Study of active tectonics of western Greece using InSAR-seismology and structural geology

Abstract

This dissertation explores the impact of space geodetic techniques like InSAR and GNSS time-series analysis on active tectonic structures in Western Greece. The study focuses on the Paliki peninsula, which is near the transform fault (CTF), to provide insights into active shortening produced by compressional deformation across western Cephalonia through a comprehensive analysis of geodetic data, including InSAR and GNSS. Our analysis covers the period from 2016 to 2022 and leverages LiCSBAS, an open-source package, for InSAR time series analysis with the N-SBAS method. The results of the InSAR analysis demonstrate deformation rates between 2 and 5 mm/yr in the line-of-sight (LOS) direction of the satellite. Also, the study produced new E-W and Up-Down velocity maps, which may have a large impact on seismic hazard assessment. The results show a 1.5 mm/yr E-W shortening between Paliki (Lixouri) and central Cephalonia (Argostoli), equivalent to 187 ns/yr of shortening rate. The Paliki peninsula is uplifting with an average rate of 1 mm/yr, and the maximum values of uplift are located in the southwestern part of the peninsula with a rate of about 2 mm/yr. The seismic fault activated during the 3 February 2014, M6.1 earthquake onshore Paliki can be traced in the maps as a kinematic discontinuity. The dissertation’s results suggest a complex deformation pattern on the Paliki peninsula with strain accumulation along strike-slip and reverse-slip faults. New velocity maps were produced for the Aitolia-Akarnania region. The study also confirms the creeping behavior along the Katouna-Stamna Fault (KSF) in the Aitolia-Akarnania region, with the observed offset of velocity across the fault trace playing a key role in the interseismic behavior of the fault. A new dataset of focal mechanisms of about 40 earthquakes for the Aitolia & Akarnania region was constructed, revealing the complex seismicity pattern of the area. The third case study mapped the Psathopyrgos fault through time-series analysis, revealing a possible rupture or passive slip on the Psathopyrgos fault plane or triggering mechanisms of the second and third stages of the seismic sequence of 2021. The data also confirmed a right-lateral slip deficit along the western segment of the Psathopyrgos fault, confirming the presence of creeping behavior along this type of faulting. The non-tectonic movements recording by InSAR showed slow ground motions that represent slow moving landslides. The kinematic behaviour of active landslides at several localities in the area of Panachaikon Mountain, Achaia (Peloponnese, Greece) were studied using Sentinel (C-band) InSAR time series analysis. The average displacement maps were obtained for the period 2016–2021. The maximum displacement rate of each landslide is located at about the center of it. The average E-W velocity of the Krini landslide is ∼3 cm/year (toward the east) and 0.6 cm/year downward. The line-of-sight (LOS) velocity of the landslide (descending orbit) compares well to a co-located GNSS station within (±) 3 mm/yr. Our results also suggest a correlation between rainfall and landslide motion. For the Krini landslide, a cross-correlation analysis of our data suggests that the mean time lag was 13.5 days between the maximum seasonal rainfall and the change in the LOS displacement rate. Furthermore, the amount of total seasonal rainfall controls the increase in the displacement rate, as 40–550 per cent changes in the displacement rate of the Krini landslide were detected, following to a seasonal maximum of rainfall values at the nearby meteorological station of Kato Vlassia. According to our results, it seems that large part of this mountainous region of Achaia suffers from slope instability that is manifested in various degrees of ground displacement greatly affecting its morphological features and inhabited areas. The study found a correlation between rainfall and landslide motion, with the displacement rates of the Krini active landslide increasing after a period of rainfall. These findings have significant implications for the study of slow-moving landslides, offering new perspectives on the correlation of the displacement rate of a landslide with the amount of total rainfall. The dissertation focuses on elastic block modelling to understand the overall kinematics of western Greece. Western Greece is a high-seismicity area marking a shift from collision to subduction. West of the CTF, the Apulian carbonate platform abuts against the NW Greece-Albania foreland. East of the CTF, the old Mesozoic Ionian oceanic lithosphere subducts beneath the Peloponnese. The dissertation studied the kinematics in this region by modeling the GNSS velocity field using an elastic block approach to determine the rotations of tectonic blocks and the rate of slip deficit accumulation along major crustal faults. We use a comprehensive horizontal velocity field derived from continuous GNSS data covering western Greece and southern Italy. We find that the overall kinematics is well described by the rotation of five (5) tectonic blocks. These blocks consist of the Apulian block, which corresponds to the Apulian platform, central Greece, Peloponnese, and the Ionian-Akarnania Block. The Ionian-Akarnania is bounded by the CTF, the Graben of Amvrakikos, the KSF, and the Movri fault zone (MFZ). Additionally, we propose the existence of a micro-block, the South Aitolia Block (SAB), which is located between the Trichonis Lake and the Gulf of Patras. Our model finds right-lateral strike-slip motion (∼16 mm/yr) and a small reverse component of slip (∼4 mm/yr) along the CTF. The motion transfers to the triple junction in Preveza, where the boundary in Epirus between the Apulian platform and northwestern Greece to the north receives the collision act through active shortening along that boundary with ∼7 mm/yr. The gulf of Amvrakikos undergoes rapid extension at ∼10mm/yr. The KSF has a rapid slip rate that fluctuates in value, and it’s possible that the long-term slip rate reflects the fault’s creeping behaviour. The MFZ shows right-lateral relative motion, with a possible small normal component along the zone. Overall, the regional kinematics is well explained by the trenchward motion of a single Ionian- Akarnania block having faster velocity than central Greece but a velocity slower than Peloponnese. The IAB block experiences internal deformation, and the Kyllini-Cephalonia Fault (KCF) seems to control a pattern of distributed deformation inside the block. The model provides the first consistent kinematic model at the scale of western Greece, solving for the effects of rigid block rotations and elastic strain accumulation at major crustal faults. Also, the study suggests that the subduction of the Nubia plate beneath Eurasia does not control the overall deformation regime on western Greece.

