Vill auka öryggi okkar í jarðskjálftum
Eitt það brýnasta sem vísindafólk í veröldinni gerir er að leita lausna á verkefnum og vandamálum sem tengjast samfélögum, lífríkinu öllu eða umhverfinu sem allar lífverur á jörðinni fá afnot af frá kynslóð til kynslóðar.
Vísindamaðurinn Benedikt Halldórsson tilheyrir svo sannarlega þessum hópi en allan sinn feril hefur hann rannsakað jarðskjálfta sem eru nánast hversdagslegir hér á Íslandi. Bara í þessari viku mars 2023, þegar þetta er skrifað, mældust t.d. rúmlega 360 jarðskjálftar með mælakerfi Veðurstofu Íslands. Það er meira að segja lægri tala en í vikunni á undan þegar um 500 skjálftar mældust.
Hérlendis er það gjarnan þannig að það er ekki fyrr en þessir skjálftar fara að stækka að þeir valda fólki uggi og það kippist við eins og landið sjálft. En jarðskjálftar geta svo sannarlega haft gríðarlega alvarlegar afleiðingar þegar þeir eru harðir og nærri byggð og mannvirkjum, eins og heimsbyggðin var nýlega minnt á með hörmulegum afleiðingum hinna gríðarstóru jarðskjálfta í Tyrklandi í febrúar.
Allir íbúar á Reykjanesi – og raunar víðar á landinu – urðu varir við skjálftana sem tengdust aðdraganda eldsumbrotanna í Geldingadölum 2021 og 2022 þótt mest hafi vissulega reynt á þá sem búa næst upptökum skjálftanna, sér í lagi þeirra stærstu. Jarðskjálftar eins og þeir sem þá gengu yfir eru uppspretta rannsókna og mælingar sem þeim tengjast verða síðan undirstaða nýrra líkana sem sett eru fram til að meta betur það sem getur gerst í næstu jarðskjálftum af svipuðum toga.
Vísindamenn hafa í gegnum áratugi varpað ljósi á ólíka þætti sem orsaka jarðskjálfta, t.d. þá sem tengjast kvikuhreyfingum og landrisi sem er stundum undanfari eldsumbrota eins og í Geldingadölum á Reykjanesi. Landrek er þess eðlis að Ísland er á flekaskilum þar sem hluti landsins skríður til austurs og hinn hlutinn til vesturs og þessi aðskilnaður á sér stað með sama hraða og neglur vaxa á fingrum okkar. Við átökin verður spenna sem hleðst upp og þegar skorpan brestur undan átökunum í jarðskjálftum sem geta orðið stórir eins og við þekkjum á Suðurlandi og undan Norðurlandi. Á þessum tveimur svæðum geta jarðskjálftar orðið stærstir á Íslandi, oft með nokkuð reglulegu millibili. Rannsóknir vísindamanna og mælingar þeirra sýna okkur fram á þetta.
Benedikt Halldórsson vísindamaður við Umhverfis- og byggingarverkfræðideild HÍ.
Með annan fótinn neðan jarðar
Sökum mikillar tíðni skjálfta hér og vegna mögulegra afleiðinga þeirra og tengsla við allskyns vá, ekki síst eldgos og skemmdir á mannvirkjum, eru rannsóknir á þeim afar brýnar fyrir okkur öll sem hér búum. Það sem heillar við rannsóknir Benedikts er ekki síst að í þeim er fléttað saman mörgum fræðasviðum, þær eru það sem kallað er þverfræðilegar en aukinn þungi á slíkar rannsóknir hefur verið áhersluþáttur í heildarstefnu HÍ. Það er enda vitað að brýnar áskoranir samtímans og framtíðarinnar kalla á lausnir sem byggjast á þverfræðilegri nálgun eins og segir í stefnunni HÍ26.
„Ég stunda rannsóknir mínar á sviði sem má nefna tæknilega jarðskjálftafræði (e. engineering seismology). Það spannar allt frá jarðfræði, jarðskjálftafræði, jarðtækni, sveifluhegðun bygginga og áhrifa jarðskjálfta á hið manngerða umhverfi ásamt samfélagslegum áhrifum þeirra,“ segir Benedikt sem er vísindamaður við Umhverfis- og byggingarverkfræðideild og leiðir rannsóknarteymi sviði jarðskjálftafræði og jarðskjálftaverkfræði við HÍ.
