Czirok Lili1 – Bozsó István2 – Bányai László2
1 Soproni Egyetem, Erdőmérnöki Kar, Roth Gyula Erdészeti és Vadgazdálkodási Tudományok Doktori Iskola, Geoinformatika program, Sopron
2 MTA CSFK Geodéziai és Geofizikai Intézet, Sopron
Bevezetés
A Kárpátok délkeleti része geodinamikailag ma is aktív terület. A térség nyugati részén a Kelemen-, a Görgényi-havasok és a Hargita területén egy vulkáni lánc terült el, amelynek létrejötte a késő jurában és a korai krétában szubdukálódó Neo-Thétisz óceáni maradványhoz kapcsolódott (Harangi et al. 2015). Ennek legfiatalabb és legdélebbre található tagja a Csomád vulkán, amely utoljára 32 000 évvel ezelőtt tört ki (Harangi et al. 2015). Ezt követően a kora kréta végén és a késő kréta között pedig a Ceahlău–Severin óceán bezáródása indult el a Kárpátok keleti oldalán, ahol Európa legnagyobb szeizmicitású területe, a térsége fekszik. A Vrancea-zónában kialakuló intra-plate (lemezen belüli) közepes fészekmélységű rengések ehhez a tektonikai folyamathoz kapcsolódnak. Az 1. ábra a Romániai Kárpátok tektonikai felépítését mutatja be (Ismail-Zadeh et al. 2012).
A Kárpát-kanyarban már több geofizikai és geodéziai méréssorozat is történt az itt zajló folyamatokkal és mozgásokkal kapcsolatban. Műholdas geodéziai – GNSS mérési programok – kimutatták a kanyarulat keleti térségében már a középső miocénben elkezdődő és a mai napig folyamatban lévő süllyedést (van der Hoeven et al. 2005; Heidbach et al. 2007; Schmitt et al. 2007), amelynek mértéke körülbelül 1 mm/év (Ismail-Zadeh et al. 2012). A 2a. és 2b. ábrán a GPS mérési programok során kapott vertikális mozgási sebességek láthatók. A lassú recens felszíni deformációk becslése Szintetikus Apertúrájú Radar (SAR) műholdfelvételek
Absztrakt: A földtudományi szakemberek számára az Eurázsiai-lemez egyik érdekes területe a Kárpátok délkeleti része. Itt található ugyanis Európa legnagyobb szeizmicitású területe, a Vrancea-zóna illetve a Kárpát-medence utolsó aktív vulkánja, a Csomád. Több publikáció is született már a térségben zajló felszíni mozgásokról (pl. GNSS mérések), illetve tektonikai folyamatokról.
Ezekhez kapcsolódóan hozunk létre egy Szeizmotektonikai Információs Rendszert, amelybe tematikus térképeket (pl. földtani térkép, digitális terepmodellek), szintetikus apertúrájú radarok interferometrikus módszerével mért mozgási sebességeket (ENVISAT) és szeizmológiai információkat építünk be Quantum GIS program segítségével.
Az adatbázis célja, hogy jobban megértsük a felszíni és mélybeli folyamatokból származó deformációkat, és kapcsolatot keressünk közöttük.
1. ábra A Romániai Kárpátokban található tektonikai egységek (Ismail-Zadeh et al. 2012)
interferometrikus feldolgozásával is elvégezhető. A Sentinel műholdak visszatérési ideje 6 nap, ezzel még pontosabb képet lehet kapni a vizsgált területen zajló felszíni változásokról.
A geofizikai mérések közül a legfontosabb a P-hullám szeizmikus tomográfia, hiszen a Vrancea-térségben ezzel a mérési módszerrel jól lehatárolható egy 180 km-es mélységben található, nagy sebességanomáliájú test, amelynek térfogata körülbelül 110*70*30 km3 (3. ábra), amely jó átfedésben van a szeizmogén zónával (Ismail-Zadeh et al. 2012). Továbbá a Csomád alatt körülbelül 25 km-es mélységben magnetotellurikus mérések segítségével sikerült egy parciálisan olvadt testet kimérni (Harangi et al. 2015).
Ezekhez a tevékenységekhez kapcsolódóan határoztuk el, hogy létrehozunk egy szeizmotektonikai információs rendszert. Az adatbázis célja, hogy az összegyűjtött űrgeodéziai, szeizmológiai adatok és tematikus térképek (földtani, digitális domborzatmodell stb.) térinformatikai környezetben történő ábrázolásával pontosabb képet kapjunk a recens felszíni és mélybeli deformációkról és az ezek közötti összefüggésekről.
Anyag és módszer
A Geodéziai és Geofizikai Intézet (továbbiakban GGI) egy PECS pályázat keretében (project ID: 4000118850/16/NL/SC) jutott hozzá archív SAR felvételekhez, melyeket az ESA ENVISAT műholdján működő ASAR (Advenced Synthetic Aperture Radar) szenzor készített 2002 és 2010 között mind felszálló, mind leszálló felvételi geometriában.
2. ábra (a) A (van der Hoeven et al. 2005) publikált GPS mérések vertikális sebességkomponense, (b) a (Schmitt et al. 2007) publikációban szereplő vertikális
sebességek
3. ábra Az Erdélyi-medencétől a DK-i Kárpátokon át azok előteréig tartó tektonikai keresztszelvény a teleszeizmikus P-hullám tomográfia eredményével
(Ismail-Zadeh et al. 2012)
A nyers SAR felvételek előfeldolgozása után elkészíthetőek az ún.
interferogramok, melyek fázisértékei tartalmazzák a deformációkból, topográfiából, atmoszférából és pályahibákból adódó fázistagokat. A “stabil” fázissal rendelkező pixelek leválogatása, a nem deformációból származó fázistagok becslése és eltávolítása után meg lehet határozni a felszíni deformációs idősorokat, illetve az idősorok alapján az átlagos deformációs sebességeket. A kétfajta felvételi geometriából (felszálló, leszálló) származó sebességek kombinálásával pedig kiszámíthatóak a vertikális és kelet-nyugat irányú sebességkomponensek. A 4. ábrán az adatbázisban felhasznált sebességértékek láthatók.
A felszíni deformációs sebességek komponensei segíthetik a célterület geodinamikai elemzését.
A mélybeli folyamatok vizsgálatára elsősorban a térségben kipattant erősebb földrengésekhez meghatározott fészekmechanizmus-megoldásokat és azokra elvégzett feszültséginverziókat alkalmazunk. A fészekmechanizmus-megoldások segítségével feltételezést tehetünk a vetősík típusára, amely mentén a rugalmas hullámok energiája felszabadult. A feszültséginverzió segítségével a vizsgált terület feszültségmezejének orientáltságát és az uralkodó tektonikus rezsimet tudjuk meghatározni. Az inverzió eredményeképpen egy feszültségtenzort kapunk, amely tartalmazza a három főfeszültségirányt (σ1, σ2 és σ3) és az R-számot, amely ezeknek a főfeszültségtengelyeknek a relatív viszonyát írja le.
A Vrancea-térség földrengéseihez tartozó fészekmechanizmus-megoldásokat ábrázoló térkép a Generic Mapping Tools program segítségével készült (5. ábra), a QGIS-ben készített térképen ezeknek a földrengéseknek az epicentruma látható (6.
ábra).
4. ábra Archív ENVISAT felvételekből származó kelet-nyugati (fekete nyilak) és vertikális (zöld színskála) mozgási sebességek a perzisztens szórópontokon, háttérben a Google
Satellite térképe
5. ábra A feszültségmező vizsgálatához felhasznált fészekmechanizmus-megoldások a Vrancea-zónában
A fészekmechanizmus-megoldásokra az inverziók MATLAB környezetben egy STRESSINVERSE nevű függvénycsomag (Vavrycuk V. 2014; Czirok L. 2016; Czirok L. 2017) segítségével futottak le. A számításokhoz kisebb területekre kellett felosztani a vizsgált térséget. Az inverzió lefutása után az összes főfeszültségtengelyhez tartozó azimutot és dőlést ki lehet gyűjteni az ezekhez tartozó eredménymátrixokból. Zoback M.L. (1992) alapján meghatározható az uralkodó feszültségrezsim és a hozzátartozó maximális horizontális (Shmax) irány, amely azonos az adott főfeszültséghez tartozó tengely azimutjával.
A QGIS-ben történő ábrázoláshoz elkészítettünk egy .csv fájlt, amely magában foglalja a számításokhoz használt területek középpontjainak koordinátáit (WGS84-ben) és a maximális horizontális irányt meghatározó főfeszültség azimutját. Az így kapott réteg tulajdonságainál pedig beállítottam, hogy a nyilak eszerint az azimutérték szerint forduljanak el.
A szeizmológiai és InSAR adatok mellett rendelkezésemre állnak a következő tematikus térképek:
1. Egy 1:1 000 000 méretarányú földtani atlaszból származó térkép (Межеловский et al. 1987). Ezt a földtani térképet az Országos Földtani Szakkönyvtár munkatársai bocsájtották rendelkezésünkre már szkennelt állapotban.
A térképet az információs rendszerbe való ágyazásához tájékozni kellett. Ehhez a QGIS Georeferencer modulját használtuk fel. A referencia pontokat (Ground Control Points) a térképen lévő szélességi és hosszúsági vonalak találkozásánál jelöltük ki, az újra-mintavételezéshez a Cubic Spline metódust alkalmaztuk, célkoordináta-rendszernek pedig a WGS84-et választottuk.
A földtani térkép georeferálása mellett elkészítettünk 3 vonal típusú shapefájlt is, amely a különböző típusú és eredetű szerkezeti vonalakat tartalmazza (tektonikai eredetű gyűrűs szerkezetek, lineamensek és törésvonalak). A gyűrűs szerkezeteknél és a törésvonalaknál több típus is előfordult, ezek csoportosítását az adott rétegekhez tartozó attribútumtáblákban végeztük el (Layer Properties…/Fields/Edit widget/
Value Map), amely után már ezekhez is be lehetett állítani a vonal színét és a hozzájuk tartozó geológiai jelöléseket.
2. A vizsgált területhez tartozó SRTM domborzatmodellt (Internet 1) raszteres formátumban, GeoTIFF kiterjesztésben használtuk fel.
3. A QGIS-ben használható plugin-ok közül az OpenLayers Plugin/
Google Maps/Google Satellite hívtuk be. Erre elsősorban azért volt szükség, hogy megvizsgáljuk, helyesen tájékoztuk-e a földtani térképet.
Eredmények
A nyers SAR képek feldolgozásából nyert interferogramok nagy részét alacsony koherenciával rendelkező fázisértékek dominálják, mely az interferogramok nagy időbeli és térbeli bázisvonalainak, illetve a vizsgált területet beborító erős vegetációnak tudható be. Ezért a feldolgozás eredményeképpen kapott deformációs sebességek, amelyek az adatbázisban is jelenleg szerepelnek, csak nagyságrendi becslésre alkalmasak. Mind a keleti-nyugati, mind a vertikális irányú sebességek abszolút értékben 1–5 mm/éves mozgást jeleznek.
A 6. ábrán lévő összefoglaló térképen sötétkék nyilak mutatják a kapott maximális horizontális kompressziós irányokat. A felosztott területekre jellemző
6. ábra A Szeizmotektonikai Információs Rendszer térképe és rétegei QGIS-ben
feszültségmezők irányítottsága délnyugatról északkeleti irányba tekintve: ÉÉK–
DDNy, ÉNy–DK, ÉÉNy–DDK, ÉÉNy–DDK és ÉNy–DK. Ezek az irányok jó hasonlóságot mutatnak pl. Radulian et al. (1999) által megjelentetett publikációban szereplő eredményekkel. Az uralkodó tektonikus rezsim a térségben a feltolódás, amely kompressziós tektonikára utal. Ennek a stílusnak a megléte alátámasztja az ott még napjainkban is zajló szubdukció folyamatát.
A beágyazott földtani térkép szerkezeti vonalai alapján elmondható, hogy a térségben a jellemző szerkezet az áttolódás. A szerkezeti vonalak elsősorban a kanyarulat nyugati felén egymást átfedőek (6. ábra fekete vonal fekete vagy üres háromszögekkel), amíg a keleti szélén ez az átfedés nem jelenik meg (6. ábra fekete vonal, fekete téglalapokkal). Továbbá a Csomád környékén és a Vrancea-zóna északkeleti részén is található egy-egy nagyobb gyűrűs szerkezet. A Csomádnál negatív, a Vrancea-nál pozitív, ami süllyedést, valamint emelkedést mutat.
Konklúzió
Belátható, hogy az eddig rendelkezésünkre álló adatok alapján ha nem is teljes bizonyossággal, de elmondhatjuk, hogy a térségben továbbra is folytatódik a szubdukció, de ennek természetét pontosan még ezen adatok alapján nem ismerhetjük meg. Szükség van az adatbázisban eddig meglévő adatok felülvizsgálatára és az adatrendszer bővítésére további szeizmológiai és műholdas adatok mellett más geofizikai és geodéziai méréstípusok eredményeivel, valamint további tematikus térképek beágyazásával (pl. neogén korú szerkezetek térképe, medencealjzat-térkép vagy topográfiai térkép).
Köszönetnyilvánítás
Jelen publikáció az „EFOP-3.6.1-16-2016-2018 - A felsőoktatási rendszer K+F+I szerepvállalásának növelése intelligens szakosodás által Sopronban és Szombathelyen” című projekt révén kapott támogatás segítségével jöhetett létre.
A szerzőtársaknak, illetve dr. Brolly Gábornak, a Soproni Egyetem Földmérési és Távérzékelési Tanszék munkatársának szeretném megköszönni segítségüket és támogatásukat!
Felhasznált irodalom
Czirok L. (2016): Analysis of stress relations using focal mechanism solutions in the Pannonian Basin. Geosciences and Engineering: A Publication of the University of Miskolc, 5(8), pp. 65–84.
Czirok L. (2017): A Pannon-medence feszültségviszonyainak vizsgálata a földrengések fészekmechanizmusának inverziójával. Geomatikai Közlemények, 20, pp. 57–69.
Harangi S. – Novák A. – Kiss B. – Seghedi I. – Lukács R. – Szarka L. – Wesztergom V. – Metwaly M. – Gribovszki K. (2015): Combined magnetotelluric and petrologic constrains for the nature of the magma storage system beneath the Late Pleistocene Ciomadul volcano (SE Carpathians). Journal of Volcanology and Geothermal Research (290), pp. 82–96.
Heidbach, O. – Ledermann, P. – Kurfess, D. – Peters, G. – Buchmann, T. – Matenco, L. – Negut, M. – Sperner, B. – Müller, B. – Nuckelt, A. – Schmitt, G. (2007):
Attached or not attached: Slab dynamics beneath Vrancea, Romania. International Symposium on Strong Vrancea Earthquakes and Risk Mitigation, Bucharest, Romania, pp. 4–20.
Ismail-Zadeh, A. – Matenco, L. – Radulian, M. – Cloetingh, S. – Panza, G. (2012).
Geodynamics and intermediate-depth seismicity in Vrancea (the south-eastern Carpathians): Current state-of-the art. Tectonophysics (530), pp. 50–79.
Межеловский, Н.В. – Meželovskij, N.V. – Совет Экономической взаимопомощи, Conseil d'assistance économique mutuelle (1987): Kosmotektoničeskaâ karta evropejskih stran-členov SÈV i SFRO / Sovet Èkonomičeskoj vzaimopomoŝi / glavnyj redaktor N.V. Meželovskij = Space tectonic of map european countries – the CMEA members and SFRY/Council for Mutual Economic Assistance, Echelle 1:1 000 000 (E 8°–E 30°
/N 54°–N 42° ), [Moskva] : Mingeo, Fédération de Russie.
Radulian, M. – Mandrescu, M.N. – Popescu, E. – Utale, A. – Panza, G.F. (1999): Seismic activity and stress field in Romania. Romanian Journal of Physics 44, pp. 1051–1069.
Schmitt, G. – Nuckelt, A. – Knöpfler, A. – Marcu, C. (2007): Three dimensional plate kinematics in Romania. In Proceedings of the International Symposium on Strong Vrancea Earthquakes and Risk Mitigation, Romania, Bucharest, pp. 34–45.
van der Hoeven, A. – Mocanu, V. – Spakman, W. – Nutto, M. – Nuckelt, A. – Matenco, L. – Munteanu, L. – Marcu, C. – Ambrosius, B. (2005): Observation of present-day tectonic motions in the Southeastern Carpathians: Results of the ISES/CRC-461 GPS measurements. Earth and Planetary Science Letters (177), pp. 177–184.
Vavrycuk, V. (2014): Iterative joint inversion for stress and fault orientations from focal mechanisms. Geophysical Journal International, (199), pp. 69–77.
Zoback, M. L. (1992): First-and second-order patterns of stress in the lithosphere: The world stress map project. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 97(B8), pp. 11703– 11728.
Internetes források
Internet 1 – The CGIAR Consortium for Spatial Information: http://srtm.csi.cgiar.org/