Cercetări avansate privind factorii care contribuie la riscul seismic pe teritoriul României în contextul interacțiunii multiple litosferă, hidrosferă, atmosferă, ionosferă
Fazele proiectului:
Faza 1: Estimarea deformărilor în câmp apropiat și îndepărtat și a efectelor la suprafață ale propagarii undelor seismice
Faza 2i: Evaluarea mărimilor caracteristice sursei seismice subcrustale, prin metode relative, folosind datele înregistrate de rețeaua seismică națională în ultimii ani
Faza 2f: Evaluarea mărimilor caracteristice sursei seismice subcrustale, prin metode relative, folosind datele înregistrate de rețeaua seismică națională în ultimii ani
Faza 3: Modelarea stochastică și parametrizarea evenimentelor seismice grupate în crusta Carpaților de curbură și a platformelor adiacente
Faza 4i: Caracterizarea zonelor seismic active și legăturile cu dinamica blocurilor crustale din partea de sud a României: Platforma Moesică, Dobrogea Centrală și Sudică, Orogenul Nord Dobrogean. Determinarea axelor de stres prin inversie din mecanismele cutremurelor din fiecare zonă și actualizare hărții de stres a României la nivel crustal
Faza 4f: Caracterizarea zonelor seismic active și legăturile cu dinamica blocurilor crustale din partea de sud a României: Platforma Moesică, Dobrogea Centrală și Sudică, Orogenul Nord Dobrogean. Determinarea axelor de stres prin inversie din mecanismele cutremurelor din fiecare zonă și actualizare hărții de stres a României la nivel crustal
Faza 5: Investigații neinvazive a structurii sedimentare la nivel regional
Faza 6: Modelarea în spațiul 4d al relației dintre seismicitate, tensiunile crustale și structura geologică în scopul evaluării potențialului seismogen al surselor din partea de nord a Banatului (Timisșoara, Arad - Sinnicolau Mare, vestul Munților Apuseni)
Faza 7i: Caracteristici spectrale ale mişcării seismice a terenului, produse de cutremurele subcrustale vrâncene 2020
Faza 7f: Caracteristici spectrale ale mișcării seismice a terenului, produse de cutremurele subcrustale vrâncene 2020
Faza 8i: Parametrizarea stohastică a evenimentelor seismice generate de faliile active. Surse seismice individuale din zona de vest și nord-vest a României. Câmpuri de stres. Secvența seismică iulie 2015
Faza 8f: Parametrizarea stohastică a evenimentelor seismice generate de faliile active. Surse seismice individuale din zona de vest și nord-vest a României. Câmpuri de stres
Faza 9: Studiul comportamentului animalelor observat înainte, în timpul şi după producerea cutremurelor semnificative ca element precursor în prognoza pe termen scurt
Faza 10: Analiza ionizării aerului și radonului în corelație cu seismicitatea locală și variația stresului tectonic. Potențiale influențe asupra sistemelor vii
Faza 11i: Posibilități de micșorare a riscului seismic pe amplasamente prezente și viitoare – în contextul seismicității teritoriului României
Faza 11f: Posibilități de micșorare a riscului seismic pe amplasamente prezente și viitoare – în contextul seismicității teritoriului României
Faza 12i: Tehnici multiple de analiza a comportamentului câmpului geomagnetic în corelație cu fenomenele tectonice, atmosferice și cu activitatea solară. Potențiale influențe asupra sistemelor vii
Faza 12f: Tehnici multiple de analiza a comportamentului câmpului geomagnetic în corelație cu fenomenele tectonice, atmosferice și cu activitatea solară. Potențiale influențe asupra sistemelor vii
Faza 13: Modelarea fenomenului tsunami pentru diferite scenarii seismice ale cutremurelor majore generate în Marea Neagră care ar putea afecta zonele costiere ale României
Faza 14i: Bază de date GIS cu modelul socio-economic de expunere și vulnerabilitate seismică (MODEVUS)
