Forme specifice in activitatea seismica de adancime din zona Vrancea

Dupa cum se stie, zona seismica Vrancea reprezinta cea mai puternica sursa seismica de pe teritoriul tarii noastre, care controleaza nivelul de hazard seismic pe aproximativ 2/3 din suprafata Romaniei si, intr-o masura semnificativa, nivelul de hazard seismic pe arii relativ extinse din tarile invecinate, Bulgaria, Ucraina si Rusia. Vrancea este una dintre putinele surse seismice de pe glob care genereaza in mod constant cutremure majore de adancime intermediara intr-un volum seismogen extrem de limitat. Acest tip de seismicitate se incadreaza in categoria de surse de tip cuib seismic (seismic nest), intalnite doar in cateva zone de pe glob, cele mai cunoscute fiind zona Bucaramanga (Columbia) si Hindu Kus (Afganistan).

Modelarea fizico-chimica a proceselor care au loc in volumul litosferic subdus in zona curburii Arcului Carpatilor Orientali ramane un mister si o provocare pentru oamenii de stiinta, atat daca ne referim la procesele care au loc la scara unui eveniment individual, cat si daca le vizam pe cele produse la scara intregului sistem geodinamic situat in mantaua superioara. Pe langa interesul strict stiintific, problema cutremurelor din Vrancea prezinta si un interes mai larg, avand in vedere impactul major al acestor cutremure atat in Romania, cat si in tarile vecine.

Vom trece in revista trasaturile majore ale sistemului seismogen din zona Vrancea cu privire la formele specifice de generare in spatiu si timp ale cutremurelor apartinand acestei zone seismice luand in considerare ultimele date de observatie si modul de interpretare a acestora in lumina celor mai recente cercetari.

Cadrul geotectonic 

Sursa vranceana apartine tipului de surse de adancime intermediara din cadrul Bazinului Mediteranean situate in structuri de tip arc (fig. 1). Surse similare se afla in Arcul Calabric (Italia), Arcul Elenic (Grecia) si Arcul Alboran (Spania). Cele mai mari cutremure (M > 7) inregistrate in zona Bazinului Mediteranean sunt localizate, pe de o parte, in scoarta superioara (adancime mai mica de 50 km), de-a lungul marilor falii transcurente Nord-Anatoliana si Est-Anatoliana, si falia Marii Moarte si in partea crustala a Arcului Elenic si, pe de alta parte, in mantaua superioara (adancime mai mare de 50 km), in sistemele de tip arc precizate mai sus (fig 2). Cele mai mari evenimente din crusta au fost inregistrate pe falia Nord-Anatoliana la Erzincan in 1939 (M_w 7.8) si pe falia Est-Anatoliana in provincia Kahramanmaras in 2023 (M_w 7.8), in timp ce cel mai mare eveniment din mantaua superioara a fost inregistrat in regiunea Vrancea in 1940 (M_w 7.7), la adancime intermediara (150 km), si in stramtoarea Gibraltar in 1954 (M_w 7.8), la mare adancime (626 km). De remarcat ca atat cutremurele de adancime intermediara din Vrancea, cat si cutremurele adanci din sudul Spaniei, sunt generate in blocuri litosferice reduse ca dimensiune si izolate ȋn raport cu sistemul de falii seismic active din partea de est a Marii Mediterane.

Fig. 1: Reprezentare schematica a tectonicii din zona Bazinului Mediteranean (dupa USTASZEWSKI et al., 2008)

Fig. 2: Harta epicentrala a celor mai mari cutremure inregistrate in Europa (Mw ≥ 7) (sursa: NOAA, 2019)

