Pakkasjäristykset: Uusi maanjäristysvaara pohjoisessa?

Pakkasjäristykset ovat seismisiä tapahtumia, jotka johtuvat maaperässä olevan veden nopeasta jäätymisestä. Ne ovat yleisimpiä talven ääriolosuhteissa, jolloin märkä, lumeton maanpinta jäätyy nopeasti eli sateita seuraa raju pakastuminen.

Talvella lumesta puhdistetut tiet ja muut paljaat alueet ovat erityisen alttiita pakkasjäristyksille. ”Aiemmin ajateltiin, että tiet myös ovat pakkasjäristyksen päälähde. Ennalta-arvaamatonta uudessa tutkimuksessamme oli soiden ja ojien merkitys. Havaitsimme, että pakkasjäristysten eli jääjäristysten päälähteet ovatkin soilla, kosteikoilla ja alueilla, joilla on korkea pohjaveden pinta tai muut paikat, minne vesi kertyy”, sanoo Oulun yliopiston geofysiikan professori Elena Kozlovskaya.

Kun märässä maassa oleva vesi jäätyy ja laajenee nopeasti, aiheutuu maahan repeämiä, järistyksiä ja paukahduksia. Pakkasjäristykset eli kryoseismit tuntuvat, kuuluvat ja ovat verrattavissa muihin seismisiin tapahtumiin, kuten kaukaisempiin maanjäristyksiin, kaivostuotannon räjäytyksiin ja tavarajunien tärinään. Pakkasjäristykset ovat tunnettu ilmiö ikirouta-alueilla.

EGUsphere-tiedelehdessä julkaistu uusi tutkimus on ensimmäinen soveltava tutkimus suo- ja kosteikkoalueilta peräisin olevista seismisistä tapauksista. Oulun yliopiston ja Geologian tutkimuskeskuksen (GTK) tutkijat osoittivat, että pakkasjäristykset voivat vastata ylimmässä jäätyneessä pintakerroksessa jopa viiden senttimetrin paksuudelta esiintyvää murtumaa. Repeämät voivat ulottua syvemmälle ja vahingoittaa infrastruktuuria, kuten rakennuksia, kellareita, putkistoja ja teitä.

”Ilmastonmuutoksen myötä sään nopeat vaihtelut ovat tuoneet pakkasjäristykset laajemmin esille, ja ne voivat yleistyä. Vaikka niiden voimakkuus on yleensä vähäinen, Oulun Talvikankaalla vuonna 2016 sattui voimakkaiden järistysten sarja, joka rikkoi teitä, ja oli lähtölaukaus tutkimuksillemme. Pakkasjäristykset koskevat pohjoisia alueita kansainvälisesti, mutta niitä on tutkittu vielä vähän”, Oulun yliopiston erikoistutkija Kari Moisio kertoo. Yleensä talvella lumihanki suojaa maanpintaa kylmältä. Lumen sulaessa pois vaihtelevien säiden mukana, maa altistuu pakkaselle.

Tutkijat asensivat talven 2022–2023 ajaksi Pohjois-Suomeen kaksi maanjäristyksiä mittaavaa seismistä asemaverkkoa, toisen Ouluun ja toisen Sodankylään. Verkot tallensivat seismistä signaaleja ja lisäksi maaperän lämpötilatietoa. Paikalliset asukkaat raportoivat tutkijoille maan tärinästä ja epätavallisista äänistä, joiden ajankohdista tutkijat tunnistivat pakkasjäristyksiä sekä havaitsivat lämpötilan nopeita laskuja. Olosuhteet järistykselle ovat otollisia, kun lämpötila laskee yhden asteen tuntivauhdilla noin parikymmentä astetta.

Talvikankaan asuinalueen lähellä on paljon soita, missä pakkasjäristysten päälähteet havaittiin. Sodankylässä pakkasjäristykset johtuivat lisäksi Kitisenjoen jään murtumisesta. ”Pakkasjäristyksiä on sattunut usein tammikuussa, mutta muutkin ajat ovat mahdollisia”, Moisio sanoo.

Pakkasjäristyksissä maan seismisillä pinta-aalloilla on suuret kiihtyvyydet jopa satojen metrien etäisyyksillä. ”Pakkasjäristysten liikkeet näyttävät tapahtuvan soita ja ojia myöten eli ne johtavat järistyksiä”, Kozlovskaya kuvaa. Soita ja ojituksia on paljon myös asuinalueiden ympärillä. Tutkijoiden mukaan ojien merkitys pitäisi mallintaa GTK:lla parhaillaan kehitettävän mallinnusmenetelmän avulla. ”Järistyksiä on rekisteröity useilla havaintoasemilla, ja olisi tärkeää kartoittaa tarkemmin, kuinka yleisiä ne ovat”, Kozlovskaya tiivistää.

Tutkimusten avulla pakkasjäristyksille alttiit riskialueet voidaan tunnistaa, mikä auttaa varautumaan ja suojamaan rakennettua ympäristöä järistyksiltä. Oulun yliopiston ja GTK:n tutkijoiden tavoitteena on luoda järjestelmä, joka voisi ennustaa pakkasjäristyksiä maaperäaineiston ja satelliittidatan pohjalta.

Urban environment and climate change in the arctic: data-driven intelligence approach to multihazard mitigation (ADAPTINFA) -tutkimusprojektissa mukana on tutkijoita Oulun yliopiston kaivannaisalan tutkimusyksiköstä ja biomimetiikka ja älykkäät järjestelmät -tutkimusyksiköstä sekä GTK:sta.

Tutkimusjulkaisu: Afonin, N., Kozlovskaya, E., Moisio, K., Kokko, E.-R., and Okkonen, J.: Frost quakes in wetlands in northern Finland during extreme winter weather conditions and related hazard to urban infrastructure, EGUsphere, 2023 [preprint], https://doi.org/10.5194/egusphere-2023-1853. Julkaisu on parhaillaan kansainvälisen tutkimusyhteisön kommentoitavissa.