SAN ANDREASIN SIIRROS

Transkriptio

1 Suvi Heinonen SAN ANDREASIN SIIRROS ABSTRAKTI San Andreasin siirros on oikeakätinen sivuttaissiirros, jota pitkin tapahtuu suurin osa Tyynen valtameren ja Pohjois Amerikan laattojen liikkestä. Siirros syntyi noin 25 miljoonaa vuotta sitten. San Andreas on Pohjois ja Etelä Kalifornian alueella lukkiutunut, mutta näiden segmenttien väliin jää hitaasti ja tasaisesti ryömivä osuus. Tomografiatutkimuksissa San Andreasin siirros on selvästi havaittavissa seismisten aaltojen nopeuksien kasvuna. Parkfieldin alueelle on rakennettu maailman tihein mittalaiteverkko havaitsemaan siirroksella tapahtuvia maanjäristyksiä ja fysikaalisia prosesseja.

2 1 JOHDANTO Kaliforniassa sijaitseva San Andreasin siirros (kuvat 1 ja 2) on yksi maalman tunnetuimmista ja tutkituimmista siirroksista jo pelkästään sijaintinsakin vuoksi. San Andreas on oikeakätinen sivuttaissiirros, jota pitkin tapahtuu valtaosa Tyynen valtameren ja Pohjois Amerikan tektonisten laattojen liikkeestä. Se kulkee koko Kalifornian halki vaikuttaen siten yli 35 miljoonan ihmisen elämään. Aivan siirroksen tuntumassa on San Franciscon ja Los Angelesin kaltaisia suurkaupunkeja, joten suuren maanjäristyksen tapahtuessa tuhot voivat olla valtavia. Parkfieldin alueella San Andreasin siiroksen keskivaiheille pystytettyjen mittalaitteiden avulla on saatu valtavasti tietoa siiroksen rakenteesta ja toiminnasta. SAFOD hankkeen (San Andreas Observatory in Depth) myötä tullaan saamaan ensikäden tietoa siirostason kivistä ja fluidesta sekä siiroksella tapahtuvista prosesseista. Tämä tulee myös tuomaan oman lisänsä maanjäristysten ennustamiseen ja niihin varautumiseen. SAN ANDREASIN SIIRROKSEN SYNTY Yli 30 miljoonaa vuotta sitten itäisellä Tyynellä valtamerellä oli aktiivinen leviämiskeskus. Leviämiskeskuksen itäpuolelle muodostuneen merellisen kuoren aluetta kutsutaan Farallonin laataksi. Farallonin laatta liikkui itään Pohjois Amerikan laattaa kohti ja alkoi laattojen kohdatessa subduktoitua Pohjois Amerikan laatan alle. Subduktio aiheutti Kalliovuorten kasvun, Sierra Nevadan graniittien synnyn ja Coloradon ylätasangon nousun. Myös Tyynen valtameren leviämisselänne liikkui itään, ja noin 25 miljoonaa vuotta sitten vyöhykkeen etuosa oli saavuttanut Pohjois Amerikan laatan. Tämän törmäyksen seurauksena Farallonin laatta jakautui Cocos ja Juan de Fucan laattoihin. Keskiselänteen kadottua Pohjois Amerikan alle laattojen keskinäinen liike muuttui itäänpäin suuntautuneesta subduktiosta luoteissuuntaiseksi transformisiirrokseksi (Hough, 2004). Kuvassa 1 on esitetty nykyiset laattarajat Kalifornian alueella. Yksinkertaistetusti San Andreasin siirros voidaan kuvitella syväksi vertikaaliseksi halkeamaksi maankuoressa. Kallioperä liikkuu eri puolilla tätä halkeamaa vastakkaisiin suuntiin. Todellisuudessa San Andreas on kuitenkin pikemminkin siirrosvyöhyke, jossa tektonisten laattojen liike jakautuu useille lähes samansuuntaisille siirrossegmenteille. San Andreasin siirrosvyöhyke puolestaan on osa Kalifornian siirrossysteemiä, johon kuuluu useita erityyppisiä siirroksia. Kaliforniassa risteilevistä siirroksista San Andreas on kaikkein pisin ja merkittävin, koska sitä pitkin tapahtuu valtaosa Tyynen valtameren ja Pohjois Amerikan laattojen välisestä liikkeestä (Collier, 1999).