Privind mai indeaproape sistemul tectonic in care sunt generate cutremurele din Vrancea (fig. 3), observam cateva trasaturi remarcabile. In primul rand, miscarea de impingere spre nord a placii Adria si transferul deformatiilor spre vest si est. Daca examinam consecintele deplasarii catre est a placii Adria, se remarca un fenomen la scara larga: deschiderea Bazinului Panonic, cel mai mare bazin extensional din Europa. Nu putem explica un fenomen de extensie atat de amplu intr-un context de coliziune decat daca introducem in sistemul tectonic, pe langa forṭele de ȋmpingere, si forte de tragere in jos. Astfel de forte apar de indata ce un corp litosferic coboara in manta si, din cauza cresterii in greutate, provoaca un proces de incovoiere (rotire spre o pozitie verticala) urmat de un proces de retragere in spatele arcului. In al doilea rand, atragem atentia asupra rolului important jucat de platformele Est-Europeana si Moesica in modularea configuratiei Carpatilor (forma dublu arcuita). Cele doua platforme au actionat ca blocuri de rezistenta in procesul de impingere continua spre est. Un rol similar l-a jucat si Masivul Bohemiei in miscarea de impingere a placii Adria spre nord, care a determinat conversia miscarii catre vest si catre est.

Fig. 3: Schita fortelor tectonice din regiunea muntilor Alpi, Carpati si Dinarici (dupa BADA et al., 2001)

Regiunea Carpato-Panonica in care se afla sursa vranceana este alcatuita din orogenul carpatic si sistemul de bazin retro-arc panonic. Evolutia sistemului in neogen este caracterizata prin miscarea relativa a doua microplaci care se misca independent, cunoscute sub denumirea de unitati mega-tectonice ALCAPA (Alpi – Carpati – Bazinul Panonic) si Tisa – Dacia. Din cauza acestor miscari s-a dezvoltat un sistem complex de falii care traverseaza de la NE la SV zona Intracarpatica (Linia Medio-Ungara). Ele au fost insotite de fenomene complexe legate de subductie, ridicare a mantalei si vulcanism neogen.

Evolutia tectonica a regiunii Carpato-Panonice in zilele noastre este subiect al multor dezbateri. Modelele propuse pot fi grupate in doua categorii: (1) proces de coliziune continentala si (2) proces de subductie oceanica urmat de coliziunea continentala. Prima presupune o instabilitate gravitationala (colapsul gravitational al litosferei continentale) si o delaminare litosferica continentala activa sub Carpati. Al doilea grup include subductia si ridicarea asociata a mantalei sublitosferice ca proces-cheie in dezvoltarea tectonica a regiunii Carpato-Panonice. Ambele tipuri de modele pot explica prezenta actuala sub Arcul Carpatic a unui corp litosferic de viteza mare coborand in astenosfera (stratul superior din manta), in care sunt generate cutremurele de adancime intermediara din Vrancea.

Localizarea seismicitaṭii si forme de seismicitate specifice

Producerea cutremurelor, respectiv eliberarea rapida a energiei tectonice acumulate intr-o anumita zona a invelisului exterior al pamantului, presupune prezenta unui material suficient de rigid, capabil sa declanseze procese de rupere casanta. In caz contrar, nu se vor genera unde seismice de frecventa inalta si de inalta energie. Fara indoiala ca procesele geotectonice care au condus la configurarea actuala a sistemului carpato-panonic au determinat si coborarea unui corp litosferic suficient de rigid, capabil sa produca cutremure la adancimi unde conditiile de presiune si temperatura nu permit acest lucru in mod normal. Prezenta acestui corp rigid este evidenta in orice imagine tomografica realizata in zona Arcului Carpatic. De exemplu, in fig. 4, prezentam in paralel doua imagini de tomografie pe un profil vertical care traverseaza Arcul Carpatic, obtinute independent prin inversia formelor de unda de la cutremure indepartate (stanga) si prin inversia datelor de zgomot ambiental (dreapta).

