Paleoseismologie, její metody a příklady využití - zkoumá chování seismogenních zlomů v minulosti Paleoseismologie Paleoseismologie studuje prehistorická zemětřesení - výskyt v prostoru, čase a jejich velikost. Seismologové - pracují s daty naměřenými instrumentálně během zemětřesení X Paleoseismologové interpretují geologické jevy vyvolané během jednotlivých paleozemětřesení. McCALPIN, J. (2009). Paleoseismology. San Diego: Academic Press. Co? Proč? Současná seismicita – rozhraní litosférických desek, vnitrodeskové oblasti Katastrofická zemětřesení – v oblastech na tektonických zlomech bez známé současné/historické seismicity - v rámci seismického cyklu delší interval opakování (recurrence interval) (Čína, Nový Zéland) Většina zemí – záznam zemětřesení pouze několik stovek let (historická a instrumentální seismicita) X aktivní zlomy, projevující se v geologii a morfologii, bez historického záznamu velkých zemětřesení Čína a Střední Východ – záznam tisíc a více let, přesto nedostatečný na zaznamenání všech seismogenních zlomů; zlom aktivní milióny let – i 3tis let zahrnující záznam pokrývá pouze zlomek historie zlomu Hodnocení seismického ohrožení– založeného pouze na krátkém historickém záznamu - 2 problémy  přecenění pravděpodobnosti budoucího zemětřesení na zlomu, na kterém došlo k velkému zemětřesení v historické době, ale má dlouhý recurrence interval (uvolněná energie)  podcenění v oblastech, kde jsou zlomy seismogenní, ale není historický záznam (akumulace napětí) paleoseismologie rozšiřuje záznam zemětřesení směrem do minulosti, katalogy historických zemětřesení často příliš krátké ve srovnání s průměrným recurrence time Předpoklad – zemětřesení větší než M > 6 může vytvořit permanentní deformaci na povrchu  topografická nerovnováha  nové procesy eroze a akumulace  nové formy a struktury  geologický záznam zemětřesení Menší zemětřesení - geologický projev zřídka vytvoří či zachová Typ zlomů – poklesy M ≥ 6,3; horizontální posuny v j. Kalifornii – M = 6,25-6,5, Hloubka seismogenní kůry – hlubší potřebuje větší M, Loma Prieta 1989 M=6,9, 2m slip v hloubce 18-3km, žádná povrchová ruptura Gujarat 2001 M=7.7, blind fault, 1-4m v hloubce 15-9km, Empirické vztahy odvozeny z historických zemětřesení, menší Mw - prehistorická zemětřesení – lze studovat jen s větším Mw Empirické vztahy: délka zlomu, velikost posunu, velikost magnituda, např. zlom o délce 80km vygeneruje zemětřesení Mw=7,5 a posun okolo 3m Empirické vztahy – historická zemětřesení, (421), ohnisko <40km, Mw > 4,5 Wells, and Coppersmith 1992 9. 4. 1968, Borego Mts, CA Průměr mnohočetných měření posunů podél zlomu Seismický cyklus – elastický model Earthquake deformation cycle Idealizovaný cyklus – charakteristické zemětřesení Paleoseismologické studium zlomů  Lokalizace a geometrie zlomu (geomorfologické a geologické mapování)  Slip rate - rychlost zlomu (= posun : čas)  Slip per event – charakteristický posun při jednotlivých EQ  Recurrence period – interval opakování (při opakovaných EQ), frekvence EQ  Elapsed time – čas uplynutý od posledního EQ  Maximální magnitudo  stratigrafické, strukturní, geomorfologické, biologické, archeologické doklady  datování dislokovaných tvarů / jiných indikátorů pohybu charakteristika proběhlých pohybů  datování vícenásobných pohybů na daném zlomu recurrence interval, dlouhodobější slip-rate, variabilita pohybů při zemětřeseních prognóza lokalizace a