Aihearkisto: seismologia

Kun Maa pyörii: pyörivän maanliikkeen merkityksestä seismologiassa ja tekniikassa

Vastaa

Maanjäristyksiä ajatellessamme ensimmäinen mieleen tuleva asia on maan täriseminen. Tässä liikkeessä on kuitenkin enemmän kuin vain edestakainen tai ylös ja alas -liike. Pyörivä maanliike, maapallon pinnan kiertyminen ja kallistuminen paikallisesti, on ratkaisevassa asemassa seismisten tapahtumien ymmärtämisessä ja niihin varautumisessa.

Päivittäisiä esimerkkejä pyörimisliikkeestä

Jotta kiertoliikkeen käsite olisi helpommin ymmärrettävissä, pohditaanpa joitakin jokapäiväisiä esimerkkejä:

  1. Hyrrä: Aivan kuten hidastuessaan huojuvan hyrrän pyörivä yläosa, maa voi vääntyä ja kääntyä maanjäristyksen aikana.
  2. Dizzy Dance Moves: Oletko koskaan yrittänyt pyöriä ympyrää huvin vuoksi? Pyörimisestä aiheutunut huimaus on pienimuotoinen versio siitä, mitä tapahtuu maan pyörimisliikkeen aikana – ilman rakennuksen kaatamisen riskiä.

Jokapäiväisiä esimerkkejä pyörimisliikkeestä.

Nämä arkiset esimerkit auttavat meitä visualisoimaan, miten maa voi liikkua maanjäristyksen aikana. Tutkitaan vielä tarkemmin, mitä pyörimisliike on ja miksi se on tärkeää.

Maan liikkeen jakaminen osiin: edestakainen liike, pyörimisliike ja Maan tanssi

Pyörivä maanliike tarkoittaa maankamaran paikallista pyörimisliikettä pysty- ja vaaka-akselien ympärillä (me nörtit kutsumme niitä vääntö- ja kallistus- tai keinumisliikkeiksi!). Kuvittele seisovasi jättimäisen levysoittimen päällä, joka alkaa pyöriä. Koet pyörimisliikkeen. Samoin maanjäristyksen aikana maankamaran eri osiin voi kohdistua pyörimis- tai kiertoliikettä.

Oletetaan, että seisot avoimessa maastossa maanjäristyksen aikana. Selvitetäänpä, mitä tapahtuu allasi olevalle maalle:

  • Translaatioliike:

Kuvittele, että sinua tönäistään lempeästi pohjoisesta. Tunnet siirtyväsi etelään. Tämä liike, jossa maa liikkuu edestakaisin yhteen suuntaan, on translaatioliike. Kuin sinua ravisteltaisiin hellästi suoraa viivaa pitkin. Samoin sinua voidaan tönäistä idästä, jolloin tunnet liikkuvasi länteen.

  • Pyöriminen:

Oletetaan, että sinua aletaan pyörittää ympäri samanaikaisesti, kun sinua työnnetään pohjoisesta ja idästä. Et liiku enää vain etelään ja länteen, vaan pyörit myös ympäri. Tämä on pyörivä maanliike, jossa maa kiertyy ja kääntyy. Kuin olisi pyörivässä karusellissa, samalla kun tunnet paineen pohjoisesta ja idästä.

Mitä vaikuttaa tähän mennessä? Eikö tunnukin siltä, että olet huvipuistossa? Sinulla on jo pari ystävää, jotka työntävät ja pyörittävät sinua eri suuntiin. Ei siis haittaa, että saat vielä yhden ystävän lisää! Lisätäänpä siis vielä yksi ulottuvuus:

  • Ylös ja alas -liike:

Kaiken edellä mainitun tapahtuessa kuvittele, että sinua nostetaan ylös ja alas. Sinua ei tönitä vain etelään, vaan myös ylös ja alas. Tämä ylös-ja-alas liike täydentää translaatioliikkeiden kolmikon lisäämällä liikeratoihin mukaan syvyyden.

Maanjäristyksen aikana maa voi siis liikkua kuudella eri tavalla samanaikaisesti: se voi liikkua edestakaisin, vasemmalle ja oikealle, sekä nousta ja laskea (ylös ja alas). Näitä kolmea liikemuotoa kutsutaan translaatioksi. Maanliikkeen kolme muuta komponenttia ovat pyörimisliikkeet kolmen kohtisuoran akselin ympäri. Nämä kuusi komponenttia yhdessä muodostavat monimutkaisen liikkeen, ja kunkin komponentin ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää seismisiin tapauksiin varautumisessa.

Maan liikkeen jakaminen kolmeen translaatio- ja kolmeen rotaatiokomponenttiin

Mitä väliä?

  • Seismologia

Seismologiassa kiertoliikkeen ymmärtäminen auttaa parantamaan maanjäristysmalleja. Näitä malleja käytetään ennustamaan, miten erilaiset maanliikkeet, mukaan lukien sekä translaatio- (edestakainen liike) että pyörimisliikkeet, vaikuttavat maapallon pintaan. Pyörimisliikkeen sisällyttämällä näihin malleihin täydentää tutkijoiden ymmärrystä maan tärinästä, mikä mahdollistaa paremman ennakointikyvyn ja valmistautumisen tulevien maanjäristysten varalle.

  • Rakennustekniikka

Tieto pyörimisliikkeen vaikutuksesta auttaa insinöörejä, erityisesti rakennusten, siltojen ja muun infrastruktuurin suunnittelijoita, suunnittelemaan rakenteita, jotka kestävät paremmin maanjäristyksiä. Lisäksi tieto kiertovoimien vaikutuksesta auttaa arvioimaan olemassa olevien rakenteiden turvallisuutta ja vakautta (katso tämä video saadaksesi lisätietoa https://www.usgs.gov/media/videos/shaking-atwood-building-anchorage-alaska).