Fig. 4: Imagini tomografice pe profile verticale care traverseaza zona Arcului Carpatic, obtinute din date de la teleseisme (stanga, dupa WORTEL si SPAKMAN, 2000) si din date de zgomot ambiental (dreapta, dupa REN et al., 2012)

Imaginea tomografica pune in evidenta prezenta unui corp litosferic rigid si rece (reprezentat in albastru) care in cea mai mare parte a sa este aseismic (nu genereaza cutremure). Activitatea seismica este concentrata intr-o portiune relativ mica a acestui corp, si anume in partea sa superioara, pana la adancimi de aproximativ 180 km (fig. 5). Reprezentarea din fig. 5, pe un profil vertical, orientat NE-SV, care traverseaza sursa Vrancea, este pentru activitatea seismica inregistrata pe un interval de timp de 28 de ani (1982 – 2009), dar analizele de seismicitate efectuate pentru zona Vrancea arata ca aceasta distributie particulara a hipocentrelor este aceeasi, oricare ar fi fereastra de timp pentru care se face analiza. Cu alte cuvinte, aceasta configuratie geometrica nu este intamplatoare, ci este legata de procese intime fizico-chimice de generare a cutremurelor in interiorul corpului litosferic subdus. Frapanta in acest sens este incetarea brusca a activitatii seismice in afara domeniului de adancime, intre aproximativ 60 km si 180 km. De asemenea, se evidentiaza destul de pregnant un deficit de seismicitate care separa activitatea din crusta de deasupra (punctele negre din figura) de activitatea din manta (punctele rosii din figura).

Fig. 5: Distributia seismicitatii in Vrancea la suprafata (stanga) si pe sectiune verticala, orientata tangent la cotul Arcului Carpatilor (dupa BOKELMANN si RODLER, 2014)

Modelele de seismitate care caracterizeaza producerea cutremurelor in sursa Vrancea prezinta cateva trasaturi geometrice bine conturate:

(1) concentratia intr-o zona epicentrala ingusta alungita de-a lungul directiei NE-SV;

(2) un domeniu bine delimitat in adancime intre aproximativ 60 si 180 km;

(3) seismicitatea din placa subdusa este semnificativ mai abundenta si mai puternica decat cea din crusta de deasupra.

Configuratia geometrica a distributiei hipocentrelor a fost interpretata de diversi autori ca reprezentand o dovada a structurii neomogene a zonei seismic active de sub regiunea Arcului Carpatic. S-a discutat astfel despre o structura verticala cu urmatoarea stratificare (intr-o reprezentare simplificata in fig. 6):

– strat crustal: activitate moderata (magnitudinea mai mica de 6.0)

– deficit seismic intre 40 si 60 km adancime (doar evenimente sporadice si mici)

– segmentul activ superior (numit A in fig. 6), unde s-au produs evenimentele majore din 1977 (M_w 7.5) si 1990 (soc dublu de M_w 6.9 si 6.4)

Fig. 6: Reprezentarea schematica a structurii neomogene care caracterizeaza volumul seismogen din regiunea Vrancea (dupa ONCESCU si BONJER, 1997)

– strat de tranzitie in jur de 100 km adancime: deficit relativ de cutremure (corespunzand in acelasi timp cu Discontinuitatea Litosferei Mijlocii, vezi mai jos)

– segmentul activ inferior (numit B in fig. 6), unde s-au produs evenimentele majore din 1940 (M_w 7.7) si 1986 (M_w 7.1)

– un singur eveniment izolat situat sub 200 km adancime (M_w 3.7)

In fig. 7 reprezentam configuratii comparativ geometrice ale distributiei hipocentrelor reprezentate pe doua proiectii verticale in Vrancea, orientate asa cum se arata in fig. 5 (una paralela si alta perpendiculara pe curbura Carpatilor), pentru diferite ferestre de timp de 10 ani lungime, disjuncte. Evident, modificarea configuratiei situate in jurul a 100 km adancime este pastrata in toate ferestrele, sugerand ca aceasta nu este o simpla configuratie aleatorie, ci evidentiaza un proces fizico-chimic intim care sta la baza generarii cutremurelor.

Fig. 7: Seismicitatea de adancime intermediara in doua sectiuni transversale verticale in zona seismogena Vrancea pentru diferite ferestre de timp disjuncte de 10 ani

Istoricul activitatii seismice in timp, reprezentat separat pentru cele doua segmente active din fig. 8 (segmentele active A si B din partea superioara, respectiv partea inferioara a zonei seismogene sunt reprezentate in fig. 6), evidentiaza o seismicitate de fond cvasi-stationara in timp (~ 8 evenimente/6 luni in A si ~ 40 evenimente/6 luni in B) si episoade scurte de crestere brusca datorata activitatii de replici in urma evenimentelor majore (1977 si 1990 in segmentul A si 1986 in segmentul B).