Η παρούσα διατριβή διερευνά την ενεργό τεκτονική μέσω διαστημικών γεωδαιτικών τεχνικών, όπως η ανάλυση χρονοσειρών InSAR και GNSS, στην ευρύτερη περιοχή της Δυτικής Ελλάδας. Αρχικά, η μελέτη της διατριβής επικεντρώνεται στη χερσόνησο της Παλικής, η οποία βρίσκεται κοντά στο ρήγμα μετασχηματισμού της Κεφαλλονιάς (CTF), και παρέχει πληροφορίες σχετικά με την ενεργό βράχυνση που παράγεται λόγω της συμπιεστικής παραμόρφωσης σε ολόκληρη τη δυτική Κεφαλονιά μέσω μιας ολοκληρωμένης ανάλυσης γεωδαιτικών δεδομένων, συμπεριλαμβανομένων των InSAR και GNSS. Η περιοχή είναι επιρρεπής σε συχνούς σεισμούς, λόγω της γειτνίασής της με το ρήγμα μετασχηματισμού της Κεφαλονιάς (CTF), ένα δεξιόστροφο ρήγμα οριζόντιας ολίσθησης μήκους 140 χιλιομέτρων (με διεύθυνση ΒΒΑ-ΝΝΔ), το οποίο φιλοξενεί τη σχετική κίνηση μεταξύ των λιθοσφαιρικών πλακών της Απουλίας και της μικροπλάκας του Αιγαίου. Η ανάλυση καλύπτει την περίοδο από το 2016 έως το 2022 και αξιοποιεί το LicSBAS,, ένα λογισμικό πακέτο ανοικτού κώδικα, για την ανάλυση χρονοσειρών μετατοπίσεων InSAR με τη μέθοδο N-SBAS. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης InSAR καταδεικνύουν ρυθμούς παραμόρφωσης μεταξύ 2 και 5 mm/yr στη διεύθυνση λήψης (LOS) του δορυφόρου. Επίσης, η μελέτη της διατριβής παρήγαγε νέους χάρτες ταχυτήτων των συνιστωσών E-W και Up-Down. Τα αποτελέσματα δείχνουν βράχυνση στον άξονα Α-Δ 1,5 mm/yr μεταξύ της Παλικής (Ληξούρι) και της κεντρικής Κεφαλονιάς (Αργοστόλι), που ισοδυναμεί με 187 nstrain/yr ρυθμό βράχυνσης. Η χερσόνησος της Παλικής ανυψώνεται με μέσο ρυθμό 1 mm/yr και οι μέγιστες τιμές ανύψωσης εντοπίζονται στο νοτιοδυτικό τμήμα της χερσονήσου με ρυθμό περίπου 2 mm/yr. Το σεισμικό ρήγμα που ενεργοποιήθηκε κατά τη διάρκεια του σεισμού Μ6.1 της 3ης Φεβρουαρίου 2014 πάνω στη χερσόνησο της Παλικής μπορεί να εντοπιστεί στους χάρτες ως κινηματική ασυνέχεια. Τα αποτελέσματά υποδηλώνουν ένα σύνθετο μοτίβο παραμόρφωσης στη χερσόνησο της Παλικής με συσσώρευση τάσεων κατά μήκος ρηγμάτων οριζόντιας ολίσθησης και ανάστροφων ρηγμάτων. Νέοι χάρτες τεκτονικών ταχυτήτων για την περιοχή Αιτωλίας-Ακαρνανίας παρήχθησαν. Η μελέτη της διατριβής επιβεβαιώνει επίσης την ερπυστική συμπεριφορά κατά μήκος της ρηξιγενούς ζώνης της Κατούνας (KSF) στην περιοχή Αιτωλίας-Ακαρνανίας, με την παρατηρούμενη μεταβολή της ταχύτητας εκατέρωθεν του ίχνους του ρήγματος να παίζει καθοριστικό ρόλο στη συμπεριφορά του ρήγματος. Στη συνέχεια, παράχθηκε ένα νέο σύνολο δεδομένων μηχανισμών γένεσης (40 σεισμών) για την περιοχή Αιτωλίας & Ακαρνανίας, αποκαλύπτοντας το σύνθετο μοτίβο σεισμικότητας της περιοχής. Η τρίτη περιοχή μελέτης της διατριβής χαρτογράφησε το ρήγμα του Ψαθόπυργου