Pyörivän maanliikkeen mittaaminen

Pyörimisliikkeen mittaaminen on haastavaa, mutta siihen on kehitetty useita tekniikoita. Nämä tekniikat voidaan jakaa kahteen pääluokkaan: pyörimisanturit ja mittalaitejoukon rekisteröinneistä laskettava pyörimisliike.

  • Pyörimisanturit

Pyörimisanturit mittaavat suoraan maan kiertymistä ja kääntymistä. Näitä ovat gyroskoopit, rengaslasergyroskoopit ja valokuitugyroskoopit, jotka havaitsevat ja mittaavat seismisiä pyörimisliikkeitä. Nämä anturit tarjoavat kriittistä tietoa, joka auttaa ymmärtämään maanpinnan monimutkaista liikettä. Ne ovat kuin seismologin versio ballerinan tasapainoaistista – paitsi paljon tarkempia ja ilman tutua!

  • Mittalaitejoukon rekisteröinneistä laskettava pyörimisliike

Laitejoukon rekisteröinneistä laskettava pyörimisliikkeen arviointi edellyttää useita seismometrejä (instrumentteja, jotka mittaavat maan translaatioliikettä) pyörimisliikkeen päättelemiseksi. Sijoittamalla useita seismometrejä lähelle toisiaan tutkijat voivat analysoida maanpinnan liikkeen pyörimiskomponentit. Tätä menetelmää kutsutaan myös monipistemittaustekniikaksi.

Miten monipistemittaustekniikka toimii

Kuvittele, että asetat useita seismometrejä tietyin välimatkoin toisistaan. Jokainen seismometri tallentaa maan liikkeen tietyssä tunnetussa paikassa. Vertailemalla kunkin seismometrin tallentamien signaalien eroja tutkijat voivat päätellä, miten mittalaitteen alla oleva maa liikkuu ja pyörii. Tämä menetelmä on erittäin tehokas, koska siinä hyödynnetään olemassa olevaa tekniikkaa, joka on laajalti saatavilla.

Pyörimisliike Helsingissä

Arvioimme Helsingin yliopiston seismologian instituutissa pysty- ja vaaka-akselien pyörimisliikkeet lähes 500 seismisestä tapauksesta. Maanjäristykset aiheutuivat Espoon Otaniemen geotermiseen energiakaivoon liittyvästä stimulaatiosta. Käsittelimme dataa kuudesta pääkaupunkiseudulle asennetusta seismografiasemasta. Maanjäristysten pienestä voimakkuudesta huolimatta saimme selkeitä tietoja pyörimisliikkeestä, jotka osoittivat monipistemittaustekniikan sovellettavuuden tällaisten pienikokoisten maanjäristysten aiheuttamien pyörimisliikkeiden arvioimiseksi.

Geofoniryhmät, joilla tallennettiin Espoo Otaniemen geotermisen energiakaivon vuoden 2018 stimulaation aiheuttaman seismisyyden translaatioliikkeitä (lue lisää https://doi.org/10.1785/0220190253)

Esimerkki näytetaulukosta johdettujen pyörimisliikkeiden aikasarjoista, jotka on johdettu translaatioliiketietueista (lue lisää https://doi.org/10.1029/2020GL090403)

Amir Sadeghi-Bagherabadi, yliopistotutkija

Seismisten havaintoasemien paluu Helsinkiin

Vastaa

Helsingin kaupungin syntymäpäivän kunniaksi vietetään jälleen Helsinki-päivää 12.6.2024. Laitteilla tehtävä seismologinen havaintotoiminta Helsingin kaupungissa käynnistyi jo vuosisata aiemmin, kun Saksan Göttingenistä tilatut ja Suomen tiedeseuralta saadut Mainka-seismografit aloittivat toimintansa Helsingin yliopiston Fysiikan laitoksen tiloissa Siltavuorenpenkereellä. 

Seismologisessa havaintotoiminnassa suuntaus oli pitkään kaupungeista kohti häiriöttömämpiä ympäristöjä. Luonnollisen seismisyyden havaitseminen onkin yleensä helpompaa vaikkapa Nurmijärven Röykässä, jossa seisminen havaintotoiminta alkoi vuonna 1958 ja jatkuu edelleen. Helsingissä se puolestaan loppui. Nykyisessä kaupunkiympäristössä on kuitenkin kasvavissa määrin ihmistoiminnan aiheuttamia seismisiä lähteitä, joita kohtaan sekä kaupungilla että Seismologian instituutilla on alkanut ilmetä kiinnostusta. Niinpä kaupunki lähestyi instituuttia alkuvuonna 2019 pyrkimyksenään saada alueelleen jälleen seismisiä mittausasemia. Sopimus kolmen seismisen aseman ja erityisen HelsinkiNet-havaintoverkon perustamisesta syntyi saman vuoden elokuussa. 

Seismisten mittalaitteiden ostamisen jälkeen Seismologian instituutti aloitti sopivien asemapaikkojen etsinnän heti syksyllä 2019. Suotuisan havaintogeometrian ja seismisen kohinatason mataluuden perusteella asemapaikoiksi valikoituivat Lauttasaaren länsirannikko, Kuninkaantammi ja Kallahdenniemi. Havaintoasemat on varustettu kanadalaisen Nanometricsin Centaur-digitoijilla ja Trillium Compact -antureilla. Mahdollisimman häiriöttömän toiminnan kannalta tärkeää on paitsi anturin suora yhteys peruskallioon, myös reitittimen avulla saatu jatkuva tietoliikenneyhteys Seismologian instituuttiin. Asemat täytyi myös kyetä sijoittamaan säänvaihteluilta ja ilkivallalta suojattuihin paikkoihin joko olemassaoleviin rakennuksiin tai tarkoitusta varten rakennettaviin laitesuojiin. 