magnituda budoucího zemětřesení Rekonstrukce chronologie pohybů Bay area shocks during the 75 years before 1906 from Stein (Nature, 2003) Bay area shocks during the 75 years after 1906 from Stein (Nature, 2003)  v sedimentech jemnozrnných, vrstevnatých - dobře rozeznatelné posuny vrstev, ne příliš mocných (hloubka) - aluviální kužely, jezerní sedimenty X přívalový proud  datovatelný materiál – určení chronologie pohybů b) umělé rýhy (trench) - jeden ze základních nástrojů pro sběr paleoseismických dat pro hodnocení seismického rizika Přímé pozorování dislokovaných tvarů, posunutých objektů – na povrchu, v odkryvech, v umělých rýhách a) na povrchu Poklesové zlomy Na povrchu – zlomový svah – fault scarp (degradace zlomového svahu v čase Stewart, Hancock, 1990 Wallace, 1977 Fallon-Stillwater earthquake, July 6th, 1954 M 6.6 1954 a 1974 - několika metrový ústup svahu na zlomové ploše Wallace, 1977 Krupnik fault , Bulgary, 1904 M=7,8 V rýhách - doklady zemětřesení v geologickém záznamu • Rozdíly v kumulativním offsetu • Překrytý fault scarp • Coluvial wedge- typický doklad náhlého pohybu • Trhliny vyplněné nadložním materiálem • Sand dyke (klastická žíla) – materiál injikovaný při otřesech • Vrstvy s likvefakcí Allen (1986) Rozdíly v kumulativním offsetu ? Kolik zemětřesení máme?? Retrodeformace 4 události – vertikální posun v průměru 2cm Nejstarší vrstva - (Qal5) zaznamenal všechny 4, kumulovaně 8cm Nejmladší (Qal1) má jen jeden event  2 cm na bázi, ale 1 cm na povrchu ! Povrchová eroze Opakované pohyby Coluvial wedge Retrodeformace – počet událostí Gravitační nestabilita, materiál tvořící wedge pochází z fault scarp • Vyplnění trhlin fault scarp na přesmyku Chichi earthquake 1999, Taiwan Suusamyr, 1992, M=7,4 Kyrgyzstan Přesmykové zlomy – coluvial wedge Alhama de Murcía fault, Španělsko Horizontální posuny: offsety (posuny) vodních koryt, údolních svahů, menších náplavových kuželů, hřbítků, strží, akumulací přívalových proudů, terasových stupňů Imperial fault, 1940 M=7, 6m offset, 60km San Andreas Fault, Carrizo plain, CA extension sag pond offset valley side beheaded channels 15m Elsinore fault, Coyote Mts, CA offset and beheaded channel 2m fault offset channel offset valley side Měření offsetu = magnitudo, rychlost pohybů Projekt IMPULS: South Iberian margin paleoseismological integrated study of large active structures - kolizní zóna Africké a Evropské desky - jižní okraj alpinského orogénu - součást Bétické Kordilery Carboneras – vnější zóna (příkrovová stavba - mezozoické-terciérní horniny) paleookraj Iberské desky - vnitřní zóna – metamorfované komplex+ neogenní a kvartérní sed. mezihorské pánve omezené zlomy SV – JZ Zlomová zóna Carboneras Masana E. et al. Carboneras - vznik v poslední etapě kolize vnitřní a vnější zóny Bétické Kordilery ve spodním miocénu  miocén až kvartér – rotace hlavního tlaku v regionu - poklesy – stř. miocén – součást procesů riftingu – vulkanismus - přesmyky – spod. pleistocén (vznik menších pohoří např. La Serrata) - horizontální pohyby – levostranné (až do současnosti) Almería Nijar Carboneras Almería  seismicita – jv. okraj Iberského pol. – stálá mělká zemětřesení M < 5,5 (příčné zlomy v současnosti – Carboneras – bez seismicity)  posl. 2 tis. let - nejméně 50 silných zemětřesení Dřívější výzkumy v 90. letech pohyby v pozdním kvartéru - relativně pomalé, převážně vertikální, horizontální pohyby 80-100m offset toků La