Fig. 8: Sus: numarul de cutremure pe intervale de cate 6 luni in cele doua segmente active ale zonei seismogene Vrancea; jos: evolutia in timp a activitatii seismice de fond in cele doua segmente active (practic aceeasi activitate ca in figura de sus dupa extragerea activitatilor anormale asociate cu evenimentele majore) (dupa BAZACLIU si RADULIAN, 1999)

Faptul ca aparitia unui cutremur major intr-unul dintre cele doua segmente active nu perturba in vreun fel activitatea de fond in celalalt segment (dupa cum se poate vedea in fig. 8) ne face sa presupunem ca exista o decuplare puternica intre aceste segmente si ca procesele de pregatire a declansarii cutremurelor majore au loc in mare masura separat in cele doua segmente. Acest lucru este evidentiat si de distributia pe adancime a replicilor cutremurelor majore inregistrate in A si B (fig. 9): replicile evenimentelor generate in segmentul A (asociate cu socurile majore din 1977 si 1990) sunt localizate intr-un interval de adancime limitat jos la 100 km, in timp ce replicile evenimentului din 1986 generate in segmentul B sunt localizate intr-un interval de adancime limitat sus la 100 km. Rezulta ca stratul de tranzitie dintre segmentele A si B situat in jurul adancimii de 100 km actioneaza fie ca o bariera de rezistenta (dificil de rupt), fie, dimpotriva, ca o zona de slabiciune (incapabila de a acumula deformatii pentru a genera cutremure mari). Avand in vedere ipoteza prezentei fluidelor in acest strat (cum vom discuta in sectiunile urmatoare), preferam ipoteza a doua.

Fig. 9: Distributia pe adancime a cutremurelor in Vrancea (stanga) si distributia pe adancime a replicilor asociate evenimentelor majore din 1977, 1986 si 1990 (dreapta)

Discutii si concluzii

Zona Vrancea reprezinta o sursa seismica de tip cuib seismic cu trasaturi seismotectonice bine conturate si individualizate comparativ cu alte surse seismice de pe Glob. Cunoasterea procesului seismic din zona Vrancea in toate aspectele sale (context geotectonic, mecanism de producere, forme de seismicitate in timp si spatiu) ofera cadrul si cele mai eficiente mijloace pentru a contribui la reducerea efectelor acestor cutremure.

Ceea ce prezentam in lucrarea de fata s-a axat pe problema formelor de seismicitate specifice in cazul cutremurelor vrancene de adancime intermediara. Acestea prezinta o serie de trasaturi remarcabile pe care le sintetizam mai jos:

• Concentrarea si densitatea mare a hipocentrelor intr-un domeniu limitat spatial inclus in volumul litosferic subdus in zona curburii Arcului Carpatic. Doar o portiune relativ redusa din corpul litosferic subdus este apta sa genereze cutremutre.
• Hipocentrele sunt distribuite asimetric in spatiu, de preferinta de-a lungul unui aliniament NE-SV.
• Sursa seismica emite in permanenta o activitate de fond cvasiconstanta in timp (activitatea de fond se desfasoara intre doua cutremure majore succesive; generarea socurilor majore este insotita de o crestere semnificativa a seismicitatii legata de aparitia replicilor).
• Analiza detaliata a activitatii seismice scoate in evidenta neomogenitati importante pe adancime: scaderile rapide ale ratei de generare a cutremurelor sub 60 km si peste 180 km adancime, doua zone de tranzitie cu deficit de seismicitate la trecerea dintre crusta si manta (40 – 60 km adancime) si la trecerea de la un segment activ superior la un segment activ inferior in volumul seismogen (in jur de 100 km adancime).