Faza 14f: Hărți de expunere și vulnerabilitate seismică la nivel national
Faza 15: Analiza dispersiei undelor Rayleigh înregistrate la stațiile seismice de pe teritoriul României
Faza 16: Caracteristici și comportament dinamic ale modelelor structurale la excitații externe
Faza 17: Caracterizarea zonelor seismic active și legăturile cu dinamica blocurilor crustale din partea centrală a României: Carpații Meridionali, zona Danubiană și zona Banat. Determinarea axelor de stress prin inversie din mecanismele cutremurelor și actualizarea hărții de stress a României la nivel crustal
Faza 18: Posibilități de micșorare a riscului seismic pe amplasamente prezente și viitoare – în contextul seismicității teritoriului României
Faza 19: Evaluarea efectelor seismice în localitățile din aria extracarpatică a României la cutremurul vrâncean maxim posibil Mw=8
Faza 20: Modelarea în spațiul 4d a relației dintre seismicitate, tensiunile crustale și structura geologică în scopul evaluării potențialului seismogen al surselor din aria Carpaților Meridionali (Dunăre, Făgăraș)
Faza 21i: Falii active din nord-estul României. Platforma moldovenească. Distribuția valorilor b din relația Richter-Gutenberg
Faza 21f: Falii active din nord-estul României. Platforma moldovenească. Distribuția valorilor b din relația Richter-Gutenberg
Faza 22: Identificarea și analiza emisiei de gaze pe unele falii active din România
Faza 23: Determinarea schimbărilor de câmp magnetic generate de variațiile de temperatură, compoziție și starea rociilor din zona de contact termic dintre astenosferă și fragmentul crustal vrâncean prin măsurarea câmpului magnetic local pe aliniamentul Cheia-Covasna
Faza 24: Variabilitatea aleatorie a mişcării maxime a terenului, datorată caracteristicilor sursei seismice (parametrilor sursei)
Prezentarea pe scurt a proiectului:
Proiectul propune o investigație multidisciplinară, complexă și intercorelată a fenomenelor care au loc în sistemul cuplat Litosferă-Hidrosferă-Atmosferă-Ionosferă, pentru modelarea fenomenelor tectonice și a proceselor seismice, precum și identificarea relației spațio-temporale dintre structura geologică, tensiunile crustale și potențialul seismogen. Acestea au scopul de a descifra conexiunile complexe dintre fenomenele tectonice și efectele lor asupra câmpurilor geofizice măsurabile la suprafața Pământului. Totodată, proiectul urmărește și modelele de propagare ale undelor seismice și estimarea efectelor acestora la suprafața Pământului, prin calcularea/măsurarea deformărilor și deplasărilor crustei și a interacțiunii sol-structuri construite, în scopul evaluării hazardului și reducerii riscului la cutremur, dar și a altor fenomene secundare asociate acestuia (tsunami). Acest proiect va aborda fenomenul seismic în interconexiune cu fenomenele generate de sistemele litosferă, hidrosferă, atmosferă și ionosferă, în scopul diminuării riscului, ținând cont de noile metode și procedee aplicabile la aceste sisteme cuplate, încercând să răspundă provocărilor complexe de natură științifică și practică pe care dinamica Pământului le ridică, în vederea creșterii rezilienței la cutremure.
Proiectul este structurat pe doua direcții mari:
D1 – Cercetări avansate privind factorii care contribuie la riscul seismic pe teritoriul României
D2 – Cercetări complexe ale interacțiunii litosferă, hidrosferă, atmosferă, ionosferă,
Scopul final va fi atins prin intermediul activităților de tip cercetare fundamentală și aplicativă care vor urmări realizarea următoarelor obiective/ținte generale:
Aceste obiective se încadrează în scopul urmărit la nivel global, în ceea ce privește procesele geofizice, seismice și postseismice ce influențează mediul, pentru creșterea posibilității evaluării și prognozei acestor fenomene.