3 2 Kuva 1: Tektoniset laatat Kalifornian aluella. (alkuperäinen kuva: SIIRROKSEN SEGMENTIT Tyynen valtameren ja Pohjois Amerikan laattojen välinen liike näkyy eri osissa San Andreasin siirrosta eri tavoin. Siirros on lukkiutunut satojen kilometrien matkalta Pohjois ja Etelä Kaliforniassa. Lukkiutuneiden segmenttien väliin jää tasaisesti ryömivä osa, jonka ympäristössä tapahtuu jatkuvasti pieniä maanjäristyksiä. San Andreasin maantieteellinen sijainti ja segmentit on esitetty kuvassa 2. Lukkiutunut osa siirroksesta voi pysyä hiljaisena satoja vuosia, kunnes tektonisten laattojen liikkeen aiheuttama jännitys viimein purkautuu maanjäristyksenä. Maanjäristyksen aiheuttama äkillinen siirtymä tapahtuu vain yhdellä jaksolla siirrosta kerrallaan, ei koko siirroksella (Hough, 2004). Pohjois Kalifornian alueella San Andreasin siirros voidaan ajatella suhteellisen suorana rajana Tyynen valtameren ja Pohjois Amerikan laattojen välissä. Los Angelesin pohjoispuolella siirros tekee noin 35 asteen kulman, joka tunnetaan nimellä Big Bend. Transverse Rangesin vuoret ovat muodostuneet Big Bendin yhteyteen mannerlaattojen keskinäisen liikkeen aiheuttaman suuren kompression seurauksena. Tyynen valtameren ja Pohjois Amerikan laattojen liike näkyy Kalifornian alueella myös Basin and Rangen ekstensiona. Kalifornian eteläosissa risteilee San Andreasin lisäksi useita muita merkittäviä siirroksia, kuten San Gabrielin, Sierra Madren, Mission Creekin ja San Jacinton siirrokset (Collier, 1999).

4 3 San Andreasin päättyy pohjoisessa Mendocinon kolmoispisteeseen Pohjois Kaliforniaan (kuva 1). Mendocinon kolmoispisteessä kohtaavat kolme mannerlaattaa: Juan de Fucan, Tyynenmeren ja Pohjois Amerikan laatat. (Collier, 1999). San Andreasin siirroksen olemassaolo on havaittu ensimmäistä kertaa San Franciscon niemellä. jossa se on erityisen selkeästi havaittavissa lineaarisina järvinä, painannelampina, selänteinä ja maanjäristysten aiheuttamina siirtyminä. San Andreasin siirros kulkee tällä alueella hyvin lähellä monia suuria kaupunkeja kuten San Franciscoa, San Mateota, Palo Altoa, Sunnyvalea ja San Joseta. Vuonna 1906 tapahtuneen kuuluisan San Franciscon maanjäristyksen jälkeen San Andreaksella ei ole tapahtunut merkittäviä maanjäristyksiä pohjois Kalifornian alueella (Hough, 2004). Kuva 2. San Andreasin siirroksen kulku Kalifroniassa. Karttaan on merkitty punaisella lukkiutunut osa siirrosta ja sinisellä tasaisesti ryömivä osa siirrosta. Kuvien 3, 4, ja 5 tutkimukset on tehty violetin laatikon alueella. (Alkuperäinen kuva: San Andreasin keskivaiheilla San Franciscon ja Los Angelesin välissä sijaitsee Parkfieldin pikkukaupunki (kuva 2). Tämän pikkukaupungin mukaan nimetty 40 kilometriä pitkä osuus San Andreasin siirrosta sijoittuu tasaisesti ryömivän ja lukkiutuneen segmentin väliin. Parkfieldin alueella Tyynenmeren ja Pohjois Amerikan laattojen liike tuottaa toistuvasti noin magnitudiltaan noin 6.0 suuruisia maanjäristyksiä. Vuoden 1857 jälkeen näitä ns. karakteristisia maanjäristyksiä on tapahtunut ainakin kuusi. Järistysten säännöllisyyden vuoksi Parkfieldiin on rakennettu geofysikaalisten mittalaitteiden verkko, jonka avulla havaitaan mm. ennen järistystä tapahtuvaa jännityksen kasautumista ympäröivässä maankuoressa sekä maanjäristysten ja liukumien esiintymistä siirroksella. Mittauslaitteiston avulla on myös tarkoitus tarkkailla suuria maanjäristystä edeltäviä ilmiöitä (Bakun et al., 2005).