μέσω ανάλυσης χρονοσειρών, αποκαλύπτοντας πιθανή συν-σεισμική ολίσθηση ή παθητική ολίσθηση στο επίπεδο του ρήγματος του Ψαθόπυργου κατά το δεύτερο και τρίτο σταδίο της σεισμικής κρίσης του 2021 στον Κορινθιακό κόλπο. Τα δεδομένα επιβεβαίωσαν επίσης την παρουσία δεξιοστροφής πλάγιας ολίσθησης κατά μήκος του δυτικού τμήματος του ρήγματος του Ψαθόπυργου, όπως επίσης επιβεβαίωσαν την παρουσία ερπυστικής συμπεριφοράς κατά μήκος αυτού του τύπου ρήγματος. Οι μη τεκτονικές κινήσεις που καταγράφηκαν με το InSAR έδειξαν αργές εδαφικές κινήσεις που συνδέονται με την ύπαρξη κατολίσθησεων. Μελετήθηκε η κινηματική συμπεριφορά των ενεργών κατολισθήσεων σε διάφορες τοποθεσίες στην περιοχή του Παναχαϊκού ΄Ορους στην Αχαΐα (Πελοπόννησος, Ελλάδα) χρησιμοποιώντας ανάλυση χρονοσειρών InSAR του δορυφόρου Sentinel (C-Band). Παρήχθησαν χάρτες μέσης μετατόπισης για την περίοδο 2016-2021. Διαπιστώσαμε ότι ο μέγιστος ρυθμός μετατόπισης κάθε κατολίσθησης εντοπίζεται περίπου στο κέντρο της. Η μέση ταχύτητα στη συνιστώσα Α-Δ της κατολίσθησης της Κρήνης είναι ∼3 cm/yr (προς τα ανατολικά) και 0,6 cm/yr βύθιση. Η ταχύτητα στη διευθυνση λήψης του δορυφόρου (Line-of-Sight (LOS)) της κατολίσθησης (κατερχόμενη τροχιά) συγκρίνεται καλά με την παρατηρούμενη ταχύτητα ενός GNSS σταθμού, ο οποίος εδρεύει εντός των ορίων της κατολίσθησης με διαφορές της τάξεως των (±) 3 mm/yr. Τα αποτελέσματά υποδηλώνουν επίσης μια συσχέτιση μεταξύ της βροχόπτωσης και της κίνησης της κατολίσθησης. Για την κατολίσθηση της Κρήνης, μια ανάλυση διασταυρούμενης συσχέτισης των δεδομένων δείχνει ότι η μέση χρονική υστέρηση ήταν 13,5 ημέρες μεταξύ της μέγιστης εποχιακής βροχόπτωσης και της μεταβολής της ταχύτητας της κατολίσθησης στη διεύθυνση λήψης του δορυφόρου (LOS). Διαπιστώθηκε επίσης ότι το ύψος της συνολικής εποχικής βροχόπτωσης ελέγχει την αύξηση του ρυθμού μετατόπισης, καθώς εντοπίστηκαν 40-550 τοις εκατό μεταβολή στον ρυθμό μετατόπισης της κατολίσθησης της Κρήνης, μετά από ένα εποχικό μέγιστο των τιμών βροχόπτωσης στον κοντινό μετεωρολογικό σταθμό της Κάτω Βλασσίας. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, φαίνεται ότι μεγάλο μέρος αυτής της ορεινής περιοχής της Αχαΐας πάσχει από αστάθεια των πρανών που εκδηλώνεται με διάφορους βαθμούς μετατόπισης του εδάφους επηρεάζοντας σε μεγάλο βαθμό τα μορφολογικά χαρακτηριστικά της και τις κατοικημένες περιοχές. Η διατριβή διαπίστωσε μια συσχέτιση μεταξύ βροχόπτωσης και κίνησης κατολίσθησης, με τους ρυθμούς μετατόπισης της ενεργού κατολίσθησης της Κρήνης να αυξάνονται μετά από μια περίοδο βροχόπτωσης. Τα ευρήματα αυτά έχουν σημαντική συνεισφορά στη μελέτη των βραδέως κινούμενων κατολισθήσεων, προσφέροντας νέες