HelsinkiNetin kolme asemaa KUNI, LAUT ja VUOS aloittivat toimintansa vuoden 2020 alkupuoliskolla. Samaan aikaan Länsi-Helsingissä ja Espoossa edelleen jatkoi väliaikainen seisminen tutkimusverkko, joka oli perustettu erityisesti St1 Oy:n Espoon syväreikähankkeen valvontaan. Kyseisen verkon asemista Seurasaaren asema HEL1 siirtyi vuoden 2024 alussa osaksi HelsinkiNetiä. Lisäksi toukokuussa 2021 HelsinkiNet kasvoi Helen Oy:n Ruskeasuon lämpövoimalaprojektin valvontaan tarkoitetulla asemalla RSUO. Verkkoon kuuluu nyt viisi havaintoasemaa, joiden aineistoa käsitellään instituutin päivittäisanalyysissa. Ne kaikki toimivat myös osana instituutin valtakunnallista havaintoverkkoa. 

Talvipuutarhassa tehdyt testimittaukset eivät lopulta johtaneet havaintoaseman perustamiseen alueelle.

Talvipuutarhassa tehdyt testimittaukset eivät lopulta johtaneet havaintoaseman perustamiseen alueelle.

HelsinkiNetin asemien havainnoista suurin osa on ollut louhosten ja rakennustyömaiden räjäytyksiä. Verkon jokaisena toimintavuonna mukana on myös ollut luonnollisia tai ihmistoiminnan aiheuttamia maanjäristyksiä. Geotermisen lämmöntuotannon kasvava käyttö matalien ja keskisyvien lämpökaivojen avulla liittyy Helsingin kaupungin asettamaan vuoden 2035 hiilineutraaliustavoitteeseen ja korostaa lämmöntuotantoon liittyvän seismisen riskin myötä havaintoverkon merkitystä. Toisinaan verkon asemien datasta on löytynyt kaukaisiakin tapauksia, kuten Taiwanin maanjäristys 3.4.2024. 

Seismologian instituutin ja Helsingin kaupungin sopimuksen nojalla instituutti julkaisee HelsinkiNetin toiminnasta ja havainnoista vuosittain julkisen raportin. Raportti on pääosin suomenkielinen. Kaikki raportit ovat luettavissa Helda-julkaisuarkistossa ja niistä viimeisimpään pääset täältä. 

Toni Veikkolainen, seismologi

Luonnononnettomuuksien varoitusjärjestelmä (LUOVA)

Vastaa

LUOVA-järjestelmä on viranomaisille suunnattu palvelu, joka antaa varoituksia Suomessa ja ulkomailla tapahtuvista luonnononnettomuuksista. LUOVA perustettiin Aasiassa tapaninpäivänä 2004 tapahtuneen maanjäristys- ja tsunamikatastrofin seurauksena. Erityisenä tarpeena oli tehostaa ja selkiyttää tutkimuslaitosten ja viranomaisten välistä viestintää sekä saada asiantuntijoiden tuottama tieto ja tilannearvio luonnononnettomuuksista mahdollisimman nopeasti viranomaisten käyttöön. Seismologian instituutin tehtäviin kuuluu maanjäristystiedon toimittaminen LUOVA-järjestelmään.  

LUOVA:n rakenne ja toiminta  

LUOVA:n tavoitteena on kerätä ennusteita, arvioita ja varoituksia eri lähteistä sekä muodostaa tietojen pohjalta reaaliaikainen tilannekuva viranomaisten päätösten tueksi. LUOVA:n perusta on tietojärjestelmä, jonka avulla tutkimuslaitokset seuraavat maailmanlaajuisesti eri luonnonilmiötä sekä analysoivat uhkia, riskejä ja toteutuneita luonnononnettomuuksia. LUOVA tarjoaa yhtenäisen ilmoitustavan kaiken tyyppisille varoituksille – yksi, nopea kanava, josta viranomaiset löytävät tarpeellisen tiedon luonnononnettomuuksista.  

LUOVA-keskus sijaitsee Ilmatieteen laitoksella sääpäivystyksen yhteydessä. Asiantuntijat huolehtivat reaaliaikaiset tilannepäivitykset luonnononnettomuuksista LUOVA-nettiportaaliin ympäri vuorokauden. LUOVA:n tiedontoimittajia ovat Ilmatieteenlaitos, Suomen ympäristökeskus sekä Seismologian instituutti. Ilmatieteenlaitos toimittaa järjestelmään tietoa vaarallisista sääilmiöistä, meritulvista sekä tsunameista ja Suomen ympäristökeskus vesistötulvista. Seismologian instituutti vastaa LUOVA-järjestelmän maanjäristys sekä tsunami tiedoista. 

Maanjäristyshavainnot LUOVA:ssa  

Seismologian instituutin tehtäviin kuuluu maanjäristystiedon toimittaminen LUOVA-järjestelmään. LUOVA:n maanjäristyshälytykset ja -arviot perustuvat instituutin automaattiseen havaintojärjestelmään ja sen pohjalta toimivaan takapäivystykseen. Päivystävä seismologi saa tiedon uusista maanjäristyksistä ensisijaisesti SeisComP-automaattijärjestelmästä. Lisätietoja tapahtumista saadaan kansainvälisten keskusten internet-sivuilta ja varoitusviesteistä.  

Päivystävä seismologi tarkistaa, täydentää ja korjaa automaatti-ilmoitukset. Tapauksen vaarallisuusaste arvioidaan ja tapaus luokitellaan riskiluokkiin 1-4 (1 = hyvin vaarallinen, 2 = vaarallinen, 3 = mahdollisesti vaarallinen, 4 = ei vaarallinen). Päivystäjä lähettää vaikutusarvion, sekä kirjaa riskiluokille 1–3 tarkemmat kuvaukset mahdollisista seurauksista LUOVA-järjestelmän kautta viranomaisten käyttöön. Lisäksi päivystävä seismologi antaa tarvittaessa asiantuntijalausunnon ja –apua varoitusten antamiseen sekä tuhovaikutusten arvioimiseen.  