5 4 Vuonna 1985 USGS teki ennusteen, jonka mukaan vuoteen 1993 mennessä San Andreasin siirroksella tulee tapahtumaan magnitudiltaan noin 6.0 suuruinen maanjäristys lähellä Parkfieldiä. Ennustus ei kuitenkaan toteutunut, mutta tapauksen havainnointia varten pystytetty mittalaitteisto jäi paikoilleen. Syyskuussa 2004 odotettu magnitudin 6.0 suuruinen maanjäristys viimein tapahtui. Maanjäristysten ennustamisen kannalta tämä järistys oli pettymys, sillä järistystä ei edeltänyt huomattavia muutoksia magneettikentässä, tellurisessa sähkökentässä, näennäisessä resistivisyydessä eikä creephavainnoissa. Vuorokautta ennen järistystä havaittiin kyllä pieniä muutoksia jännityksessä, mutta ne ovat liian vähäisiä käytettäviksi maanjäristyksen luotettavaan ennustamiseen (Bakun et al., 2005). SAN ANDREASIN LUJUUS Siirrosten kokonaislujuutta kuvataan kitkakertoimen avulla. Kitkakertoimen arvo vaihtelee välillä 0 1. Tasaisesti liukuvan, heikon siirroksen kitkakerroin on alle 0.3, vahvan yli 0.8. Siirroksen lujuuden mittaaminen suoraan paikan päällä on hyvin vaikeaa, joten se määritellään epäsuorin keinoin esimerkiksi tutkimalla maanjäristyksen aiheuttamia repeämiä suuren siirroksen läheisillä pienemmillä siirroksilla (Hough, 2004). Siirroksella tapahtuva maanjäristys vapauttaa energiaa useissa muodoissa. Suurin osa energiasta kuluu laattojen liikkeeseen, osa säteilee seismisinä aaltoina ja osa vapautuu lämpönä. Teoreettisten laskelmien mukaan maanjäristyksen yhteydessä vapautuvan lämmön määrä riippuu repeämäyvöhykkeen leveydestä. Mitä kapeampi siirros on, sitä enemmän lämpöä vapautuu. Mikäli hyvin kapeat siirrokset olisivat myös vahvoja, aiheuttaisi maanjäristyksessä syntyvä lämpö kivien sulamista. Toisaalta syvällä kuoressa oleva paine aiheuttaa aineen tiivistymisen, jolloin heikko siirros ei ole mahdollinen. (Hough, 2004). Monissa siirroksissa on geologisten todisteiden mukaan vettä sekä syvällä kuoressa, että lähellä pintaa. Veden läsnäolo pienentää kitkakerrointa mahdollistaen heikkojen siirrosten olemassaolon myös syvällä maankuoressa. Toisaalta siirrokset ovat monin paikoin lukkiutuneita, joten veden on oltava eristyneissä osissa siirrosta. Siirroksen lujuuden määrittämisprosessi on teoreettisesti hyvin monimutkainen ja vaatii suuria laskennallisia ponnistuksia. Tästä johtuen tutkijat ovat saaneet täysin vastakkaisia tuloksia saman siirroksen kitkakertoimelle ja siten myös siirroslujuudelle (Hough, 2004). Viimeisten kolmen vuosikymmenen aikana tehtyjen laboratoriokokeiden perusteella kivine kitkakerroin on yleensä väliltä Huokospaine on kiven halkeamissa ja huokosissa olevien fluidien, etupäässä veden paine. Kitkakertoimen vaihteluvälin seurauksena vain äärimmäisen suuret jännitykset aiheuttavat siirrosliikuntoja suurissa syvyyksissä mikäli kiven huokospaineen oletetaan olevan likimain hydrostaattinen. Syvistä kairarei'istä ympäri maailman saadun tutkimusaineiston perusteella syvällä maankuoressa esiintyy hyvin suuria leikkausjännityksen arvoja. Tulokset ovat yhteensopivia laboratoriomittausten kanssa. Jos San Andreasin siirros oletetaan vahvaksi,

