτρους, όπως η θέση, το βάθος, το γεωμετρικό σχήμα και η διαφορά πυκνότητας των υπεδαφικών γεωλογικών σχηματισμών. Αυτού του είδους τα στοιχεία συγκεντρώθηκαν από διάφορες πηγές. Αρχικά, πληροφορίες βάθους συλλέχθηκαν από τα αποτελέσματα της 3D αποσυνέλιξης Euler. Έπειτα, με την κατασκευή των 3D μοντέλων κατανομής της υπεδαφική πυκνότητας, συλλέξαμε στοιχεία κυρίως για το γεωμετρικό σχήμα, το βάθος και τη διαφορά πυκνότητας των γεωλογικών σωμάτων που προκαλούν τις βαρυτικές ανωμαλίες. Επιπλέον, κατασκευάστηκαν 2.75D γεωλογικές-γεωφυσικές τομές, συγκρίνοντας την βαρυτική απόκριση των γεωλογικών μοντέλων με αυτή των μετρήσεων, από τις οποίες προέκυψε μια υπεδαφική απεικόνιση της γεωτεκτονική δομής. Η εφαρμογή της βαρυτικής μεθόδου σε αστικές και περι-αστικές περιοχές του λεκανοπέδιου Αθηνών θεωρείται παραπάνω από επιτυχής, προσφέροντας αρκετές νέες πληροφορίες. Θεωρούμε πολυπαραμετρική τη συνεισφορά της παρούσα διδακτορικής διστριβής, δεδομένου ότι συνεισφέρει όχι μόνο στην αμιγώς γεωτεκτονική γνώση της περιοχής αλλά και στην γεωφυσική γνώση, μέσα από την εκτενή εφαρμογή και αξιολόγηση της Διόρθωση Κτιρίων (Building Correction). Παρότι σε πολλές θέσης βαρυτικής μέτρησης προέκυψαν σχεδόν αμελητέες διαφορές στην τοπική ανωμαλία Bouguer, πριν και μετά την εφαρμογή της Διόρθωσης Κτιρίων, σε κάποιες θέσεις υπολογισθήκαν τιμές ως και 0.19 mGal.Επιπλέον, παρατηρήθηκαν έντονες συσχετίσεις μεταξύ δημοσιευμένων ισόσειστων καμπύλων από το σεισμό της 7-9-1999 και των βαρυτικών χαρτών τοπικής ανωμαλίας και ‘τεκτονικών γραμμώσεων’ που παρήχθησαν, με τις πληγείσες περιοχές να εντοπίζονται εντός των περιοχών χαμηλών βαρυτικών τιμών ανωμαλίας. Θα μπορούσαμε να πούμε ότι είναι νέα επιστημονική προσέγγιση, σχετικά με τον εντοπισμό και σκιαγράφηση επικίνδυνων περιοχών, επιρρεπών σε αυξημένες καταστροφές από σεισμικό γεγονός, ειδικά εντός αστικών ζωνών όπου η συλλογή επιστημονικών δεδομένων θεωρείται πιο δύσκολη. Εξαιτίας της σημαντικότητας της, η συγκεκριμένη επιστημονική προσέγγιση έχει ήδη δημοσιευθεί σε επιστημονικό περιοδικό.Τέλος, τα νέα γεωλογικά και τεκτονικά δεδομένα που προκύπτουν από την εκπόνηση της παρούσας διδακτορικής διατριβής φτάνουν σε βάθη της τάξεως των 2000-2500 μέτρων. Σημαντικά στοιχεία σχετικά με την εκτίμηση των παχών γεωλογικών σχηματισμών έχουν προκύψει. Επιπλέον, σχετικά και με το τελικό στόχο της παρούσας διδακτορικής διατριβής, συγκεντρώθηκαν αρκετά στοιχεία ώστε να μπορέσουμε είτε να εντοπίσουμε και να προτείνουμε νέες θέσεις ρηξιγενών ζωνών είτε να επιβεβαιώσουμε και να τροποποιήσουμε ήδη προτεινόμενες ρηξιγενείς ζώνες από παλαιότερες γεωλογικές έρευνες.