Vuonna 2023 LUOVA-päivystäjät tarkastivat yhteensä 296 tapausta. Näistä 237 kappaletta oli riskiluokan 4 tapauksia, 51 riskiluokan 3 tapauksia, 6 riskiluokan 2 tapauksia ja 2 riskiluokan 1 tapauksia.  

Maanjäristystuhojen arviointi 

Maanjäristyksen magnitudi ja maanjäristystuhot eivät ole suoraan riippuvaisia toisistaan. Ilman suoria havaintoja tapahtuma-alueelta tuhovaikutuksien arvioinnissa kiinnitetään ensisijaisesti huomiota maanjäristyksen magnitudin eli voimakkuuden lisäksi maanjäristyksen syvyyteen ja sijaintiin. Maanjäristyksen syvyys vaikuttaa tuhoisien pinta-aaltojen muodostumiseen sekä merialueilla tsunamien muodostumiseen. Tuhoja arvioidessa kiinnitetään huomiota järistyskeskuksen lähettyvillä olevaan asutukseen, rakennuksien kuntoon ja ikään sekä mahdolliseen kriittiseen infrastruktuuriin. Esimerkiksi pieni, magnitudin 4–5 järistys matalalla ja keskellä suurta asutuskeskusta, jonka rakennukset eivät kestä hyvin maanjäristyksen aiheuttamaa tärinää, voi aiheuttaa suuria tuhoja. Toisaalta suuri, magnitudi 6–7 maanjäristys keskellä erämaata tai valtamerta ei välttämättä herätä minkäänlaista huomiota lukuun ottamatta seismisen havaintoverkon automaattista havaintoa. 

Tsunami eli hyökyaalto voi syntyä merenpohjan voimakkaan (tyypillisesti yli magnitudin 7) maanjäristyksen seurauksena. Tsunamin syntymiseen vaaditaan yleensä pystysuuntainen merenpohjan liike ja siksi tsunamit syntyvät yleisimmin laattarajojen subduktiovyöhykkeillä, joissa litosfäärilaatat työntyvät toistensa alle. Tsunami eroaa tavallisista tuulen synnyttämistä aalloista siten, että se saattaa meren vesimassan liikkeelle koko syvyydeltään, kun taas tuuliaaltojen vaikutus rajoittuu vain ylimpään pintakerrokseen. Tsunamien aallonpituudet ja nopeudet ovat myös huomattavasti tavallisia aaltoja suuremmat. Valtameren suurimmatkin aallot etenevät tavallisesti alle 50 km/h kun taas tsunamien nopeus on jopa 800 km/h. LUOVA päivystäjä antaa vaikutusarvion yhteydessä myös varoituksen, jos maanjäristyksen seurauksena voi syntyä hyökyaalto. 

Viimeaikaiset maanjäristykset maailmalla ovat nähtävillä instituutin nettisivuilla (https://www.helsinki.fi/fi/seismologian-instituutti/maanjaristykset/maanjaristykset-maailmalla). 

Niina Junno, seismologi

Seismisen datan päivittäisanalyysissä selvitetään signaalin syntylähteitä

Vastaa

Seismologian instituuttiin tulee tasaisin välein tiedusteluita medialta ja kansalaisilta erilaisista tärinähavainnoista. Instituutilla on useita eri kanavia, joiden avulla havainnoista voi ilmoittaa tai kysellä. Seismologian instituutin infopuhelimeen soittamisen lisäksi voi lähettää sähköpostia tai täyttää internet-sivuillamme havaintolomakkeen. Linkit ja muut yhteystiedot löytyvät instituutin sivuilta. Jokainen havainto tutkitaan, ja tarvittaessa teemme tapauksesta analyysin. Aina kaikille ilmiöille ei löydy selitystä seismogrammeja tutkimalla, sillä osa ilmiöiden lähteistä voi olla hyvin heikkoja ja paikallisia. Näissä tilanteissa vain hyvin lähellä sijainnut seisminen asema havaitsee signaalin. Toisaalta lähde voi olla muualla kuin kallioperässä, esimerkiksi ilman kautta kulkeva paineaalto voi myös helisyttää ikkunoita.

Kyselyn tai ilmoituksen perusteella tarkistamme lähimpien seismisten asemien tuottaman datan ilmoitetulta ajalta. Jos seisminen tapaus on tarpeeksi voimakas, voi se olla jo näkyvissä sivuillamme “Raportit seismisistä tapauksista”, josta löytyy “Alueelliset räjäytykset ja maanjäristykset tänään”. Tällä sivulla on kartta ja lista, joissa näkyy ohjelmistojen automaattisesti havaitsemat ja paikantamat seismiset tapaukset. Koska kyseessä on automaattinen lista, eli ihminen ei ole sitä tarkistanut, voivat paikannukset olla välillä hyvinkin epätarkkoja ja ajoittain mukana saattaa olla ihan virheellisiäkin tapauksia ohjelmien yhdistellessä esimerkiksi pakkasen aiheuttamia signaalipiikkejä toisiinsa.

Analysti, eli seismisen datan analysoija hakee kysytyltä havaintoajankohdalta dataa seismisiltä asemilta. Datasta etsitään mahdollinen seisminen tapaus, jonka lähde on yleensä räjäytys tai maanjäristys, mutta joskus myös romahdukset, maanvyörymät tai pakkasjäristykset voivat aiheuttaa signaalin. Signaalista merkitään ensimmäinen saapuva aalto, pitkittäisaalto P-aalloksi ja hieman hitaammin kallioperässä kulkeva poikittaisaalto S-aalloksi. Kun näitä aaltoja on kerätty useammalta seismiseltä asemalta, voidaan laskea P- ja S-aallon nopeuksien eron avulla kullekin asemalle etäisyys lähteestä ja näiden etäisyyksien leikkauspisteestä tai sen läheisyydestä löydetään todennäköisesti signaalin lähde. Paikka voidaan määrittää sitä tarkemmin mitä enemmän seismisiä asemia on käytettävissä lähteen ympärillä. Tämän takia esimerkiksi Suomessa tapahtuneet seismiset tapaukset yleensä paikantuvat lähemmäs todellista lähdepaikkaa kuin kauempana Suomen ulkopuolella tapahtuneet seismiset tapaukset.

