Παρακολούθηση της Ανήσυχης Γης για την Επόμενη «Μεγάλη» Γη

Το USGS Wave Glider σε αποστολή εξοπλισμένο με όργανα Sonardyne GNSS-A. Πίστωση: USGS

Όταν ο σεισμός 8,2 Ρίχτερ στο Τσίγνικ έπληξε τις ακτές της Αλάσκας το 2021, ήταν ένα μεγάλο προειδοποιητικό σήμα.

Ο μεγαλύτερος σεισμός στις ΗΠΑ από το 1965 και ένας από τους μεγαλύτερους παγκοσμίως τα τελευταία χρόνια· ήταν μια υπενθύμιση των γεωλογικών κινδύνων που παραμόνευαν, μακριά από τα μάτια μας, στις ακτές μας.

Τέτοια υπεράκτια συμβάντα θα μπορούσαν να προκαλέσουν τσουνάμι, θέτοντας σε κίνδυνο μεγάλες παράκτιες πόλεις και περιοχές.

Αλλά, μέχρι πρόσφατα, η γεωλογική δραστηριότητα που οδηγεί σε έναν σεισμό όπως ο Chignik ήταν ένα σημαντικό τυφλό σημείο για τους επιστήμονες, καθώς βρισκόταν κρυμμένο και απρόσιτο κάτω από τα κύματα.

Τώρα, χάρη στη συνεχιζόμενη συνεργασία και ανάπτυξη μεταξύ της εταιρείας υποβρύχιας τεχνολογίας Sonardyne, του Ινστιτούτου Ωκεανογραφίας Scripps και της Γεωλογικής Υπηρεσίας των ΗΠΑ (USGS), η δυνατότητα απομακρυσμένης παρακολούθησης της ανήσυχης γης μας δεν είναι απλώς δυνατή, αλλά γίνεται και συνήθης πρακτική.

Χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται GNSS-A, παρακολουθείται μια αυξανόμενη έκταση της ακτογραμμής που είναι πιο ευάλωτη σε κινδύνους σεισμών και τσουνάμι, συμπεριλαμβανομένων των ακτών του Ειρηνικού των ΗΠΑ.

Τι είναι το GNSS-A;

Το GNSS-A λειτουργεί συνδυάζοντας τον δορυφορικό εντοπισμό θέσης με την υποβρύχια ακουστική για την παρακολούθηση της κίνησης του βυθού με ακρίβεια εκατοστού. Ένα μη επανδρωμένο σκάφος επιφανείας (USV) με το ωφέλιμο φορτίο GNSS-A της Sonardyne περιπολεί πάνω από μια σειρά αναμεταδοτών Sonardyne Fetch στον βυθό.

Ο συνδυασμός της γνωστής θέσης της επιφάνειάς του με ακουστικούς παλμούς που φτάνουν σε κάθε αναμεταδότη Fetch, του επιτρέπει να υπολογίζει την ακριβή θέση κάθε αναμεταδότη - και επομένως τη θέση του βυθού στον οποίο βρίσκεται.

Επαναλαμβάνοντας αυτές τις μετρήσεις με την πάροδο του χρόνου, οι επιστήμονες μπορούν να παρακολουθήσουν την κίνηση των τεκτονικών πλακών στα ρήγματα για να κατανοήσουν και να εκτιμήσουν καλύτερα τον κίνδυνο σεισμών και τσουνάμι.

Ένας από τους οργανισμούς που χρησιμοποιούν αυτήν την τεχνική για την παρακολούθηση ζωνών υποβύθισης, όπου μια πλάκα ολισθαίνει κάτω από μια άλλη, είναι το USGS.

Ξεκίνησαν να διερευνούν τη χρήση του το 2017, σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο της Χαβάης και το Scripps, και χρησιμοποιώντας ένα Wave Glider και αισθητήρες βυθού, προκειμένου να μετρήσουν πώς η τριβή μεταξύ δύο τεκτονικών πλακών περιορίζει την ολίσθηση και προκαλεί συσσώρευση τάσης - ουσιαστικά μετρώντας «πόσο κολλημένες είναι οι πλάκες».