6 5 vaaditaan suuri kitkan vastustus liukumiselle aina km syvyyteen asti, jossa suurimmat järistykset syntyvät (Zoback, 2000). Mikäli San Andreasin siirroksella todella olisi laboratoriomittausten osoittama kitkallinen lujuus (kitkakerroin ), olisivat siirroksen pitkän aikavälin liikunnot tuottaneet huomattavan paljon kitkalämpöä. Vaadittavaa lämpövuota ei kuitenkaan ole havaittu, joten siirroslujuuden on oltava huomattavan paljon luultua pienempi. Siirroslujuuden pienempi arvo voi tarkoittaa, ettei laboratoriomittauksissa havaita kaikkia siirroksella tapahtuvia prosesseja, San Andreasin kivet ovat koostumukseltaan erilaisia verrattuna paljastuneelta siirrososuudelta löydettäviin kiviin tai siirrosliukuma tapahtuu fluidien avustuksella (Zoback, 2000) luvun lopussa havaittiin, että lähellä San Andreasta maksimaalinen ensisijainen horisontaalijännitys on lähes kohtisuorassa siirrosta vastaan. Yhdessä lämpövuohavaintojen perusteella tästä pääteltiin, että San Andreas on täysin heikko siirros muuten vahvassa kuoressa. Toisaalta monet tutkijat ovat geodynaamisen mallin pohjalta päätyneet lopputulokseen, että Maan hauras kuorikerros on yleisesti heikko. Kuoren heikkouden seurauksena sekä laattojen sisäiset, että niiden väliset siirrokset olisivat lujuudeltaan pieniä. Eri tutkimusryhmät pitävät siis San Andreasta joko heikkona siirroksena vahvassa kuoressa, heikkona siirroksena heikossa kuoressa tai vahvana siirroksena yhtä vahvassa kuoressa. Syvistä kairarei'istä tehdyt mittaukset sulkevat pois keskimmäisen vaihtoehdon ainakin laattojen jäykille sisäosille. Jäljelle jäävistä kahdesta vaihtoehdoista toinen voidaan sulkea pois vasta, kun saadaan mittauksia jännitystasoista ja fysikaalisista olosuhteista, joissa maanjäristykset siirroksella tapahtuvat (Zoback, 2000). SAN ANDREASIN RAKENNE Suurin osa San Andreasin maanjäristyksistä tapahtuu kilometrin syvyisellä osalla kuorta. Tämän seismogeenisen kerroksen alapuolinen rakenne siirroksesta ei ole täysin selvillä. On mahdollista, että siirros leikkaa koko kuoren ja yläkuoren tapaan alakuoren deformaatio on keskittynyt kapealle vyöhykkeelle siirroksen maanpäällisen kulun alle. Toisaalta kuoren alaosien ja vaipan deformaatio voi olla jakautunut laajalle alueelle (Zhu, 2000).

7 6 Kuva 3. San Andreasin siirroksen (SAF) rakenne Zhun (2000) mukaan. Paksut viivat kuvaavat kuoren ja ylävaipan välisiä rajapintoja (interferenssejä). Pienillä punaisilla risteillä on merkitty alueella tapahtuneita maanjäristyksiä vuosina Vihreät viivat ovat kuoren heijastajia. Viivoitettu ylävaipan alue on seismisissä tomografiatutkimuksissa havaittava Transverse Rangen korkean seismisen nopeuden anomalia. Kaavakuvan yläpuolelle on piirretty havaittu (yhtenäinen viiva), Mohon topografian avulla laskettu (harmaa viiva) sekä Airyn isostasiamallia käyttämällä laskettu Bouguer anomalia. LAB Los Angelesin allas, ECSZ Itä Kalifornian hiertovyöhyke, SMF Sierra Madren siirros, VCT Vicentin työntösiirros. Zhu (2000) on tutkimuksissaan päätynyt tulokseen, että San Andreasin siirros ulottuu vaippaan saakka. Siirros näkyy alempien kuoren rakenteiden muutoksina ja Mohon korkeuden äkillisenä muutoksena (6 8 km) suoraan siirroksen alapuolella. Kuvassa 3 Mohon epäjatkuvuuskohta näkyy selvästi. Zhun tutkimalla segmentillä maanjäristyksiä tapahtuu ylimmässä 15 kilometrissä kuorta, mikä viittaa hauraaseen deformaatioon yläkuoressa. Lisäksi alakuoren siirrosvyöhykkeen deformaatio tapahtuu Zhun mukaan pienellä vyöhykkeellä ja se on yhteydessä yläkuoressa tapahtuvaan deformaatioon. Myös geodeettinen data sekä useat heijastus ja taittumisluotaustutkimukset tukevat tulkintaa koko kuoren lävistävästä siirroksesta.