Analysti pyrkii myös määrittämään seismisen tapauksen syntymekanismin parhaansa mukaan. Suurin osa Suomessa havaituissa seismisistä tapauksista (n. 18 000 tapausta vuosittain) on kaivoksilla, louhoksilla tai rakennustyömailla tehtyjä räjäytyksiä. Räjäytykset kaivoksilla ja louhoksissa tehdään tyypillisesti useamman räjäytyksen sarjana, missä panokset on sijoitettu tiettyjen etäisyyksien päähän toisistaan ja ne räjäytetään pienellä viiveellä. Tällaisille räjäytyksille on niiden aiheuttamassa signaalissa tyypillistä energian jakautuminen tasaisesti joka suuntaan ja erilaisista räjäytystekniikoista syntyvät tyypilliset aaltomuodot (Kuva 1). Räjäytyksissä pyritään vaimentamaan joitain energiataajuuksia ja ne muodostavat energiaspektreissä tyypillisesti raidallisen kuvion (Kuva 2).

Kuva 1. Tyypillinen räjäytyksen aiheuttama signaali seismogrammeissa.

Kuva 2. Tyypillinen räjäytyksen aiheuttama raidallinen energiajakauma. Vasemmalla pystyakselilla on taajuus ja väriskaala kuvaa signaalin voimakkuutta (eli energian määrää). Kuvassa OUF-aseman havainto Kaustisilla tehdystä räjäytyksestä.

Maanjäristyksillä vastaavasti energia jakaantuu eri suuntiin eri lailla riippuen millainen liike kallioperässä on aiheuttanut signaalin (Kuva 3). Maanjäristyksen energiaspektreissä energia on jakaantunut tasaisesti kaikille taajuuksille, etenkin lähemmillä seismisillä asemilla (Kuva 4). Pieni seisminen tapaus, häiriöiset asemat tai toisen seismisen tapauksen päällekkäisyys voi vaikeuttaa lähteen määrittämistä huomattavastikin.

Kuva 3. Maa järisi Kuusamossa 2.5.2024, kuvassa on rekisteröintejä Suomen eri seismisiltä asemilta.

Kuva 4. Kuusamon järistyksen tuottama energiajakauma (MSF-asemalta) on maanjäristykselle tyypillisen tasainen. Vasemmalla pystyakselilla on taajuus ja väriskaala kuvaa signaalin voimakkuutta (eli energian määrää).

Lopuksi analysti määrittää tapauksen voimakkuuden mittaamalla eri asemilla voimakkaimman signaalin amplitudin, josta lasketaan paikallinen magnitudi seismiselle tapaukselle. Kun kaikki parametrit on näin saatu, julkaistaan tulos internetsivuilla. Maanjäristykset näkyvät välittömästi maanjäristyshaun kautta. Lisäksi maanjäristykset näkyvät muutaman arkipäivän päästä, kun kyseisen päivän loputkin seismiset tapaukset on analysoitu,  “Raportit seismisistä tapauksista” sivun “Tarkistetut bulletiinit” välilehdeltä “päivittäisistä alustavista bulletiineista” räjäytysten ja muiden seismisten tapausten kanssa.

Kati Oinonen, seismologi

Ympäristöseismologia – enemmän kuin maanjäristysten monitorointia

Vastaa

Viimeisten sadan vuoden aikana seismisten laitteiden herkkyys on parantunut useita kertaluokkia. Nykyaikaisilla seismometreillä, kuten Suomen pysyvään seurantaverkkoon asennetuilla mittalaitteilla, voidaan mitata maan liikkeitä, jotka ovat vain nanometrejä  sekunnissa (0,000000001 m/s). Tällaisen uskomattoman herkkyyden ansiosta Seismologian instituutin asiantuntijat voivat havaita maanjäristysten signaaleja kaikkialta maailmasta tai nähdä pieniä räjähdyksiä kaivostoiminnasta Ruotsissa. Lisäksi seismometrien rekisteröinneissä jää maanjäristysten väliin kokonaan omanlaisensa signaalien maailma piilotettuna taustakohinaksi kutsumamme ilmiön sekaan. 

Kun taustakohina ei olekaan vain kohinaa 

Asennettuaan yhä herkempiä mittalaitteita eri puolille maailmaa, seismologit huomasivat, ettei maapallo ollutkaan hiljainen vaan humisi jatkuvasti energiaa. Tämä energia oli yleensä hiljaisempaa kuin maanjäristysten tuottamat signaalit, mutta se oli helppo havaita korkealaatuisilla laitteilla. 

Kuva 1: Seismisillä periodeilla (aallonvärähdyksen jaksonaika) mitattu energia viiden vuoden ajalta Suomen KEV-aseman ja Australian WRAB-aseman aineistosta. Huippuarvot 3-5 sekunnin periodeilla (punaiset nuolet) liittyvät meren aaltojen tuottamaan energiaan. Kuviot on luotu EarthScope MUSTANG -verkkopalvelun avulla [1].

Kuvassa 1 [1] esitetään kahdella eri seismometrillä viiden vuoden aikana mitattua energiaa. Asema KEV sijaitsee Kevon kylän lähellä Lapissa, ja asema WRAB sijaitsee Keski-Australiassa. Vaikka ne sijaitsevat geologisesti hyvin erilaisissa paikoissa, energiakuvio näyttää melko samankaltaiselta, ja energiahuippu on noin 3-5 sekunnin jaksoissa (taajuus 0,2-0,33 Hz). Tämä energiakuvio näkyy joka päivä lähes kaikilla maapallon seismisillä asemilla ja tutkijat epäilivät pitkään kohinan olevan peräisin valtamerten aaltojen vuorovaikutuksesta [2]. Vasta äskettäin tämä pystyttiin tarkasti todentamaan [3]. 