„Ég er með fræðilegan grunn í jarðeðlisfræði annars vegar og byggingarverkfræði hins vegar og doktorsnám mitt var síðan á sviði tæknilegrar jarðskjálftafræði. Ég er þannig eiginlega með annan fótinn neðanjarðar þar sem jarðskjálftinn verður og bylgjurnar breiðast út og hinn fótinn ofan jarðar þar sem hið manngerða umhverfi er,“ segir Benedikt, en bætir við nánari útskýringu: „Þessi þjálfun krafðist þess að ég hefði bæði skilning á hegðun hins manngerða umhverfis í sterkum jarðskjálftum og hverjar þarfir hagsmunaaðila eru til betri áhættustýringar á starfsemi þeirra í jarðskjálftum ásamt djúpstæðri þekkingu á jarðskjálftafræði og hvernig nýjustu rannsóknarniðurstöður gætu sem best nýst í þeim tilgangi.“
Þessi yfirsýn virðist henta Benedikt vel því „tæknileg jarðskjálftafræði brúar eiginlega bilið á milli jarðskjálftafræði og verkfræði því áhersla hvors sviðs um sig er um margt ólík. Sem dæmi má nefna að jarðskjálftafræðingar miða nálgun sína út frá jarðskjálftanum sjálfum. Þeir nota mælingar á hristingnum til þess að meta hvar jarðskjálftinn varð, hversu stór, hvernig skorpan brotnaði og eiginleika hans og orsakir almennt. Verkfræðingar miða síðan nálgun sína út frá byggingunum sjálfum og þá aðallega hvernig og hvaða áhrif hristingurinn hafði á bygginguna.“
Hvort tveggja sem Benedikt nefnir er mjög brýnt fyrir okkur öll en hann hefur lagt megináherslu á að rannsaka jarðskjálfta sem hafa áhrif á mannvirki og eru það helst jarðskjálftar sem eru um 5,0 og stærri.
„En líkt og margt annað í náttúrunni þá eru mest áhrif nálægt upptökum og síðan dvína þau hratt með fjarlægð. Það þarf því líka að skoða smærri jarðskjálfta ef byggð er mjög nærri, af stærðinni u.þ.b. 3,5 til 4,5 sem verða grunnt í skorpunni, því þeir hafa einnig áhrif. Síðan þarf að skoða stærri jarðskjálfta og sér í lagi þá stóru, u.þ.b. 7 að stærð sem geta valdið miklum áhrifum þrátt fyrir að vera langt í burtu. En mest áhrif á Íslandi hafa skjálftar sem eru stærri en 6 og verða nærri byggð, eins og hefur margoft gerst í Suðurlandsskjálftum sögunnar,“ segir vísindamaðurinn.
Frá Suðurlandsskjálftanum 2008.
Hefur sett upp mörg mælafylki til að auka þekkingu á jarðskjálftum
Það sést strax og netfang Benedikts er skoðað að hann tengir sig viðfangsefnum sínum nánar en margir. Í stað þess að nota nafnið sitt í netfanginu, eða eitthvað sem vísar til þess, hefur hann orðið „skykkur“ sem lykilinn að samskiptum við sig í tölvupósti. Skykkur merkir titringur á yfirborði jarðar þegar skjálfti ríður yfir og þetta hefur hann í háskerpu.
„Í rannsóknum mínum hef ég í einu og öllu einblínt á að fylla í eyðurnar þar sem mér hefur sýnst þekkingu vanta á fræðasviðinu varðandi stærri jarðskjálfta hér á Íslandi og áhrif þeirra á hið manngerða umhverfi. Til þess að styðja við rannsóknir mínar hef ég reynt að sitja fyrir jarðskjálftum með mælakerfum og safna þannig nýjum gögnum. Ég setti upp þéttriðið net jarðskjálftamæla í Hveragerði sumarið 2007, hið fyrsta sinnar tegundar á Íslandi, sem við nefnum ICEARRAY, eða Icelandic strong-motion array. Þar voru tólf mælar á svæði sem er rétt rúmur ferkílómeter að stærð.“
Benedikt segir að þetta net hafi gegn þrenns konar hlutverki: Að mæla jarðskjálftahreyfingar í byggð, mæla þær á mörgum stöðum til að meta breytileikann á hreyfingunum og að nýta mælafylkið til að gefa nýja sýn á það hvað gerist í jörðinni þar sem jarðskjálftinn verður.