Serraty – starší než 100 tis. let 1) studium dokladů levostranných pohybů radiometricky datovaných pobřežních marinních teras a studium jejich recentního výzdvihu 2) měření a datování levostranného pohybu na základě offsetu vodních toků IMPULS: Metody studia zlomu Carboneras na moři  batymetrie  boční sonografie (sidescan sonograph TOBI)  reflexní seismika s vysokým rozlišením  analýza vzorků mořských sedimentů  datování batymetrie sonografie s vysokým rozlišením seismické profilování Zóna Carboneras – 5-10 km široká, 100 km dlouhá, subvertikální zlomy, odvodňovací síť okraje pevniny je deflektovaná, morfologie = tvary vzniklé horizontálními pohyby na pevnině – pressure ridges, water gaps, porušené pozdně holocenní sedimenty, sesuvy-epicentra. Seismický a tsunami hazard – M≤7,2 (1522 zemětř. Almería) x instrumentální seismicita na Carboneras nízká Metody studia zlomu Carboneras na pevnině  fotointerpretace - letecké snímky  geomorfologické mapování  strukturní mapování (průběh zlomu)  sedimentologie (rozlišení generací aluviálních kuželů)  mikrotopografie (totální stanice)  geofyzika (georadar, elektrotomografie – zachycení zlomu a hladiny podz. vody)  paleoseismologické rýhy  datování materiálu porušeného zlomem (dislokované tvary reliéfu) El Hacho 2005 La Serrata pliocén kvartér 3 generace aluviálních kuželů – stř. a svrch. pleistocén/holocén - 3 různé fáze pohybu na zlomu (degradace-akumulace)  všechny 3 generace kuželů (chronologie)  patrné terénní stupně (0,7m) Paleoseismologické rýhy Geofyzika Georadar Antény (MHz): 25 50 100 200 - rozlišení + + dosah - Elektrotomografie zachycení pozice zlomu a hloubkových poměrů (materiál) listopad 2005 čištění, sítě rozpoznání sedim. vrstev (al. kužely), identifikace dislokací - složitější struktura -flower structure --transpresní režim -horizontální posuny s vertikální složkou - opakované pohyby S-C struktury mozaika 1 m 1 m 1 m 1 m SE-NW hloubka(m)v=0.07m/s vzdálenost (m) situace in situ X geofyzika SE NW Datování - Materiál porušený seismickou událostí  14C radiouhlíková metoda  organický materiál a karbonát. schránky (dosah 40 tis. let) – uhlíky, gastropodi C14 – v živých organismech, doplňován z prostředí, rozpadá se, po smrti organismu se mění poměr C14/stabilnímu C12 – kdy byl org. vyřazen z koloběhu  opticky stimulovaná luminiscence OSL - každý materiál obsahuje určité množství radioaktivních prvků (U, Th, 40K). Radioaktivní záření uvolňuje elektrony ze struktury minerálu v zrnech písku a ty se hromadí v místech poruch jeho krystalické mřížky. Zahřátím (termoluminiscence) nebo ozářením viditelným světlem (OSL-vybuzení, stimulování světlem) se elektrony vracejí zpět do elektronových obalů –materiál světélkuje. Čím je materiál starší (čím delší čas uplynul od posledního zahřátí či ozáření), tím více se mezitím stačil »nabít«. Reset – signál na nule při posledním osvícení. Po ukončení uložení sedimentů - signál se díky radioaktivnímu rozpadu začne zvyšovat. Luminiscence uvolňovaná aktivací světlem v laboratoři - úměrná stáří sedimentu – od kdy se tam začaly hromadit ty elektrony – kdy to bylo vynulované (dosah 250-300 tis. let), termoluminiscence TL,  jemnozrnné sedimenty, fluivální, eolické (100 tis. let)  U/Th  karbonatický materiál (dosah 300 tis. let) – laminární caliche  interpretace výkresů, hodnocení typu a hodnoty pohybu rekonstrukce deformace (retrodeformace)  laboratorní výsledky datování