Kategoria: tutkimus

Julkaistu

Ympäristöseismologia – enemmän kuin maanjäristysten monitorointia

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

Julkaistu

Seismologian aikamittakaavoista

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 

Julkaistu

Suomalainen liikuteltava seismisten mittalaitteiden pooli

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.