„Með þessu tókst að fá einstakar mælingar í nærsviði jarðskjálftans í Ölfusi þann 29. maí 2008 sem er sá náttúruatburður sem valdið hefur mestu tjóni á Íslandi þótt hann hafi í raun ekki verið stærri en 6,3. Síðan þá hef ég set upp sams konar þéttriðin net mæla í fleiri byggðum, t.d. á Húsavík árið 2012 sem er á mjög stóru og virku jarðskjálftasvæði, og þá um veturinn komu stærstu hrinur á Norðurlandi síðan Kröflueldum lauk,“ segir vísindamaðurinn.
„Nú síðast hef ég sett upp þétt mælafylki í Grindavík í upphafi hrinunnar í aðdraganda eldgossins í Fagradalsfjalli og einnig í Reykjanesbæ og í Hafnarfirði. Þessi gögn hafa mér fundist vera ómetanleg fyrir rannsóknir og hagnýtingu þeirra.“
Jarðskjálftar geta svo sannarlega haft gríðarlega alvarlegar afleiðingar þegar þeir eru harðir og nærri byggð.
Hefur hlotið fjölda styrkja til rannsókna
Það er mjög brýnt að rannsóknir séu styrktar – ekki síst þegar þær varða beinlínis öryggi fólks og afdrif mannvirkja í hamförum. Benedikt hefur verið í forsvari fjölda rannsóknarverkefna sem hafa hlotið styrki frá því hann hóf störf við Háskóla Íslands árið 2006. Frá árinu 2017 hefur hann einnig verið í hlutastarfi við Veðurstofu Íslands en þessar tvær stofnanir hafa unnið saman að fjölda mikilvægra verkefna á sviði náttúruvár. Teymi sem Benedikt hefur leitt hafa fengið ýmsa rannsóknar- og tækjastyrki frá Rannís, þ.m.t. öndvegisstyrk, en einnig fimm Evrópustyrki (Marie Curie, TURNkey, ChEESE, MEDiate og ChEESE-2P), ásamt rannsóknarstyrkjum frá Orkurannsóknasjóði Landsvirkjunar, Rannsóknasjóði Vegagerðarinnar og Náttúruhamfaratryggingum Íslands.
Tekist á við áskoranir - Leitin að lausnum
Benedikt er aldrei með eitt verkefni á sínu borði heldur mörg og því eru niðurstöðurnar ólíkar í ljósi eðlis verkefnnna. „Já, það hafa margvíslegar nýjar niðurstöður komið út úr rannsóknunum á undanförnum árum. Til að setja þær í samhengi þá er gott að hafa í huga að mat á jarðskjálftavá er einkum háð þremur forsendum,“ segir Benedikt. „Í fyrsta lagi hvar jarðskjálftar verða og hvað þeir geta orðið stórir, í öðru lagi hversu oft jarðskjálftar af ákveðinni stærð verða á hverju svæð, og í þriðja lagi hvernig og hversu mikil áhrif þeirra eru og hve langt þau ná frá jarðskjálftanum sjálfum.“
Benedikt segir að mikil grunnþekking sé til staðar á jarðskjálftavirkni á Íslandi en mælingar hér séu tiltölulega nýhafnar en þær eiga sér aðeins u.þ.b. 30 ára sögu.
„Söguleg jarðskjálftaskrá okkar er í raun bara rúm 100 ár ef við gerum kröfu um talsverða nákvæmni. Við eigum sögulegar heimildir um jarðskjálfta frá upphafi Íslandsbyggðar en á móti kemur að þeim mun lengra aftur í tímann sem við förum þá eykst öll óvissa til muna, sér í lagi hvar og hversu stórir jarðskjálftar urðu. Slíkar jarðskjálftaskrár nýtast einkum í tölfræðilegu mati á jarðskjálftavá, en nýverið bjuggum við til líkan af brotabelti Suðurlands og Reykjaness, sem gerir okkur kleift að nálgast slíkt mat frá eðlisfræðilegum forsendum.“
Benedikt og rannsóknateymi hans hafa nýhafið störf við Evrópuverkefni sem miðar að því að þróa kerfi fyrir sveitarfélög sem greinir á megindlegan hátt seiglu þeirra fyrir náttúruhamförum. „Slík kerfi má í raun og veru þróa fyrir hvaða aðila sem er en í verkefninu eru það sveitarfélög sem áherslan er lögð á og með nákvæmu mati á því kerfi sem þau notast við þegar áföll eiga sér stað má leggja mat á að hve miklu leyti þjónusta þeirra og viðbrögð minnka strax við áföll og hversu hratt hún nær sér aftur á strik.“ MYND/Kristinn Ingvarsson
Hafa þróað sérhæfð líkön fyrir íslenskar aðstæður
Benedikt segir að við Íslendingar eigum ekki til mælingar af jarðskjálftum sem séu stærri en 6,5 og þau fáu líkön sem hafa verið til hafi verið afar takmörkuð fyrir stærri skjálfta sem vitað er að verði á brotabeltunum, allt að 7 að stærð og rétt rösklega það.