celková rekonstrukce chronologie tektonické aktivity na zlomu Carboneras Analýza rýh a datování v zóně La Serrata  B1, B2 – coluvial wedge (degradace povrchu po náhlém pohybu) - zemětřesení  Min. 4 seismické události – posl. 50 tis. let  Interval opakování - minimálně 14 tis. let  Poslední událost – minim. před 1310 lety  Empirické vztahy magnitudo X hodnota posunu – 2 události – minim. M= 6,59 a 6,97 Okrajový sudetský zlom Mw>6 morfogenní zemětřesení-zlom praskne až k povrchu (McCalpin,1996) ¨Javorník Bílá Voda Žulovská pahorkatina 0 5 km N SMF Poland 100m Elektrická odporová tomografie (ERT) ERT Geofyzika Bílá Voda 2008, 2009 2012, 2013 Průzkumné rýhy (trenching) 1m 0.5 m okrajový sudetský zlom - opakované pohyby – strike-slip v kvartéru tektonický jíl flower structure s tektonickou brekcií deformovaný miocenní jíl flower structure tektonický jíl - 3 generace (starší zlomy 145°-150°, mladší zlomy 135°) odlišné horniny, žádné „matching points“ (přesmyk ani pokles) Rýha C 20 ka 25 ka Koluviální klín (colluvial wedge) na zlomu – indikátor rychlého pohybu (zemětřesení) Rýha F Dokumentované deformace – rychlé pohyby 1,8-1,9 ka Trench I R1 Off the fan limit - Loess-like deposits 11.5 ka - - undisturbed 1) koluviální klíny 2) deformované miocenní podloží 3) aluviální sedimenty i zlomy – překryté geliflukcí (12-15 tis.) 4) jedna tektonická událost, která je deformuje 5) nadložní sprašové hlíny- 11,5 tis. neporušené Holocén (10 tis.) - žádný výrazný pohyb 40±2,5 ka 0,4–4,5 ka 20 ka 25 ka 2 ka Přeťatý náplavový kuželmetamorfika náplavový kužel (alluvial fan) 14C – 40ka OSL – 26ka apex kužele Stáří - 40 tis. let Apex kužele 26 tis. Neporušené spraš. hlíny – 11,5 tis. Nejbližší zdroj – údolí 37± 8 m 14C – 11,5ka 10Be fault Delimitation/mapping of the alluvial fan deposits distribution based on ERT correlated with trenches – faul trace + deposits thickness Geophysical profiles (27 ERT – electric resistivity profiles) + trenches 50km Isopachová mapa - ERT profily 100m Objem sedim. kužele – cca 230.000 m3 Materiál erodovaný ze „zdrojového údolí“ cca 170.000 m3 -levostranný posun 30m Levostranně posunutý údolní svah DEM z LiDARu 0.5m grid, 5 - 50 points/m2 Levostranný posun – doklad z morfologie 22m Sinistral offset of valley side 45m Kamenička site 45m Left-laterally offset valley side (22 – 45m) Kamenička Paleoseismic + geophysical survey 2014 – locality Kamenička Bílá Voda Kamenička Based on morhology and geophysical survey 2013 – 4 ERT profiles • Levostranně posunutý aluviální kužel o 30-60 m • 26 tis. a 11 tis. lety (LGM) – 3 až 4 větší zemětřesení • Slip-rate 1,9 to 3 mm/yr během LGM, 0 = během holocénu Předsudetský blok – pokles aktivity směrem k holocénu (Przybylski 1998), rekonstrukce říčních teras (Štěpančíková et al. 2008) – spojováno se zatížením a odlehčením ledovcem (ice-loading) Fennoscandia během posledního glaciálu (Weichselian) Stewart et al. (2000) Mechanické modely - vliv zatížení ledovcem na deformaci zemské kůry forebuldge – 300-500km od okraje ledovce (Johnston et al., 1998; Muir-Wood, 2000) The regions of greatest ice thickness and the regions marginal to the Late Pleistocene ice sheets indicate the most dramatic evidence of earthquake faulting Mantle responses to large ice mass fluctuations and the change in mass between the oceans and land - measureable crustal deformation at hundreds of kilometres from the ice margins Stewart et al. (2000) Size