Ilma, jää ja kallio 

Myös muut maanpäälliset prosessit tuottavat signaaleja, joita vanhemmat seismiset laitteet eivät pystyneet mittaamaan, lähistöllä ei ollut riittävästi asemia tai meillä ei aiemmin ollut tarvittavaa laskentatehoa signaalien purkamiseen. Tutkijat ovat esimerkiksi pystyneet seuraamaan Yhdysvaltojen eteläosissa liikkuvia ukkosmyrskyjä [4] ja laskemaan Tyynen valtameren syklonien voimakkuuden [5] pelkästään seismisten aineistojen avulla. 

Koska jäätiköt ovat vetäytyneet nopeasti ilmastonmuutoksen vuoksi, seismologian avulla voidaan myös havaita jäätikön liikkeitä [6] tai pieniä sortumia ja jopa määrittää jään putoamissuunta [7]. 

Seismisiä aineistoja käytetään jopa maanvyöryjen seurantaan lähes reaaliajassa, jolloin voidaan tarkkailla maanvyöryn todennäköisyyttä aiheuttaa vaarallinen tsunami (kuva 2) [8]. Tällaisten signaalien seuranta on teoriassa samanlaista kuin tavanomaisten maanjäristysten havaitseminen ja paikantaminen. Seismisten aineistojen tulkinnassa käytetään kuitenkin täysin uusia menetelmiä ja analyysi on tehtävä riittävän nopeasti, jotta vaarassa olevia ihmisiä voidaan varoittaa ennen uhan toteutumista. 

Kuva 2: Karasöz ja West (2024) havaitsivat yhdeksän maanvyörymää automaattisesti Alaskan vuonoilla käyttäen seismisiä aineistoja.

Elämme jännittävää seismologian aikakautta, kun monet aiempien sukupolvien teknologisista rajoituksista on poistuneet. Voimme hyödyntää seismologiaa laajemmin kuin vain maanjäristysten seurantaan ja käyttää välineitä ja luovuuttamme oppiaksemme enemmän maapallosta kokonaisuutena – ilmakehästä, valtameristä ja jalkojemme alla olevasta kalliosta. 

Matt Gardine, seismologi

Lähteet

[1] Casey, Robert, Mary E. Templeton, Gillian Sharer, Laura Keyson, Bruce R. Weertman, and Tim Ahern. “Assuring the Quality of EarthScope Data with MUSTANG”. Seismological Research Letters 89 (2A) (2018): 630-639. https://doi.org/10.1785/0220170191

[2] Longuet-Higgins, Michael. S. “A theory of the origin of microseisms”. Proc. R. Soc. London Ser. A 243 (1950): 1–35.

[3] Kedar, Sharon, Michael Longuet-Higgins, Frank Webb, Nicholas Graham, Robert Clayton, and Cathleen Jones. “The origin of deep ocean microseisms in the North Atlantic Ocean”. Proc. R. Soc. London Ser. A 464 (2008): 1–35. https://doi.org/10.1098/rspa.2007.0277

[4] Tytell, Jonathan, Frank Vernon, Michael Hedlin, Catherine de Groot Hedlin, Juan Reyes, Bob Busby, Katrin Hafner, and Jennifer Eakins. ”The USArray Transportable Array as a Platform for Weather Observation and Research”. Bulletin of the American Meteorological Society 97.4 (2016): 603-619. https://doi.org/10.1175/BAMS-D-14-00204.1

[5] Gualtieri, Lucia, Suzana J. Camargo, Salvatore Pascale, Flavio M.E. Pons, and Göran Ekström. “The persistent signature of tropical cyclones in ambient seismic noise”. Earth and Planetary Science Letters 484 (2018): 287-294. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2017.12.026

[6] Nettles, Meredith, and Göran Ekström. “Glacial earthquakes in Greenland and Antarctica”. Annual Review of Earth and Planetary Sciences 38:1 (2010): 467-491. https://doi.org/10.1146/annurev-earth-040809-152414

[7] Olsen, Kira G., and Meredith Nettles. “Constraints on terminus dynamics at Greenland glaciers from small glacial earthquakes”. Journal of Geophysical Research: Earth Surface 124 (2019): 1899–1918 https://doi.org/10.1029/2019JF005054

[8] Karasözen, Ezgi, and Michael E. West. “Toward the Rapid Seismic Assessment of Landslides in Coastal Alaska”. The Seismic Record 4 (1) (2024): 43–51 https://doi.org/10.1785/0320230044

Seismologian aikamittakaavoista

Vastaa

Suomen ensimmäinen seismografi alkoi toimia Helsingissä sata vuotta sitten. Se on huomionarvoinen tasaluku ja pitkä aika ihmisille. Sata vuotta on kuitenkin lyhyt aika havaita maanjäristyksiä. Monilla seuduilla ei tapahdu ensimmäistäkään voimakasta maanjäristystä, toisilla alueilla ei ainakaan montaa, ja joka tapauksessa vuosisata ei riitä antamaan luotettavaa käsitystä pitkän aikavälin seismisyydestä. Vaikka seismologit eivät yleensä työskentele jopa miljoonista miljardeihin vuosiin ulottuvilla geologisilla ajanjaksoilla, kuuluu heidän työhönsä järistyshavaintojen sarjan pidentäminen mahdollisimman kauas menneisyyteen ja eteenpäin tulevaisuuteen.  

Kauan sitten tapahtuneita maanjäristyksiä voidaan tutkia ei-instrumentaalisen seismologian menetelmillä.  Mitä pidemmälle ajassa taaksepäin siirrytään, sitä enemmän kasvaa voimakkaiden maanjäristysten todennäköisyys. Hintana ajanjakson pidentymisestä on järistysten kokoluokan epävarmuuden kasvu, mutta epävarmuutta voidaan kuitenkin mallintaa. 