Έκτοτε, συνέχισαν να συμβάλλουν στην ανάπτυξη του GNSS-A χρησιμοποιώντας μονάδες Sonardyne GNSS-A και αναμεταδότες Fetch.

Προετοιμασία του USGS Wave Glider για εκτόξευση με το R/V North Wind του California Polytechnic State University Humbolt. Πίστωση: USGS

Επέκταση της παρακολούθησης GNSS-A κατά μήκος της Ζώνης Καταβύθισης Cascadia

Ένα μεγάλο σημείο εστίασης για το USGS είναι η Ζώνη Υποβύθισης Cascadia, ένα ρήγμα μήκους 1.000 χιλιομέτρων στα ανοικτά των ακτών του Βορειοδυτικού Ειρηνικού που εκτείνεται από το νησί Βανκούβερ στον Καναδά μέχρι τη βόρεια Καλιφόρνια.

Μεταξύ 2021 και 2025, το USGS έχει εγκαταστήσει τέσσερις τοποθεσίες παρακολούθησης στον βυθό της θάλασσας στα ανοικτά των ακτών του Ειρηνικού των ΗΠΑ, στο νοτιότερο άκρο αυτής της ζώνης.

Αποτελούν μέρος ενός ευρύτερου δικτύου κατά μήκος της Ζώνης Υποβύθισης της Κασκάδια, όπου η υποβύθιση περιλαμβάνει τρεις πλάκες, την Explorer, την Juan de Fuca και την Gorda, οι οποίες ολισθαίνουν κάτω από τη Βορειοαμερικανική Πλάκα, δημιουργώντας την πιθανότητα σεισμών μεγέθους άνω των 9 Ρίχτερ και μεγάλων τσουνάμι.

Οι τοποθεσίες GNSS-A του USGS, καθεμία με τρεις αναμεταδότες Fetch, βρίσκονται στη νοτιότερη πλάκα Gorda, όπου η αβεβαιότητα της κίνησης της πλάκας Gorda σε σχέση με την κίνηση της πλάκας της Βόρειας Αμερικής έχει επιπτώσεις στο μέγεθος και την επανάληψη των σεισμών στην περιοχή.

«Πριν αποκτήσουμε αυτή τη δυνατότητα, μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε δίκτυα GPS στην ξηρά μόνο για να εκτιμήσουμε, σε επίπεδο υποχιλιοστού, τις αργές κινήσεις του πυθμένα σε απόσταση άνω των 50 μιλίων από την ακτή», λέει ο Τοντ Έρικσεν, Γεωδαιτικός Μηχανικός στο Κέντρο Σεισμικής Επιστήμης του USGS στην Καλιφόρνια.

«Αλλά ο πυθμένας της θάλασσας ήταν ένα τυφλό σημείο. Ένα σημαντικό κομμάτι που έλειπε από το παγκόσμιο τεκτονικό παζλ, πράγμα που σήμαινε ότι η πραγματική κλίμακα του κινδύνου κάτω από τον ωκεανό ήταν σε μεγάλο βαθμό άγνωστη. Τα όργανά μας σταμάτησαν στην ακτογραμμή.»

«Για κάπου όπως η ζώνη υποβύθισης της Κασκάδια, όπου οι ωκεάνιες πλάκες υποβυθίζονται κάτω από τη βορειοαμερικανική πλάκα, οι γεωδαιτικές τοποθεσίες του πυθμένα της θάλασσας καλύπτουν ένα σημαντικό κενό, βοηθώντας μας να κατανοήσουμε καλύτερα τον κίνδυνο σεισμών και τσουνάμι. Εάν οι πλάκες «κλειδώσουν» σε αυτήν τη ζώνη, συσσωρεύοντας πίεση, ολόκληρη η ακτογραμμή και πόλεις όπως το Βανκούβερ, η Βικτώρια και το Σιάτλ αντιμετωπίζουν σημαντικό κίνδυνο τσουνάμι.»