„Líkön annars staðar úr heiminum eru óhentug og beinlínis röng því jarðskjálftahreyfingar hér hafa önnur einkenni en almennt þekkjast á öðrum svæðum. Við höfum því búið til nokkur ný líkön af áhrifum íslenskra jarðskjálfta sem nýta sér eðlisfræðilega þekkingu á brothegðun stórra jarðskjálfta og ná því að skorða áhrif stærstu skjálftanna betur.“
Benedikt segir að því til viðbótar megi nefna að slík líkön hafi jafnan ekki tekið mikið tillit til jarðfræðinnar á hverjum stað en það er vel þekkt að undirlagið geti haft mikil áhrif. Sem dæmi nefnir hann fjölda staða hér á landi þar sem ný hraunlög liggi á yfirborði.
„Þótt slíkt sé í raun berg þá er munur á þeim jarðskjálftahreyfingum sem við sjáum ofan á hraunum og með meiri hreyfingu miðað við eldri berggrunn með minni hreyfingu. Mestur munur er síðan á þeim stöðum þar sem um mjúk setlög er að ræða, en þar verða allt að þrisvar sinnum stærri hreyfingar í jarðskjálftum en á hörðu bergi. Nýjustu líkönin okkar hafa varpað nýju ljósi á þessa mynd og nú getum við tekið tillit til áhrifa grunnjarðfræði á Íslandi í mati á jarðskjálftavá. Það er athyglisvert að það sem gerði okkur þetta kleift voru gögnin frá Hveragerði af eftirskjálftum jarðskjálftans í Ölfusi og sú aðferðarfræði sem við þróuðum við úrvinnslu þeirra og beittum síðan á mælingar á mun stærra svæði.“
Og Benedikt hefur sinnt fleiru. Teymi hans hefur einnig verið að rannsaka jarðskjálftahrinur eins og t.d. eftirskjálftahrinur sem verða eftir alla stóra jarðskjálfta og jarðskjálftahrinur í aðdraganda þeirra eins og t.d. fyrir eldgosið í Geldingadölum.
„Við höfum verið að skoða jarðskjálftahrinur út frá gjörólíkum sjónarhornum. Í fyrsta lagi, þegar harðar hrinur eiga sér stað eins og t.d. á Reykjanesi árið 2021 þá getur fjöldi smáskjálfta á hverjum tíma verið það mikill að afar erfitt er að staðsetja með hefðbundnum aðferðum hvar nákvæmlega jarðskjálftarnir verða, en slíkt er afar áríðandi þegar um kvikuhreyfingar er að ræða, eins og sást í aðdraganda gossins í Fagradalsfjalli. Með því að nota nálæg mælafylki getum við hins vegar beitt nýjum aðferðum sem gefa gleggri sýn á jarðskjálftavirknina í rauntíma.“
„Síðan höfum við verið að skoða slíkar hrinur út frá jarðskjálftavá, því hún eykst tímabundið og mismunandi mikið eftir því hvernig hrinunni vindur fram. Við höfum notað tölfræðileg líkön til að meta megindlega hvort hrinur á t.d. Suðurlandi hegði sér allar eins eða ekki. Slík þekking gæti mögulega veitt forspárkerfi jarðskjálfta hagnýtingu, en lágmarkskröfur sem við gerum til slíks kerfis eru þær að óvissan sé tilgreind og því leggjum við áherslu á slíkt mat. Í ljósi formlegs mats á óvissu er það svo hagsmunaaðila á jarðskjálftasvæðum, t.d. Almanavarna, að meta hvort óvissan sé nægjanlega lítil til þess að slíkt kerfi nýtist.“ Benedikt bætir síðan við að „það eina sem við vitum fyrir víst er, að ef við reynum þetta ekki þá mun það örugglega ekki takast.“
Suðurlandsskjálftinn 2008 olli töluverðu tjóni víða á stóru svæði.