Ennen mittauslaitteiden yleistymistä voitiin havaita maanjäristyksien seurauksia suoraan paljaalla silmällä. Etenkin järistysonnettomuuksien jälkeen tehtiin muistiinpanoja tapahtumasta viranomaisille ja muille aikalaisille ja joskus myös tieteellisiin päämääriin. Luotettavimmat tekstit pohjautuvat silminnäkijöiden tietoihin. Parhaissa tapauksissa yksityiskohtaisia kirjoituksia on säilynyt nykyaikaan ja tutkijat ovat ne löytäneet. Historian tutkimusmenetelmien avulla laaditaan jonkin kohdepaikkakunnan seisminen historia, joka näyttää, kuinka usein ja kuinka merkittäviä järistysvaikutuksia siellä on koettu vuosisatojen, joissakin maailmankolkissa jopa joidenkin vuosituhansien aikana. 

Voimakkaiden maanjäristysten luontoon jättämät jäljet vievät yli kymmenen tuhatta vuotta ajassa taaksepäin. Maanjäristyksen äkillisyys ja rajuus jää jäljelle siirrosliikahduksina, maapohjan vajoamisena tai nousuna ympäristöön verrattuna, vanhoina maanvyöryminä, muinaisina veden kulkureitteinä maaperässä. Näiden jälkien paikannus ja ajoitus kartuttaa tietoa voimakkaiden maanjäristysten esiintyvyydestä. Voimakkaiden järistysten jälkien etsiminen luonnonympäristöstä on paleoseismologiaa.  

Fennoskandian kilpialueella Pohjois-Euroopassa on ikivanhaa kallioperää ja maanjäristystoiminnan osalta aika rauhallista. Kirjallisia merkintöjä järistysvaikutuksista on Lappia myöten lähes kolmelta vuosisadalta, etelästä hieman pidemmältä ajanjaksolta. Viime jääkauden lopulla jäämassan perääntyminen muutti maankuoren jännitysoloja aiheuttaen voimakkaita maanjäristyksiä useissa Pohjois-Fennoskandian lounais-koillissuuntaisissa siirrosjyrkänteissä. Ne on ajoitettu 9–11 tuhannen vuoden taakse. 

Korkearesoluutioiset laserkeilausaineistot, seismiset heijastustutkimukset ja kaivaukset ovat edistäneet paleoseismologiaa Fennoskandiassa 2000-luvulla. Merkkejä paleomaanjäristyksistä on löydetty järvisedimenteistä myös etelämmästä. On myös esitetty, että paleoseismisyydellä oli Suomen alueella kolme huippua 10–12, 5–7 ja 1,5–3 tuhatta vuotta sitten. Vanhimmat maanjäristykset olivat noin magnitudia 7 ja sen yli ja nuorimmat noin magnitudia 6 (https://doi.org/10.1016/j.tecto.2019.228227). Stuoragurran postglasiaalisiirroksesta Pohjois-Norjasta on raportoitu jälkiä voimakkaista maanjäristyksistä 700–4000 vuotta sitten. Erityistä on niiden kokoluokka, jopa magnitudia 7 (https://doi.org/10.1017/9781108779906.015), mikä haastaa vanhaa käsitystä näin voimakkaiden maanjäristyksien esiintymisestä ainoastaan jääkauden lopulla. 

Lähimenneisyyden seismisyys on avainasemassa arvioitaessa lähitulevaisuuden seismistä vaaraa. Koska ei ole mahdollista ennustaa tarkasti, missä ja milloin tapahtuu seuraava maanjäristys, käytetään todennäköisyyksiä. Tavanomainen muotoilu on, että jollakin kohdealueella esiintyy tietynsuuruinen maanjäristys tai maanliike annetulla todennäköisyydellä 30 tai 50 vuodessa. Ajanjakso 30–50 vuotta liittyy insinöörien rakennusnormeihin. Seismisen vaaran arviointi tähtää siihen, että rakennusnormit ovat asianmukaisia, jotta kovat maanliikkeet eivät vaurioita rakennuksia ja yhteiskunnan infrastruktuuria vastaisuudessa. 

Seismologeilla on siis käytössään satakunta vuotta laitemittauksia ja yleensä sitä pidempi ajanjakso ei-instrumentaalisia havaintoja. Yhdessä ne tarjoavat parhaan mahdollisen pohjan suunnitella insinöörien kanssa seismistä tulevaisuutta, jossa tapahtuu väistämättä uusia maanjäristyksiä.  

Päivi Mäntyniemi, yliopistotutkija 

Suomalainen liikuteltava seismisten mittalaitteiden pooli

Vastaa

Seismologit tutkivat seismisiä aaltoja, jotka kulkevat Maan pinnalta ytimeen ja takaisin heijastuen ja taittuen rajapinnoilta fysiikan lakien mukaisesti. Seismisten aaltojen havainnointi auttaa seismologeja ymmärtämään maanjäristyksiä, siirroksia, tulivuoria, maanvyörymiä, seismistä uhkaa sekä Maan sisäistä rakennetta. Seismisten aaltojen avulla voidaan tutkia myös muun muassa öljyesiintymiä ja malmimuodostumia.  

Seismisiä aaltoja havainnoidaan seismometreillä. Seismisten tutkimuksien kannalta on tärkeää, että näitä erittäin herkkiä laitteita on saatavilla. Viime vuosina edullisempien mittalaitteiden ja laajamittaisten tietovarastojen yleistyminen sekä laskentakapasiteetin kasvu ovat mahdollistaneet seismometrien määrän lisäämisen seismisissä tutkimuksissa. Yksittäiset anturit ovat kuitenkin yleensä liian kalliita yksittäisille tutkijoille, joten niiden käyttö on keskittynyt suurille yksityisille yrityksille tai rajoitetuille, hyvin rahoitetuille valtion tutkimuskonsortioille. 