προοπτικές για τη συσχέτιση του ρυθμού μετατόπισης μιας κατολίσθησης με το ύψος της συνολικής βροχόπτωσης. Στη συνέχεια, η διατριβή επικεντρώνεται στη μοντελοποίηση ελαστικών τεκτονικών τεμαχών για την κατανόηση της συνολικής κινηματικής της δυτικής Ελλάδας. Η δυτική Ελλάδα είναι μια περιοχή υψηλής σεισμικότητας που σηματοδοτεί τη μετάβαση από τη σύγκρουση στην υποβύθιση. Βόρεια του CTF, η ανθρακική πλατφόρμα της Απουλίας προσκρούει στη πλάκα της Ευρασίας (ΒΔ Ελλάδα-Αλβανία). Νότια του CTF, η παλαιά μεσοζωική ωκεάνια λιθόσφαιρα του Ιονίου υποβυθίζεται κάτω από την Πελοπόννησο. Η διατριβή μελέτησε την κινηματική σε αυτή την περιοχή με τη μοντελοποίηση του πεδίου ταχυτήτων GNSS χρησιμοποιώντας μια προσέγγιση ελαστικών τεκτονικών τεμαχών για τον προσδιορισμό των περιστροφών των τεκτονικών τεμαχών και του ρυθμού ολίσθησης κατά μήκος των κύριων ρηγμάτων του φλοιού. Χρησιμοποιήθηκε ένα πεδίο οριζόντιων ταχυτήτων που προέρχεται από συνεχή δεδομένα GNSS που καλύπτουν την ευρύτερη δυτική Ελλάδα και τη νότια Ιταλία. Διαπιστώθηκε ότι η συνολική κινηματική περιγράφεται καλά από την περιστροφή πέντε (5) τεκτονικών τεμαχών. Τα τεκτονικά τεμάχη αυτά αποτελούνται από το μπλοκ της Απουλίας (APUL), το οποίο αντιστοιχεί στην πλατφόρμα της Απουλίας, την κεντρική Ελλάδα, την Πελοπόννησο και το τέμαχος της Ιονίου-Ακαρνανίας (ΙΑΒ). Το μπλοκ Ιονίου-Ακαρνανίας οριοθετείται από το CTF, τον κόλπο του Αμβρακικού, το ρήγμα Κατούνας-Στάμνας (KSF) και τη ρηξιγενή ζώνη της Μόβρης (MFZ). Επιπλέον, προτάθηκε η ύπαρξη ενός μίκρο-τεμάχους, του τεμάχους της Νότιας Αιτωλίας (SAB), το οποίο βρίσκεται μεταξύ της λίμνης Τριχωνίδας και του Πατραϊκού κόλπου. Το μοντέλο μας προβλέπει δεξιοστροφη οριζοντιολισθητική κίνηση (∼16mm/yr) και μια μικρή συνιστώσα βράχυνσης (∼4mm/yr) κατά μήκος του CTF. Η κίνηση μεταφέρεται στο τριπλό σημείο που εδρεύει δυτικά της Πρέβεζας, όπου εδρεύει το όριο μεταξύ της πλατφόρμας της Απουλίας και της βορειοδυτικής Ελλάδας και της Ηπείρου. Βορειότερα, παρατηρείται ενεργή βράχυνση κατά μήκος του ορίου με ∼7 mm/yr. Ο Αμβρακικός κόλπος υφίσταται ταχεία έκταση με ∼10mm/yr. Το KSF έχει ένα γρήγορο ρυθμό ολίσθησης που αυξομειώνεται σε τιμή και είναι πιθανό ότι ο μακροπρόθεσμος ρυθμός ολίσθησης αντανακλά την ερπυστική συμπεριφορά του ρήγματος. Το MFZ παρουσιάζει δεξιόστροφη οριζοντιολισθητική κίνηση. Το τεκτονικό τέμαχος ΙΑΒ υφίσταται εσωτερική παραμόρφωση και το ρήγμα Κυλλήνη-Κεφαλλονιά (KCF) φαίνεται να ελέγχει ένα μοτίβο διάχυτης παραμόρφωσης στο εσωτερικό του τεμάχους. Επίσης, η διατριβή υποδηλώνει ότι η καταβύθιση της πλάκας της Αφρικής κάτω από την Ευρασία δεν ελέγχει το συνολικό καθεστώς παραμόρφωσης στη Δυτική Ελλάδα.