Μεσαίου μεγέθους πλοίο εξοπλισμένο με Wave Glider με GNSS-A, φορτωμένο στο R/V North Wind στο Γιούρικα της Καλιφόρνια, και περιτριγυρισμένο από τρία γεωδαιτικά σημεία αναφοράς του πυθμένα που θα αναπτυχθούν κατά μήκος της Ζώνης Καταβύθισης Cascadia. Πίστωση: USGS

Χάρτης τοποβαθυμετρίας της ζώνης υποβύθισης Cascadia που δείχνει γεωδαιτικές ταχύτητες σε χερσαίες και υπεράκτιες γεωδαιτικές τοποθεσίες θαλάσσιου πυθμένα USGS και NSF. Πίστωση: USGS

Κρίσιμες γνώσεις από τη ζώνη υποβύθισης των Αλεούτιων νησιών

Μία από τις τεκτονικές πηγές μεγάλων σεισμών που παρακολουθεί το USGS είναι η Ζώνη Υποβύθισης των Αλεούτιων Νήσων. Εκεί έπληξε ο σεισμός Chignik - και το USGS ήταν έτοιμο για μια αποστολή αντιμετώπισης μετά τον σεισμό.

Μόλις δύο χρόνια πριν, τρεις τοποθεσίες παρακολούθησης GNSS-A είχαν δημιουργηθεί στον πυθμένα της Αλάσκας, στη ζώνη υποβύθισης των Αλεούτιων ηπείρων, από μια ομάδα επιστημόνων που χρηματοδοτήθηκαν από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ (NSF).

Αρκετές έρευνες με Wave Glider είχαν πραγματοποιηθεί από το USGS και το Scripps πριν από τον σεισμό Chignik μεγέθους 8.2, παρακολουθώντας τη θέση των σημείων σε βάθος περίπου 1.200 μέτρων.

Μέσα σε λίγες εβδομάδες από τον σεισμό, το USGS έβαλε ξανά το Wave Glider του στη θέση του για να μετρήσει την κίνηση που είχε σημειωθεί κατά τη διάρκεια και λίγο μετά τον σεισμό.

Παρά τις δύσκολες καιρικές συνθήκες, η αποστολή συνέλεξε δεδομένα GNSS και ακουστικά δεδομένα υψηλής πιστότητας με εντυπωσιακά αποτελέσματα.

«Το τσουνάμι ήταν μέτριο, αλλά το σεισμικό συμβάν ήταν το μεγαλύτερο στις ΗΠΑ εδώ και σχεδόν έξι δεκαετίες», λέει ο Έρικσεν, «οπότε περιμέναμε μια μεγάλη κίνηση. Αλλά ήταν απίστευτο να γνωρίζουμε ακριβώς πόσο - και αυτό ήταν 1,4 μέτρα». Αυτή ήταν μια κρίσιμη εικόνα για την συν- και μετα-σεισμική κίνηση, βοηθώντας στην κατανόηση της δυναμικής της ζώνης υποβύθισης.

Το μεγάλο ερώτημα ήταν, αύξησε ο σεισμός του Chignik την κατάσταση πίεσης και το δυναμικό τσουνάμι στο ανοδικό τμήμα του ρήγματος ή όχι;

«Οι μετρήσεις έδειξαν ότι το ρήγμα μετακινήθηκε 2-3 μέτρα οριζόντια σε ένα ρηχό τμήμα του ρήγματος, λιγότερο από 20 χιλιόμετρα κάτω από τον πυθμένα της θάλασσας, βοηθώντας μας να κατανοήσουμε πώς συσσωρεύεται η τάση κατά μήκος του ρήγματος και πώς απελευθερώνεται σε έναν σεισμό», λέει.

«Αυτά τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι η αθροιστική ολίσθηση είχε ανακουφίσει την πίεση στο ρηχό τμήμα του ρήγματος και επομένως, ο σεισμός Chignik πιθανότατα δεν αύξησε το δυναμικό τσουνάμι του ρηχού ρήγματος.»