Referitor la aceste particularitati, vrem, in concluzie, sa vedem in ce masura acestea se reflecta in modelarile geotectonice si in efectele inregistrate la cutremurele vracene. Astfel, este remarcabil faptul ca solutiile planelor de falie ale socurilor majore vrancene sunt practic identice (RADULIAN, 2014) si ca planul de rupere orientat NE-SV coincide cu aliniamentul NE-SV al distributiei activitatii seismice. Acest lucru poate reflecta o cuplare intrinseca a productiei stationare de seismicitate de fond cu mecanismul critic de declansare care duce la evenimentele majore. Este de remarcat, de asemenea, faptul ca aliniamentul seismicitatii si al mecanismului focal concorda si cu aliniamentul constatat in distributia efectelor cutremurelor vrancene majore, dupa cum este ilustrat in fig. 10 si fig. 11.

Fig. 10: Aliniamentul predominant NE-SV care carcaterizeaza sursa din Vrancea atat in privinta mecanismului de producere si distributia seismicitatii, cat si a directivitatii efectelor observate (dupa RADULIAN, 2014; RADULIAN et al., 2007)

Evident, aceste coincidente nu sunt intamplatoare. Ele sunt legate cu siguranta de:

– procese geotectonice specifice: subductie insotita de procese retro-arc de tip „roll-back” sau delaminare continentala urmata de rotirea paturii delaminate. In ambele cazuri, este prezisa formarea unui flux astenosferic care se ridica in spatele Arcului Carpatic si care explica atenuarea puternica a undelor seismice inspre Bazinul Transilvaniei;

– efecte de directivitate a sursei, cu radiatie mai puternica de energie seismica pe directia NE-SV;

– neomogenitatea laterala a structurii litosferei, cu zone de tip platforma continentala inspre NE (Platforma Est Europeana) si inspre SV (Platforma Moesica), cu grosimi mari, rigide si stabile, si zona intra-alpina (din spatele Arcului Carpatic), cu grosimi mici, infiltratii de fluide si topituri, si instabila dinamic.

Fig. 11: Exemple de distributii asimetrice ale efectelor inregistrate la evenimente majore vrancene: harta macroseismica a cutremurului din 1977 (stanga), harta de tip „shakemap” a cutremurului din 1986 (dreapta jos) si harta de hazard exprimata prin 10% probabilitate de depasire a PGA (dreapta sus) (dupa PAVEL et al., 2016)

Zona Vrancea este, dupa cunostinta noastra, singura sursa seismica de adancime care provoaca efecte atat de mari la suprafata pamantului si pe arii atat de extinse.

Subliniem in continuare o alta coincidenta remarcabila, de data aceasta intre formele de seismicitate (respectiv segmentarea pe adancime a activitatii seismice) si procesele geochimice din litosfera subdusa. Rezultate recente (KOVACS et al., 2021) arata faptul ca cel mai raspandit mineral care contine apa din compozitia litosferei continentale, pargazitul, este stabil la presiuni mai mici de ~3 GPa si temperaturi mai mici de ~1.100⁰C (acestea corespunzand adancimii de ~100 km), dar devine puternic instabil cand acesti parametri sunt atinsi. Cu alte cuvinte, pargazitul, in preajma adancimii de 100 km, elibereaza brusc (in regim critic) fluide bogate in apa intr-un strat redus pe adancime (de cativa km). Crearea acestui strat de slabiciune conduce la aparitia unei discontinuitati in litosfera continentala ingrosata, situata intre discontinuitatea Moho si LAB (Lithosphere-Asthenosphere Boundary), denumita Discontinuitatea Litosferei Mijlocii – MLD (Middle Lithosphere Boundary). Aceasta permite, pe de o parte, delaminarea litosferei inferioare de-a lungul MLD, si poate explica, in acelasi timp, pentru sursa vranceana, aparitia stratului de tranzitie de la aproximativ 100 km adancime care separa segmentele active A si B, definite mai sus.