Direcția D1. Cercetări avansate privind factorii care contribuie la riscul seismic pe teritoriul României
Prima direcție de cercetare din cadrul acestui proiect urmărește dezvoltarea cercetărilor avansate privind evaluarea cu metode specific seismologice, geotehnice, fizice și matematice a factorilor care contribuie la riscul seismic pe teritoriul României, pentru a asigura creșterea rezilienței societății la cutremure. Aceste cercetări se vor desfășura pe parcursul a șapte obiective specifice care vor contribui la realizarea țintelor propuse. De asemenea, următoarele obiective de interes național ale primei direcții vor fi atinse prin următoarele studii:
-evaluarea mai exactă a riscului seismic, prin specificarea efectelor seismice în funcție de proprietățile reale complexe ale rocilor atât de adâncime, cât și de suprafața;
-siguranța obiectivelor civile și industriale asigurată de determinarea efectelor locale în corelație cu cele cu caracter neliniar.
Relevanța acestor studii provine din concentrarea în cadrul fizicii Pământului a seismologiei, ingineriei civile, geologiei în vederea obținerii de rezultate utile pentru evaluarea hazardului seismic, în condițiile cunoașterii cât mai exacte a structurii și caracteristicilor amplasamentelor. Evaluarea acestor efecte locale va ține cont de informațiile geologice/geotehnice, de mediile de propagare, de caracteristicile specifice ale sursei seismice și de atenuarea energiei seismice. De regulă, efectele locale sunt estimate pentru un element de interes, cum ar fi, de exemplu, un amplasament, o clădire, elemente de mediu. În această estimare, un rol important îl are atenuarea (coeficientul de disipare), precum și regimul de rezonanță sau caracteristicile locale, în special prezența proprietăților neliniare. În acest context, elasticitatea liniară trebuie extinsă la modele neliniare vasco-elastice care permit includerea disipării în mod intrinsec
În prezent, se înregistrează tot mai multe cercetări bazate studii instrumentale și observaționale în domeniul seismologiei neliniare, domeniu în care totuși studiile teoretice nu au fost, în general, finalizate până la un nivel suficient de satisfăcător pentru aplicarea seismologiei inginerești. Prin aceste dezvoltări teoretice se încearcă deținerea unui instrument necesar pentru o estimare rapidă, calitativă, prin expresii semi-analitice ale factorilor de amplificare ce intervin, și a efectului lor asupra elementului de studiu, putându-se astfel realiza predicții ale acestor efecte de amplificare ale mișcărilor seismice.
Astfel, se vor dezvolta noi metode, prin care analiza neliniară a proprietăților fizico-mecanice ale structurilor de soluri stratificate, de evaluare a efectelor majore produse de sursele seismice, cu influența propagării undelor seismice asupra obiectivelor importante expuse riscului ridicat. Analizele comparative desfășurate pe durata acestui proiect, referitoare la analiza răspunsului seismic, calculate în diferite aproximații, vor defini inputul seismic la un anumit site prin modelarea comportamentului seismic al structurii geologice locale, până când se va obține cea mai bună -potrivire cu datele înregistrate disponibile. Modelul astfel obținut va putea fi aplicat la evaluarea efectelor induse de cutremurele viitoare. Sa va completa astfel verificarea capacității acestor modele de a prezice variația parametrilor solului (accelerații maxime) ce depind de site-ul respectiv. Aceste informații vor fi, în opinia noastră, extrem de folositoare și vor fi utilizate cu succes în reducerea riscului seismic
Astfel sunt atinse țintele reprezentative din programele prioritare din cercetarea europeană. În consecință, apare necesitatea adaptării concluziilor generale ale studiilor fundamentale referitoare la aceste situații, încercând obținerea de parametrii în corelație cu cele de hazard și risc, într-un mod cât mai precis posibil.