Endurmat og endurbætt þekking brýn í jarðskjálftafræði
Til viðbótar má nefna að Benedikt og rannsóknateymi hans hafa nýhafið störf við Evrópuverkefni sem miðar að því að þróa kerfi fyrir sveitarfélög sem greinir á megindlegan hátt seiglu þeirra fyrir náttúruhamförum. „Slík kerfi má í raun og veru þróa fyrir hvaða aðila sem er en í verkefninu eru það sveitarfélög sem áherslan er lögð á og með nákvæmu mati á því kerfi sem þau notast við þegar áföll eiga sér stað má leggja mat á að hve miklu leyti þjónusta þeirra og viðbrögð minnka strax við áföll og hversu hratt hún nær sér aftur á strik.“
Benedikt segir að teymið vinni að auki að því að nýta endurbætur á þekkingu og líkönum sem liggja til grundvallar mati á jarðskjálftavá til að endurmeta hana og ekki síst, að reikna út óvissuna á matinu sjálfu, en slíkt gefi vísindafólkinu hugmynd um það traust sem það ber til matsins.
„Það er ábyrgðarhlutverk okkar sem sérfræðingar að setja fram það besta mat sem við getum gert á hverjum tíma en á sama tíma að viðurkenna fyrir sjálfum okkur og öðrum hversu óviss við erum um það mat. Slíkar upplýsingar eru nauðsynlegar fyrir t.d. hagsmunaaðila á jarðskjálftasvæðum sem nýta sér matið og óvissuna til að rýna þá áhættu sem það gæti þýtt fyrir starfsemi þeirra ef og þegar jarðskjálftar eiga sér stað.“
Safnari að eðlisfari
Benedikt er eins og margir vísindamenn – safnari. Hann er þó ekki áfjáður í að safna frímerkjum eða fyrsta dags umslögum eins og sumir gera heldur gögnum sem geta þegar fram í sækir varpað ljósi á alls kyns þætti um eðli jarðskjálfta. Þegar hann er spurður um mikilvægi rannsókna hugsar hann sig um eitt andartak og svarar svo: „Það er eflaust til einfalt svar við þeirri spurningu en ég mér dettur fyrst í hug reynsla mín af því að allar þessar mælingar sem ég hef safnað eiga það sameiginlegt að hafa fengið mig til að endurskoða, eða skoða betur, það sem ég taldi mig vita um jarðskjálfta, útbreiðslu jarðskjálftabylgna og staðbundna bylgjumögnun vegna jarðlaga og ekki síst almenn jarðskjálftaáhrif. Sú endurskoðun hefur síðan vakið upp nýjar spurningar og leitt af sér fjölmörg rannsóknarverkefni og nýjar rannsóknarniðurstöður.“
Benedikt segir að í stuttu máli megi segja að hagnýting rannsókna felist í því að tryggja það að besta þekking hverju sinni á fræðasviði tæknilegrar jarðskjálftafræði sé notuð við formlegt mat á jarðskjálftavá á Íslandi. „Með öðrum orðum, að geta tilgreint með ásættanlegri nákvæmi hvaða líkur á jarðskjálftahreyfingum séu til fyrir hvern stað á landinu, sér í lagi þá staði sem eru í eða við þekkt jarðskjálftasvæði. Slíkt er forsenda mannvirkjahönnunar m.t.t. jarðskjálfta, og forsenda mats á áhættu eða líkum á tjóni í jarðskjálftum.“
Vill auka öryggi fólks og mannvirkja í jarðskjálftum
Rannsóknir Benedikts eru það sem kallað er grunnrannsóknir sem munu nýtast fyrst og fremst í framtíðinni. Þær miða allar að því á endanum að auka öryggi fólks í jarðskjálftum.
„Með betri skilgreiningu á jarðskjálftavá og óvissu hennar má segja að við séum að stuðla að skilvirkari mannvirkjahönnun og þar með skilvirkari áhættustýringu. Þá hafa rannsóknir sem ég hef leitt veitt fjölda fólks atvinnu og eru konur rúmlega helmingur þess sem er afar ánægjulegt þar sem það eykur þátttöku þeirra í rannsóknum á þessu sviði. Niðurstöður rannsóknanna hafa líka leitt af sér óbeint önnur verkefni sem þetta fólk vinnur að og þannig leggur yngra fólkið, ásamt okkur sem reyndari erum, sitt af mörkum við stöðuga uppbyggingu nýrrar þekkingar. Það er að mínu mati heppilegasta samsetning rannsóknarhópa, sér í lagi þegar um þverfræðilegar rannsóknir er að ræða, og er alveg gríðarlega skemmtilegt og gefandi starf.“