8 7 Kuva 4. Ylemmissä kuvissa on esitetty P aallon nopeuden vaihtelu ja alemmissa kuvissa on v p /v s suhteen vaihtelu 2.4 kilometrin syvyydeltä Parkfieldin alueelta (kuva 2) käyttäen kolmea eri alkumallia Roekerin et al. (2006) mukaan. Maanjäristykset (valkoiset pallot) on valittu 300 metrin etäisyydeltä tutkimusprofiilia (keltainen viiva). Samanarvokäyrien väli P aaltojen nopeudelle on 0.2 km/s (ohuet viivat) ja 1.0 km/s (paksut viivat). Käyrävälii v p /v s suhteelle on ohuille ja paksuille viivoille. Seismisiä asemia on merkitty keltaisilla kolmioilla ja tutkimuksen tekoon käytetyt räjäytykset keltaisilla laatikoilla. Valkoinen timantti kuvaa SAFOD hankkeen kairareikäpaikkaa ja keltainen viiva seismistä profiilia. Kuvissa 3 ja 4 on esitetty Roekerin, Thurberin, Robertsin ja Powellin (2006) tutkimustuloksia San Andreasin siirrokselta. He käyttivät tutkimuksessaan FD tekniikkaa kolmelle eri alkumallille. San Andreasin siirros näkyy seismisessä tomografiatutkimuksessa P aaltojen nopeuden muutoksena. San Andreasin siirroksen rakennetta hallitsee huomattava nopeuskontrasti erityisesti 1 ja 7 kilometrin syvyydessä (ks. kuva 5). Noin 3 7 kilometrin syvyydessä seismiset nopeudet molemmin puolin siirrosta ovat alle 6 km/s, siirroksen kohdalla nopeus on noin 7 km/s. Kuvassa 4 näkyy selvästi siiroksen alaosan vertikaalisen epäjatkuvuuskohta. Siirrosvyöhyke erottuu ympäristöstään korkeampana v p /v s suhteen arvona, mikä saattaa johtua siirrosvyöhykkeellä olevista fluideista. v p /v s suhde saa anomalisen korkeita arvoja myös siirroksen koillispuolella. Kuvassa 3 on horisontaalinen leikkaus Parkfieldin alueelta noin 2.4 km syvyydeltä. Seismiset nopeudet eri puolilla San Andreasin siirrosta eroavat

9 8 toisistaan selkeästi. Myös horisontaalileikkauksessa havaitaan korkea v p /v s suhde lähellä siirrosta. Kuva 5. Ylemmässä kuvassa on P aaltojen nopeuden, alemmassa P ja S aaltojen suhteen variaatio Roekerin et al. (2006) tomografiatutkimuksen perusteella. Tutkimusprofiili (keltainen viiva kuvassa 4) sijaitsee lähellä SAFODin kairareikää ja se on kohtisuorassa San Andreasin siirrosta vastaan.. P aaltojen nopeuden ahuet samanarvokäyrät on piirretty 0.2 km/s välein, paksut 1.0 km/s. Vastaavasti alemassa kuvassa ohuiden viivojen intervalli on ja paksujen Maanjäristykset on merkitty valkoisilla palloilla, keltaiset kolmiot ovat pinta asemia ja keltaiset neliöt kairareiässä olevia sensoreita.