În cadrul acestei direcții, se va încerca o prezentare a aspectelor cantitative a tuturor acestor fenomene intercorelate și o translație a lor într-un limbaj adecvat publicului larg. Prin obiectivele propuse, proiectul încearcă să răspundă în același timp și cerințelor multidisciplinare în domeniul cercetărilor din seismologia neliniară, evaluarea hazardului seismic, microzonarea ariilor dens populate, urmărind relevanța lor tehnico-științifică și socială. Cercetările seismologice din Romania se desfășoară, în principal, în cadrul INCDFP, unde s-au înregistrat eforturi susținute în direcții ce urmăresc caracterizarea zonelor seismice active și legăturile cu dinamica blocurilor crustale, analiza înregistrărilor de mişcări puternice ale cutremurelor vrâncene de magnitudine mare, si investigarea variabilităţii distribuţiilor spaţiale ale mişcării seismice a terenului. O atenție deosebită s-a acordat așa numitului „efect nonlinear in situ” pe linia unei corelații mai apropiate dintre seismologia tradițională și cea inginerească, deoarece devine tot mai importantă, în domeniul economic, necesitatea de aplicare a cunoașterii proceselor fizico-mecanice ce au loc în vecinătatea structurilor tehnice (baraje, structuri masive industriale, etc.), a modului cum interacționează structurile cu suprafața, dar și cu bazinele geologice sedimentare, a efectelor de amplificare a mișcărilor la suprafață produse de seismele puternice. O importantă orientare a cercetărilor seismologice este evidențiată de procesarea datelor observaționale care, pe lângă mecanismul de sursă specific cutremurelor vrâncene puternice și al propăgarii undelor, indică rolul important al condițiilor locale, în determinarea caracteristicilor mișcării solului.
Studiul de faţă dorește să aducă o contribuție la Standardele și Normativele de proiectare antiseismică ce sunt realizate în țări sau zone cu seismicitate ridicată, pe baza unor studii complexe de evaluare a hazardului seismic. Acest proiect urmărește astfel să armonizere colaborarea dintre seismologie și ingineria seismică pentru lucrări eficiente și durabile în timp. Știind că România este o țară seismică, plecând de la recomandările internaționale, dar particularizând pentru cutremurele și clădirile din țara noastră, se vor propune informații cu caracter metodologic privind monitorizarea integrității structurale, referitoare la caracteristicile instrumentelor, transmiterea datelor, pana la procesarea și interpretarea rezultatelor.
Direcția D2. Cercetări complexe ale interacțiunii litosferă, hidrosferă, atmosferă, ionosferă
A doua direcție de cercetare, din cadrul acestui proiect, urmărește dezvoltarea cercetărilor complexe privind interacțiunile multiple din sistemul complex litosferă, hidrosferă, atmosferă, ionosferă, în scopul identificării corelațiilor între fenomenele ce au loc în focarul cutremurelor de Pământ și semnăturile acestor fenomene la suprafața Pământului, în atmosferă și în stratele inferioare ale ionosferei. Cutremurele reprezintă unul dintre cele mai distructive hazarde naturale, iar pentru a reduce riscul seismic este necesar să se anticipeze unde și când s-ar putea produce un cutremur major și, din acest motiv, trebuie să analizam orice tip de informație și să încercăm să identificăm potențialele anomalii care ne pot oferi șansa și obținem rezultate notabile în acest domeniu.
Obiectivele proiectului:
În acest scop, activitățile propuse a se realiza în Directia a 2-a vor începe cu studiul (O1 si O2), la un nivel științific superior, a două probleme fundamentale ale cercetărilor concentrate asupra hazardului și prognozei seismice din țara noastră, respectiv 1) modelarea realistă a surselor seismogene crustale printr-o abordare multidisciplinară și 2) evidențierea unor caracteristici litosferice din zona coliziunii și subducției continentale a Orogenului Carpatic cu impact asupra întelegerii deformarilor active ale mantalei superioare și a seismogenezei de tip Vrancea. Problema modelării surselor seismogene crustale va fi soluționată prin abordarea multidiciplainară a relației cauzistice dintre câmpul de tensiuni crustale și structura geologică manifestată prin seismicitate, abordare care să asigure, pe de o parte cunoașterea și întelegerea istoriei seismotectonice a structurilor geologice cu potențial de reactivare într-un câmp de tensiuni și regim tectonic particular și, pe de alta parte, evaluarea realistă a potențialului lor seismogen (Mmax, parametri de recurență) și, implicit, a hazardului seismic local.
Problema legată de particularitățile structurii geologice adânci din aria Orogenului Carpatic este abordată, pentru prima dată, la un nivel superior de rezoluție prin utilizarea undelor Rayleigh care permit, datorită particularităților de propagare și dispersie, obținerea atât a unei imagini tomografice 3D a litosferei și astenosferei, cât și elucidarea unor aspecte privind anizotropia seismică din crustă și manta și deformarea mantalei superioare, coliziunea și subducția de tip continental și legătura lor cu seismogeneza de tip Vrancea, propagarea undelor seismice sintetice și calcularea timpului de alertă seismică și cuplarea reologică între litosferă și astenosferă.