Vuonna 2021 perustettiin suomalainen seismisten mittalaitteiden pooli, ns yhteisvarasto seismisille laitteille, joka edesauttaa seismisten mittalaitteiden saatavuutta myös tiedeyhteisön käyttöön. Laitepoolin omistaa ja sitä ylläpitää seitsemän suomalaista yliopistoa ja tutkimuslaitosta: Helsingin, Oulun, Turun ja Aalto yliopistot sekä Geologian tutkimuskeskus, Maanmittauslaitos ja Teknologian tutkimuskeskus. Laitepoolin perustamista rahoittaa FLEX-EPOS hanke, joka on saanut rahoituksen Suomen Akatemian tutkimusinfrastruktuurihaun (FIRI) kautta. FLEX-EPOS hanke on osa FIN-EPOS* konsortiota.  

FIRI-rahoitus alkoi vuonna 2021 ja päättyy vuonna 2024, jonka jälkeen laitepooli jatkaa toimintaansa toistaiseksi. Vuoden 2024 loppuun mennessä laitepooli koostuu 46 Güralpin laajakaistaseismometristä ja 5 Güralpin kiihtyvyysanturista sekä 1229 Geospacen geofonista ja 71 Smartsolon geofonista. Valmistuttuaan laitepooli on Euroopan suurin julkisen sektorin omistama liikuteltavien seismisten mittalaitteiden pooli.  

Seisminen laitepooli on suunniteltu tutkijoiden käyttöön ja se tukee kotimaisia ​​ja kansainvälisiä yhteistyöprojekteja. Projektit kestävät tyypillisesti muutamasta päivästä muutamaan vuoteen. 

Yhteensä 30 projektia on käyttänyt hyödykseen laitepoolin laitteita lokakuun 2021 joulukuun 2023 välillä. Nämä projektit ovat tuottaneet yhteensä noin 28 TB aineistoa. Projektien avulla on tutkittu muun muassa pohjavettä, siirroksia, pakkasjäristyksiä, malmimuodostumia, maankuoren rakennetta, sedimenttipeitteen paksuutta ja paljon muuta.  

Lisätietoja laitepoolista saat Wiki-sivuiltamme osoitteesta https://wiki.helsinki.fi/xwiki/bin/view/FLEX/Flex-epos%20Home/#. Laitepoolia esitellään myös EGU24 konferenssissa Viennassa 14–19.4.  

Roméo Courbis, yliopistotutkija   

 

FLEX-EPOS-hanke on saanut rahoituksen Suomen Akatemialta FIRI2019 -hausta (rahoituspäätökset nro. 328984, 328776, 328778–328782, 328784 ja 328786).  

*FIN-EPOS on Suomen kansallinen EPOS (European Plate Observing System) konsortio.  

Seismologian termistö Tieteen termipankissa

Vastaa

Tieteen termipankki (https://tieteentermipankki.fi/) on kaikkien Suomessa harjoitettavien tieteenalojen yhteinen, avoin ja jatkuvasti päivitettävä termitietokanta tiedeyhteisön ja kansalaisten käyttöön.  

Tieteen termipankin Wiki-alustalle rakennettu verkkopalvelu avattiin vuonna 2012. Termipankki toteutetaan talkooperiaatteella. Kaikki tieteenalat voivat perustaa omia aihealueitaan ja asiantuntijaryhmiään termipankkiin. Eri tieteenalojen asiantuntijaryhmät päättävät oman alansa termeistä ja niiden määritelmistä. Tällä hetkellä termipankissa on yli 45 000 käsitesivua 61 eri tieteenalalta. 

Seismologian aihealue perustettiin Tieteen termipankkiin syksyllä 2023. Seismologian termejä oli jo aikaisemmin termipankissa osana geologian ja geofysiikan aihealueita. Seismologian termistö haluttiin kuitenkin erottaa omaksi aihealueekseen, jotta se olisi helpommin löydettävissä. Seismologian aihealue koostuu tällä hetkellä 58 käsitesivusta. Jokainen käsitesivu sisältää käsitteen nimityksen eli termin lisäksi lyhyen määritelmän sekä selitteen ja mahdollisia lisätietoja määritelmän tueksi. Termille voidaan listata myös synonyymeja, vanhentuneita ja vältettäviä nimityksiä sekä vieraskielisiä vastineita. Termille voidaan listata lähikäsitteitä ja tieto käsitesuhteista (esimerkiksi ylä- tai alakäsite). Myös kuvien lisääminen termipankkiin on mahdollista.  

Seismologian aihealueen termejä on osittain työstetty osana SEISMIC RISK – Kaupunkialueiden indusoidun seismisen riskin hallinta – hanketta. SEISMIC RISK hanke (8/2020–11/2023) sai rahoitusta Suomen Akatemian kriisivalmiuden ja huoltovarmuuden tieteellisen tutkimuksen haun kautta ja hankkeen toteutti Helsingin yliopiston Seismologian instituutin, Geologisen tutkimuskeskuksen (GTK) ja Teknologian tutkimuskeskuksen (VTT) muodostama konsortio. Hankkeessa tutkittiin, miten syviin geotermisiin kaukolämpövoimaloihin liittyvää indusoidun seismisyyden riskiä voitaisiin valvoa ja hallita. Osana hankkeen viestintää tuotettiin yleistajuisia materiaaleja kansalaisten käyttöön ja päätöksenteon tueksi geotermiseen energiaan ja indusoituun seismiseen riskiin liittyen. Oleellisena osana tätä on keskeisten termien koonti ja määritteleminen.   

Ohessa esimerkkinä termi seisminen riski (kuvakaappaus Tieteen termipankista (20.3.2024); https://tieteentermipankki.fi/wiki/Seismologia:seisminen_riski).  

Kuva 1: Esimerkki termistä seisminen riski (kuvakaappaus Tieteen termipankista (20.3.2024); https://tieteentermipankki.fi/wiki/Seismologia:seisminen_riski).

Seismologian termistöä päivitetään jatkuvasti ja tarkoituksena on lisätä termejä pankkiin vuoden 2024 aikana. 

Niina Junno, seismologi