and extent of glacier play a role Bílá Voda site • Poslední kontinent. ledovec - Elsterian 2 (400-460 ka) • Late Glacial Maximum - 20-25 ka - (Weichselian) - 150-160 km od lokality Bílá Voda Poland Slovakia Germany Czechia Austria Modelování ice-loading pro okrajový sudetský zlom Posl. 50 tis. let – postup ledovce Coulomb stress - různá kinematika Coulomb stress o ~1 Mpa/4000yrs Stress accummulation rate ~.25 kPa/yr Ice-sheet thickness and coulomb stress After 21 ka - big increase in the Coulomb stress accumulation rate due to the glacial loading Coulomb stress increases by ~1 MPa over 4000 years, corresponding to a stress accumulation rate of ~.25 kPa/yr. Different relaxation time Evolution of Coulomb stress during past 50 ka Summarized stress models Model run for a 100 km thick lithosphere; 3 different relaxation times, corresponding to reasonable asthenosphere viscosity limits A B A) Ice load at 20 ka, ~ glacial maximum SMF outside the glacial extent B) Resolved Coulomb stress on a plane - the SMF at 17 ka (~ coulomb stress max) relative to 80ka (no ice) Positive Coulomb stress promotes left lateral failure, negative Coulomb stress inhibits left lateral failure SMF on the edge of flexural bulge associated with the main ice loading, but even still has ~2-4 MPa increased Coulomb stress relative to ice free (both 80ka and 0ka). Závěr • Levostranné pohyby koncem pleistocénu, za posl. 26 tis. let 30-60 m posun • Mezi 26 tis. a 11 tis. lety 3 až 4 velká zemětřesení o magnitudu ?M 6,5 • Žádný výrazný pohyb v holocénu; zrychlené pohyby koncem pleistocénu - slip-rate 1,9-3 mm/rok • Zrychlení během LGM pravděp. způsobené zatížením ledovcem • V současnosti napětí paralelní se zlomem (NNW-SSE) – nepříznivé pro reaktivaci C F G Thank you for your attention... Na základě odhadnutého offsetu - slip rate pro 25ka aluviální kužel – 1,6 až 1,8 mm/yr Ale: většina posunu asi v době mezi 25 ka a 10 ka: 1,9 až 3 mm/yr od Late Glacial Maximum po zač. holocénu Předsudetský blok – pokles aktivity směrem k holocénu (Przybylski 1998) i směrem ke konci pleistocénu na základě rekonstrukce říčních teras (Štěpančíková et al. 2008) – spojováno se zatížením a odlehčením ledovcem Mechanické modely ukazují – forebulge způsobený zatížením ledovcem může zasahovat až do vzdálenosti 300-500km od okraje ledovce, přičemž hlavní deformace se děje ca 150km od okraje ledovce díky kolapsu forebuldge během ústupu ledovce (Johnston et al., 1998; Muir-Wood, 2000) Houtgast et al. 2005, Arvidsson 1996 Simplified stress field model due to ice-loading Weichselian ice-sheet – Last Glacial Maximum 26-20 ka Kinematika predikovaná pro hydrostatické napěťové pole Závěry 1) Během min. posl. 40 ka - levostranné opakované pohyby na okrajovém sudetském zlomu 2) 3 až 4 větší události (zemětřesení) mezi 25 ka a 10 ka – 1,9 –3 mm/yr (offset 37m+-8m) 3) Zřejmě jeden menší pohyb během holocénu 4) Současné maximální horizontální napětí (s1) - paralelní k okrajovému sudetskému zlomu (OSZ) (NNW-SSE) - není příznivé pro aktivizaci většího pohybu podél delšího segmentu 5) Předpokládáme, že forebulge mohl způsobit změny v lokálním napětí, rotaci s1 a umožnil levostranný pohyb na OSZ anebo přinejmenším zrychlení pohybů, což bylo zaznamenáno také v jiných oblastech spojeno s deglaciací (Arvidsson 1996, Houtgast et al. 2005, etc.). Hodnocení seismického ohrožení – vzít v úvahu nepravidelný recurrence interval!!!