Vor fi realizate hărți geotectonice, hărți seismice ale zonelor de studiu, precum și descrieri ale faliilor active în maniera SHARE/DISS și calculul parametrilor sursei tip falie, estimarea activității seismice din informatțiile ratei de alunecare pe planul de falie (valoarea a din relația Guttenberg-Richter este direct legată de rata alunecării pe falie), lungimea faliei și lățimea faliei, magnitudinea maximă observată, datele furnizate de soluțiile de plan de falie.
Studiile vor fi completate cu analiza secvențelor seismice prin intermediului analizei statistice a parametrilor principali ai relației Gutemberg-Richter prin determinări de tip MLE (Maximum likelihood estimation) și evaluarea parametrilor modelului de sursă „areal”, tip zonă seismică, (area source model). Tot în cadrul acestor obiective se va realiza un catalog ETAS (Epidemic Type Aftershock Sequence) cu parametrii optimi de detecție a unei secvențe seismice. Modelul ETAS poate fi folosit nu numai pentru evaluarea activității unei secvențe șoc principal - replici, ci și pentru a evalua în mod corespunzător activitatea seismică de fond, folosind date din catalog. ETAS în acest sens, se poate numi o extensie a modelului Omori modificat, dar valorile magnitudinii M ale replicilor sunt necesare de luat în calcul. Dacă sunt cunoscuți parametrii medii ai activității de după și înainte de șocul principal, există posibilitatea ca aceștia să poată fi utilizați eficient ca date preliminare, privind evaluarea unei secvențe seismice sau a unei acumulări de stres.
Un alt deziderat al acestui obiectiv al proiectului îl reprezintă implementarea unui algoritm de calcul a energiei radiate pentru un eveniment seismic cu magnitudinea moment Mw>4, situat la o distanță epicentrală de maxim 100 km. Avanatajul acestei metode de calcul a energiei radiate, din momentul seismic, constă în evitarea fenomenului de saturație a magnitudinii locale Ml pentru evenimente seismice majore, acolo unde se calculează energia eliberată.
În prezent pentru prognoza cutremurelor se folosesc, pe lângă metodele seismologice (statistice), geofizice și geologice, și observațiile asupra comportării animalelor (O3). În acest scop, se va efectua o evaluare multiplă a efectelor la suprafață a cutremurelor recente produse pe teritoriul României, care constituie un instrument deosebit de prețios în urmărirea seismicității, estimarea hazardului seismic și în prognoza pe termen scurt. În procesul de evaluare, se vor analiza efectele macroseismice care reprezintă ansamblul de modificări ale stării sistemelor ce au fost supuse acțiunii cutremurului, acțiune realizată prin intermediul energiei transportate de undele seismice. Sistemele sau senzorii pot fi construcţii (civile, industriale, drumuri și poduri etc.), elemente de natură geologică (porţiuni de falii, văi cu râuri, lacuri, munţi, strate ale solului şi subsolului etc.) şi chiar elemente de natură biologică (plante, animale, oameni). În O3 și O4 se va realiza un sistem digital automat de urmărire a comportamentului animalelor, care să vină în completarea sistemului care folosește raportările online ale populației. Comportamentul sistemelor vii va fi urmărit în paralel cu comportamentul câmpurilor geofizice (câmp geomagnetic, electric vertical, electromagnetic) și geochimice, și se va realiza o corelație cu seismicitatea.