10 9 Yksi merkittävimmistä tutkimushankkeista San Andreasin siirrokseen liittyen on SAFOD (San Andreas Fault Observatory at Depth). Hankkeen tarkoitus on saada syväporareiän avulla suoraa tietoa fysikaalisista olosuhteista, joissa maanjäristykset tapahtuvat. San Andreasin siirrosvyöhykkeelle porataan 3.2 kilometriä syvä reikä lähelle 1966 tapahtuneen Parkfieldin maanjäristyksen hyposentriä. Tarkoituksena on ottaa näytteitä siirrosmateriaaleista (kivet ja fluidit), mitata erilaisia siirrosvyöhykkeen ominaisuuksia ja tarkkailla ryömivää ja seismisesti aktiivista siirrosta. ( Tulevaisuudessa SAFOD tulee tarjoamaan valtavasti uutta tietoa maanjäristysmekanismista ja tektonisten laattojen välisistä siirroksista. MAANJÄRISTYKSET KALIFORNIASSA Viimeisten 30 vuoden aikana kerätty tieto maanjäristyksistä ja laattojen liikenopeudesta San Andreasin siirroksella on mahdollistanut maanjäristysten todennäköisyyden ennustamisen pitkällä aikavälillä. Kuitenkin ymmärrys siirrosten fysiikasta on edelleen hyvin vajavainen. Vieläkään ei pystytä lyhyen aikavälin maanjäristysennustuksiin eikä myöskään tiedetä, lisääkö yhdellä siirroksella tapahtunut järistys maanjäristys todennäköisyyttä toisella siirroksella. (Zoback, 2000) Maanjäristysten ennustaminen perustuu historiallisiin tilastoihin järistysten esiintymisestä sekä jossain määrin myös GPS mittauksilla saatuihin laattojen keskenäisiin liikenopeuksiin. San Franciscon alueella tapahtuu magnitudiltaan 7.0 tai suurempi maanjäristys noin 60 prosentin todennäköisyydellä seuraavien 30 vuoden kuluessa. Los Angeles kokee vastaavan kokoisen järistyksen 60 prosentin todennäköisyydellä jo viiden vuoden kuluessa. San Andreasin siirroksen lähialueet erottuvat suuren seismisen riskin alueina Kalifornian seismisen hasardin kartasta (kuva 6). Seismistä hasardia laskettaessa otetaan huomioon paitsi maanjäristystodennäköisyys, myös paikallinen geologia ja rakennusten kunto. Kiinteällä, kovalla kallioperällä maanjäristys aiheuttaa vähemmän tuhoa, kuin esimerkiksi hiekka tai mutamailla. Vastaavasti huono kuntoiset rakennukset sortuvat todennäköisemmin, kuin maanjäristyksiä kestämään suunnitellut.(collier, 1999).

11 10 Kuva 6: Kiihtyvyyden huippuarvo (%g), joka ylittyy 10% todennäköisyydellä 50 vuoden kuluessa. Maahan kiinnittyneen pienen kappaleen edestakaisen liikkeen kiihtyvyys esitetään prosentteina Maan painovoimakiihtyvyydestä, %g. Kiihtyvyyden huippuarvoa käytetään usein seismisen hasardin kartoissa, sillä se on verrannollinen aiheutuneisiin tuhoihin. (Kuva:earthquake.usgs.gov/research/hazmaps/products_data/2002/2002April03/CNU/CNUpga500v4.pdf)

12 LÄHTEET Bakun, W.H, Aagaard, B., Dost, B., Ellsworth, W.L, Hardebeck, J.L., Harris, A., Ji, C., Johnston, J.S., Langbein, J., Lienkaemper, J.J., Michael, A.J., Murray, J.R., Nadeau, R.M., Reasenberg, P.A., Reichle, M.S., Roeloffs, E.A., Shakal, A., Simpson, R.W., Waldhauser, F., Implications for prediction and hazard assessment for the 2004 Parkfield earthquake. Nature vol 473, Collier, Michael, A land In Motion, California s San Andreas Fault. University of California Press. 116s. Hough, Susan Elizabeth, Finding fault in California. Mountain Press Publishing Company. 263s. Roeker, S., Thurber, C., Roberts, K., Powell, L., Refining the image of the San Andreas Fault near Parkfield, California using a finite difference travel time computation technique. Tectonophysics 426, Zhu, L., Crustal structure across the San Andreas Fault, southern California from teleseismic converted waves. Earth and Planetary Science Letters 179, Zoback, M.D., Strength of the San Andreas. Nature vol 405, earthquake.usgs.gov/research/hazmaps/products_data/2002/2002april03/cnu/cnupga5 00v4.pdf