«Έδειξε επίσης την αποτελεσματικότητα της τεχνικής GNSS-A και τη χρησιμότητα των μετρήσεων ταχείας απόκρισης GNSS-A για την καλύτερη αξιολόγηση των κινδύνων τσουνάμι και σεισμών στην περιοχή».

Η προέλευση του GNSS-A

Η δυνατότητα μέτρησης της κίνησης των πλακών στον βυθό της θάλασσας δεν είναι και τόσο καινούργια. Βασίζεται σε αυτό που αρχικά ονομαζόταν τεχνική GNSS-A, η οποία αναπτύχθηκε για πρώτη φορά από τον Scripps, και συγκεκριμένα από τους David Chadwell και Fred Spiess.

«Ο συνδυασμός της τοποθέτησης GNSS και των ακουστικών μετρήσεων για την παρακολούθηση της κίνησης του βυθού ήταν μια έξυπνη ιδέα - και λειτούργησε», λέει η Michelle Barnett, Διευθύντρια Ανάπτυξης Επιχειρήσεων Ωκεανογραφικής Επιστήμης, στη Sonardyne.

«Αλλά το κόστος χρήσης επανδρωμένων πλοίων για τον προσδιορισμό της θέσης το έκανε απαγορευτικό. Ήταν επίσης τεχνικά δύσκολο.»

«Έτσι, η συνεργασία με τον Scripps, στις αρχές

Τη δεκαετία του 2010, αναπτύξαμε έναν συνδυασμό των αισθητήρων μακράς διαρκείας Fetch και ενός έτοιμου ωφέλιμου φορτίου GNSS-A για Wave Gliders, το οποίο μπορεί να βγει και να εκτελέσει την εργασία έρευνας με πολύ χαμηλότερο κόστος από τη χρήση ενός επανδρωμένου πλοίου.

Το USGS Wave Glider ανέκαμψε πάνω στο R/V North Wind μετά από μια επιτυχημένη έρευνα. Πίστωση: USGS

Άξιζε η αναμονή, ακόμα και αν περιμένεις τον καιρό

Ωστόσο, η τεχνική δεν είναι χωρίς προκλήσεις. Αφού συγκέντρωσε τις θέσεις των αναμεταδοτών της ζώνης καταβύθισης των Αλεούτιων ηπείρων, ο Έρικσεν και η ομάδα του ήταν φυσικά πρόθυμοι να δουν τα δεδομένα.

Λόγω των σημαντικών όγκων δεδομένων που εμπλέκονται – μιλάμε για 25-30 GB ανά τοποθεσία (που περιλαμβάνει τρία Fetch) – μόνο δευτερεύοντα δείγματα αποστέλλονται πίσω στην ακτή από το USV, κυρίως για ποιοτικό έλεγχο.

Έτσι, πρέπει να περιμένουν μέχρι το USV να επιστρέψει – ή να επαναφερθεί – στην ακτή. Τα χαμηλά επίπεδα φωτός της ημέρας κατά τον χειμώνα της Αλάσκας (όταν πραγματοποιήθηκε η έρευνα Chignik) σήμαιναν περιορισμένη διαθεσιμότητα ενέργειας για το USV.

Σε συνδυασμό με τις κακές καιρικές συνθήκες, ο συντονισμός της ανάκτησής του αποδείχθηκε δύσκολος, με αποτέλεσμα να χρειαστούν τέσσερις μήνες για την ανάκτηση του Wave Glider και την εκφόρτωση των δεδομένων.

Παρόλα αυτά, η αναμονή άξιζε τον κόπο και τα αποτελέσματα παρέχουν περισσότερες πληροφορίες από ποτέ.

Διαβάστε περισσότερα για τα δεδομένα Chignik στο ScienceAdvances Vol.9, No.17, Rapid righ megathrust afterslip from the 2021 M8.2 MW earthquake Chignik Alaska earthquake revealed after seafloor geodesigned .