O4 își propune o măsurare în timp real a câmpului magnetic local pe aliniamentul Cheia-Covasna, dar și în interiorul zonei seismogene Vrancea, în vederea determinării variațiilor de câmp magnetic local generate de schimbările de temperatură, compoziție și stare al rocilor din zona de contact termic dintre astenosfera și fragmentul crustal vrâncean. Studiile de tomografie seismică din aceasta zonă au pus în evidență o variabilitate tranșantă a parametrilor elastici. Astfel, domeniul puternic anizotrop din aceasta zonă de contact poate schimba proprietățile conductive ale rocilor, simetria structurii minerale și condițiile fizico-chimice (temperatura, presiune, mediu chimic) ale rocilor. Măsurătorile magnetice din interiorul zonelor seismogene vor fi corelate cu alte măsurători magnetice din zone de referința (Observatorul magnetic Surlari) în vederea identificării variațiilor magnetice “crustale” din zona seismică Vrancea. În final se va încerca găsirea unei semnificații genetice între prezența variațiilor magnetice și seismicitatea din zona seismică Vrancea. Se vor folosi metode complementare de analiză folosind tehnica polarizării și a variației diurne în scopul detectării unor potențiale anomalii precursoare cutremurelor. Toate studiile vor fi însoțite de o atentă urmărire a furtunilor magnetice datorate activității solare.
O4 va trata și un subiect mai puțin cunoscut în România, emisia de gaze și corelarea cu seismicitatea locală și faliile active. Subiectul este des tratat în literatura de specialitate, deoarece este strâns legat de schimbările climatice care se produc ca urmare a emisiei de CO2 (poluare industrială, emisia motoarelor cu ardere internă, efectul de seră, etc.), dar și a factorilor naturali care țin de evoluția Pământului. Se va extinde rețeaua multidisciplinară existentă și va contribui la realizarea unui serviciu de informare referitor la situații de urgență pe lângă cele seismice. Pe lângă extinderea rețelei de monitorizare, se vor oferi baze de date cu informații standardizate, interoperabile și cu acces facil în domeniul câmpurilor geofizice și a informațiilor macroseismice.
În final, în cadrul O4 se va genera conținut științific, adaptat și particularizat pe categorii de grupuri țintă (publicul larg, sistemul educațional, factori de decizie, etc.) pentru dezvoltarea de resurse de informare, educaționale și de conștientizare privitor la tematica precursorilor seismici și a metodelor de colectare de date macroseismice. Conținutul va sta la baza dezvoltării de resurse în cadrul INCDFP, integrate și distribuite prin intermediul canalelor online și activităților de informare planificate la nivel instituțional.
Un ultim obiectiv O5, al celei de a doua direcții a proiectului, este constituit de urmărirea fenomenului tsunami în Marea Neagră, care reprezintă un subiect de interes național atât pentru cercetarea din România, cât și în cadrul INCDFP. Variațiile nivelului apei mării nu sunt uniforme la nivel Global, având și numeroase cauze locale, precum schimbul de apă dintre atmosferă și sol prin intermediul precipitațiilor, evaporării, gurilor de scurgere a râurilor, topirea ghețarilor, etc. Nivelul apei mării nu este uniform din punct de vedere geografic, ci variază foarte mult la diferite scări de timp și spațiu. Acest lucru se datorează faptului că marea este în continuă mișcare, fiind afectată de flux și reflux, vânt, presiune atmosferică, diferențe gravitaționale locale, temperatură, salinitate, etc.. Estimări concrete ale variațiilor nivelului apei sunt foarte importante pentru a putea prezice impactul asupra zonelor costiere.
Un aspect important și de actualitate al seismologiei îl reprezintă acumularea de cunoștințe, pe baze competitive, la nivel european și mondial, și obținerea de rezultate și experiența de prim rang în domeniul cercetării fundamentale și aplicative, precum și de a le transfera către mediul economic și social din România. Acest lucru se poate realiza prin preformarea de cercetări proprii originale în domeniu și printr-o abordare multidisciplinară a fizicii fenomenelor seismice. De aceea, prin implementarea proiectului propus se va realiza un studiu complex, dar unitar, care va porni de la cercetările fundamentale pentru evaluarea mecanismelor focale, a parametrilor de sursă și caracterizarea seismotectonică a teritoriului și analiza răspunsului mediului la excitații seismice și se va dezvolta în direcția prognozei cutremurelor și evaluarea efectelor undelor seismice asupra mediului și structurilor de la suprafața Pământului. Aceste vor servi ca input în evaluarea hazardului și riscului seismic, estimarea rapidă a intensității macroseismice și a distrugerilor ce se pot produce.
Rezultate: