Neotectonic setting and fault modelling of the nothern Thessaly 2021 earthquake sequence

Abstract

The Northern Thessaly 2021 earthquake sequence changed the way we see hidden or blind faults. It occurred in Central Greece with three mainshocks of Mw6.3, Mw6.0 and Mw5.6 on 3, 4 and 12 March, respectively. Serious damages were recorded and one indirect death in the villages of the area. The importance of the sequence is due to the highlighting of several features of the broader area’s geological and tectonic environment. This thesis is focused on the modelling of the Zarkos Fault Zone which is a hidden fault that was activated during the Northern Thessaly 2021 earthquake sequence. According to the InSAR images, it is situated in the mountainous area of Zarkos Mountains inside the Pelagonian nappe’s Triassic–Jurassic recrystallized carbonates and alternations of Paleozoic gneisses and schists that bear evidence of Alpine deformation. Surfaces of the Zarkos Fault Zone are associated with the Pliocene-Early Pleistocene NE-SW trending extension, while today’s active N-S extension has formed the E-W trending normal active faults of the broader area. At the hanging wall, it is maintained by the narrow graben-valley of Titarisios River that is filled with Neogene-Quartenary deposits. According to our 3D modelling, the Zarkos Fault Zone comprises 4 synthetic fault surfaces of 33.5km total length and ~13km maximum depth, with an average dip of ~55o towards NE, while the dip of the major surface is at 50o. Our model results from the combination of the earthquake focuses or hypocentres of Kassaras et al. (2022) relocated catalogue and a detailed 2D mapping. For the mapping, we utilize the available InSAR images along with geological and geomorphological data. The bidirectional propagation of the earthquake sequence begins with the two mainshocks on the major surface of the Zarkos Fault Zone, while three more synthetic surfaces are activated at its NW and SE tips. A projection of the hypocentres on the average rectangular best-fit plane is used for the detailed analysis of their spatiotemporal evolution and their correlation with our 3D model surfaces. Examining our 3D model of the Zarkos Fault Zone and correlating it with previous models and suggestions indicates a general agreement, especially with those that are based on the same relocated catalogue, while it supports the theory of the activation of a hidden or blind low-angle fault. The main argument that remains is the dip direction of the surface associated with the 3rd mainshock occurrence on 12 March (Mw5.6), which is demonstrated as antithetic in other works. Despite the complexity and short-timescale interactions between the multiple fault surfaces of the Zarkos Fault Zone, the Northern Thessaly 2021 earthquake sequence highlights the significant role of the structures inherited from previous deformational phases that are considered inactive. Fault growth is a continuous process resulting in fault zones that may be composed of surfaces originating from several stages of deformation and capable of giving strong earthquakes. A better understanding of these systems that may be blind, hidden or unmapped is crucial for future seismic hazard assessment studies.

Η σεισμική ακολουθία της Βόρειας Θεσσαλίας του 2021 άλλαξε τον τρόπο που αντιμετωπίζουμε τα «κρυφά» ή «τυφλά» ρήγματα ως προς την επικινδυνότητά τους. Η ακολουθία αποτελείται από τρεις κύριους σεισμούς μεγέθους Mw6.3, Mw6.0 και Mw5.6 που έλαβαν χώρα στις 3, 4 και 12 Μαρτίου, αντίστοιχα. Σοβαρές καταστροφές καταγράφηκαν στα χωριά της περιοχής γύρω από τα επίκεντρα, καθώς και μία έμμεση απώλεια ζωής. Παρόλα αυτά, η ακολουθία είναι εξαιρετικής σημασίας διότι αναδεικνύει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της γεωλογίας και τεκτονικής της ευρύτερης περιοχής. Η παρούσα εργασία στοχεύει στην προσομοίωση της ρηξιγενούς ζώνης του Ζάρκου, του «κρυφού» ρήγματος που ενεργοποιήθηκε το Μάρτιο του 2021. Βάσει των InSAR εικόνων, το ίχνος του ρήγματος τοποθετείται στα βουνά του Ζάρκου, εντός του Πελαγονικού καλύμματος, το οποίο αποτελείται από Τριαδικοϊουρασικούς ανακρυσταλλωμένους ασβεστολίθους και εναλλαγές Παλαιοζωικών γνευσίων-σχιστολίθων με εμφανή σημάδια των Αλπικών παραμορφωτικών φάσεων. Με την κατάρρευση του ορογενούς ξεκινά ο εφελκυσμός με διεύθυνση ΒΑ-ΝΔ κατά το Πλειόκαινο-Κ. Πλειστόκαινο ο οποίος σχετίζεται μεταξύ άλλων με ρήγματα της ρηξιγενούς ζώνης του Ζάρκου, ενώ η σημερινή ενεργός διεύθυνσή του είναι Β-Ν και σχετίζεται με τη δημιουργία των δομών παράταξης Α-Δ. Στο άνω τέμαχος του ρήγματος του Ζάρκου, εξαιτίας της δράσης μικρών κανονικών ρηγμάτων, έχει αναπτυχθεί η στενή κοιλάδα του Τιταρίσιου ποταμού στην οποία έχουν αποτεθεί ιζήματα Νεογενούς-Τεταρτογενούς ηλικίας. Το τριδιάστατο μοντέλο που παρουσιάζεται στην παρούσα εργασία αποτελείται από 4 συνθετικές επιφάνειες με συνολικό μήκος 33.5χλμ, μέγιστο βάθος περί τα 13χλμ και μέση κλίση ~55ο προς ΒΑ, ενώ η κλίση της κύριας επιφάνειας υπολογίζεται σε ~50ο. Η προσομοίωση είναι προϊόν συνδιαστικής ανάλυσης των σεισμικών εστιών του σεισμικού καταλόγου από την εργασία Kassaras et al. (2022) και τους δισδιάστατου μοντέλου που επίσης παρουσιάζεται στην εργασία. Το μοντέλο αυτό βασίζεται κατά κύριο λόγο στις InSAR εικόνες, οι οποίες συσχετίζονται με τη γεωλογία και γεωμορφολογία της περιοχής μελέτης. Η σεισμική ακολουθία χαρακτηρίζεται από αμφίδρομη εξάπλωση των εστιών πάνω στη ρηξιγενή ζώνη του Ζάρκου, με τους δύο κύριος να λαμβάνουν χώρα πάνω στην «κύρια» επιφάνεια, ενώ 3 ακόμα συνθετικές επιφάνειες ενεργοποιούνται στα άκρα της, ΒΔ και ΝΑ. Για τη βέλτιστη μελέτη της χωροχρονικής εξέλιξης της ακολουθίας και τη συσχέτισή της με το τρισδιάστατο μοντέλο, οι σεισμικές εστίες προβάλλονται πάνω στη μέση ορθογώνια επιφάνεια της ρηξιγενούς ζώνης και κατασκευάζονται ισόχρονες καμπύλες. Σημαντικό μέρος της εργασίας αποτελεί η ανάλυση του τρισδιάστατου μοντέλου της ρηξιγενούς ζώνης του Ζάρκου ως προς την ορθότητά του, συγκρίνοντάς του με παραδείγματα από τη βιβλιογραφία, καθώς και με τα άλλα μοντέλα που έχουν προταθεί για την ίδια ακολουθία. Το μοντέλο που παρουσιάζεται σε αυτήν την εργασία φαίνεται να επιβεβαιώνει τις θεωρίες για την ενεργοποίηση «τυφλού» ή «κρυφού» χαμηλής γωνίας ρήγματος, το οποίο υπόκειται των κύριων ενεργών ρηγμάτων της περιοχής τα οποία και ενεργοποιήθηκαν δευτερευόντως το Μάρτιο του 2021. Ακόμη, βρίσκεται σε γενική συμφωνία με τα υπόλοιπα μοντέλα και κυρίως αυτά που βασίζονται στον ίδιο σεισμικό κατάλογο, με βασική διαφοροποίηση τη διεύθυνση κλίσης της επιφάνειας που αντιστοιχεί στον 3ο σεισμό της 12ης Μαρτίου (Mw5.6) και στα περισσότερα παρουσιάζεται ως αντιθετική. Παρά την πολυπλοκότητα και τις συνεχείς απότομες αλληλεπιδράσεις των επιφανειών της ρηξιγενούς ζώνης του Ζάρκου, η σεισμική ακολουθία της Βόρειας Θεσσαλίας του 2021 επισημαίνει τον σημαντικό ρόλο των κληροδοτούμενων από παλαιότερα τεκτονικά καθεστώτα δομών, τα οποία θεωρούνται ανενεργά. Η ανάπτυξη των ρηγμάτων αποτελεί μία διαρκή φυσική διαδικασία, η οποία μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία πολύπλοκων ρηξιγενών συστημάτων. Αυτά μπορεί να αποτελούνται από ρήγματα διαφορετικών παραμορφωτικών φάσεων που όμως είναι ικανά να προκαλέσουν ισχυρούς σεισμούς, όπως συνέβη το Μάρτιου του 2021 στη Βόρεια Θεσσαλία. Η καλύτερη κατανόηση αυτών των συστημάτων, τα οποία ενδεχομένως να είναι «τυφλά», «κρυφά» ή αχαρτογράφητα είναι εξαιρετικά σημαντική για τη μελέτη της σεισμικής επικινδυνότητας.