Ȋntr-o interpretare anterioara (ONCESCU si BONJER, 1997), deficitul de seismicitate din jurul adancimii de 100 km este pus pe seama prezentei unei bariere de rezistenta. Aceasta ar conduce, la o scara mare de timp, la posibilitatea generarii unui megacutremur (prin ruperea acestei bariere) care sa afecteze zona seismogena Vrancea pe intreaga sa extindere in adancime (60 – 180 km). Daca se dovedeste faptul ca ipoteza prezentei MLD in volumul litosferic subdus sub curbura Arcului Carpatic este valabila, aceasta presupunand existenta unui strat ingust de slabiciune in jurul adancimii de 100 km, implicatiile asupra modelarii hazardului seismic capata o importanṭa deosebita, deoarece prezenta fluidelor in acest strat (eliberate din pargazit printr-o reactie critica) face imposibila acumularea de deformari tectonice semnificative si deci generarea de cutremure puternice. In aceste conditii, nu ne asteptam pentru zona Vrancea la generarea de cutremure mai mari decat cele care se scaleaza cu dimensiunile celor doua segmente active, A in partea superioara si B in partea inferioara a volumului seismogen.

Bibliografie

[1] G. BADA, F. HORVATH, On the structure and tectonic evolution of the Pannonian Basin and surrounding, Acta Geologica Hungarica, 44(2): 301-327 (2001);

[2] O. BAZACLIU, M. RADULIAN, Seismicity variations in depth and time in the Vrancea (Romania) subcrustal region, Natural Hazards 19, 165-177 (1999);

[3] G. BOKELMANN and F. RODLER, Nature of the Vrancea seismic zone (Eastern Carpathians) – New constraints from dispersion of first-arriving P-waves, Earth and Planetary Science Letters, doi:10.1016/J.EPSL.2013.12.034 (2014);

[4] I. KOVACS, N. LIPTAI, L. PATKO, T. LANGE, L. MATENCO, S.A.P.L. CLOETINGH, M. RADULIAN, G. MOLNAR, A. SZAKACS, M. BERKESI, A. NOVAK, V. WESZTERGOM, Cs. SZABO, The „pargasosphere” concept: or looking at global plate tectonics from a new perspective?, Global and Planetary Change, vol. 204, 103547, https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2021.103547 (2021);

[5] M.C. ONCESCU, K.-P. BONJER, A note on the depth recurrence and strain release of large Vrancea earthquakes, Tectonophysics 272: 291–302 (1997);

[6] F. PAVEL, R. VACAREANU, J. DOUGLAS, M. RADULIAN, C. CIOFLAN, A. BARBAT, An updated probabilistic seismic hazard assessment for Romania and comparison with the approach and outcomes of the SHARE project, Pure and Applied Geophysics, 173 (6), 1881 – 1905 (2016);

[7] M. RADULIAN, Mechanisms of earthquakes in Vrancea, In: BEER M, PATELLI E, KOUGIOUMTZOGLOU I., SIU-KUI AU I. (eds) Encyclopedia of earthquake engineering, Springer, Berlin, Heildelberg, doi.org/10.1007/978-3-642-36197-5_302_1 (2014;

[8] M. RADULIAN, K.-P. BONJER, E. POPESCU, M. POPA, C. IONESCU, B. GRECU, The October 27^th, 2004 Vrancea (Romania) earthquake, ORFEUS Newsletter 1(7), Jan 2007 (2007);

[9] Y. REN, G.W. STUART, G.A. HOUSEMAN, B. DANDO, C. IONESCU, E. HEGEDUS, S. RADOVANOVIC, Y. SHEN, South Carpathian Project Working Group, Upper mantle structures beneath the Carpathian–Pannonian region: implications for the geodynamics of continental collision, Earth Planet Sci Lett 349–350:139–152 (2012);

[10] K. USTASZEWSKI, S.M. SCHMID, B. FUGENSCHUH, M. TISCHLER, E. KISSLING, W. SPAKMAN, A map-view restoration of the Alpine-Carpathian-Dinaric system for the Early Miocene, Swiss J. Geosci.101, supplement 1, S273-S294 (2008);

[11] M.J.R. WORTEL, W. SPAKMAN, Subduction and slab detachment in the Mediterranean Carpathian region, Science 290: 1910–1917 (2000).

Autor:

Mircea RADULIAN, CS 1 − Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Pamantului | Academia Romana | Academia Oamenilor de Stiinta

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 209 – decembrie 2023, pag. 130-134