Macroseismology as a Component of Seismicity Assessments in an Intraplate Region: Studies of Northern Europe with Emphasis on Finland

This work focuses on the role of macroseismology in the assessment of seismicity and probabilistic seismic hazard in Northern Europe. The main type of data under consideration is a set of macroseismic observations available for a given earthquake. The macroseismic questionnaires used to collect earthquake observations from local residents since the late 1800s constitute a special part of the seismological heritage in the region. Information of the earthquakes felt on the coasts of the Gulf of Bothnia between 31 March and 2 April 1883 and on 28 July 1888 was retrieved from the contemporary Finnish and Swedish newspapers, while the earthquake of 4 November 1898 GMT is an example of an early systematic macroseismic survey in the region. A data set of more than 1200 macroseismic questionnaires is available for the earthquake in Central Finland on 16 November 1931. Basic macroseismic investigations including preparation of new intensity data point (IDP) maps were conducted for these earthquakes. Previously disregarded usable observations were found in the press. The improved collection of IDPs of the 1888 earthquake shows that this event was a rare occurrence in the area. In contrast to earlier notions it was felt on both sides of the Gulf of Bothnia. The data on the earthquake of 4 November 1898 GMT were augmented with historical background information discovered in various archives and libraries. This earthquake was of some concern to the authorities, because extra fire inspections were conducted in three towns at least, i.e. Tornio, Haparanda and Piteå, located in the centre of the area of perceptibility. This event posed the indirect hazard of fire, although its magnitude around 4.6 was minor on the global scale. The distribution of slightly damaging intensities was larger than previously outlined. This may have resulted from the amplification of the ground shaking in the soft soil of the coast and river valleys where most of the population was found. The large data set of the 1931 earthquake provided an opportunity to apply statistical methods and assess methodologies that can be used when dealing with macroseismic intensity. It was evaluated using correspondence analysis. Different approaches such as gridding were tested to estimate the macroseismic field from the intensity values distributed irregularly in space. In general, the characteristics of intensity warrant careful consideration. A more pervasive perception of intensity as an ordinal quantity affected by uncertainties is advocated. A parametric earthquake catalogue comprising entries from both the macroseismic and instrumental era was used for probabilistic seismic hazard assessment. The parametric-historic methodology was applied to estimate seismic hazard at a given site in Finland and to prepare a seismic hazard map for Northern Europe. The interpretation of these results is an important issue, because the recurrence times of damaging earthquakes may well exceed thousands of years in an intraplate setting such as Northern Europe. This application may therefore be seen as an example of short-term hazard assessment.

Om makroseismologins roll vid studiet av Fennoskandias seismicitet Denna avhandling fokuserar på makroseismologi. Den utgör del av icke-instrumentell seismologi som sysslar med skriftliga dokument om jordskalvseffekterna i synnerhet i bebyggd miljö. Makroseismiska iakttagelser omspänner tidsmässigt betydligt längre perioder än instrumentella registreringar. Den makroseismiska undersökningens uppgift är att söka skriftliga källor om jordskalv i forntid och textkritiskt bearbeta väsentlig information ur diverse arkivfynd. Jordstötarna mellan den 31 mars och 2 april 1883 samt den 28 juli 1888 väckte uppmärksamhet i Österbotten och Västerbotten. Alla tillgängliga uppgifter om dessa skalv insamlades ur dåtidens dagspress och utarbetades till kartor som visar var intensiteten var störst och hur den avtog i olika riktningar. (Makroseismisk) intensitet är ett mått på effekternas styrka och måste skiljas från begreppet magnitud, som är unikt för varje jordskalv. Året 1888 var det påverkade området mera vidsträckt än man tidigare trott. Det omfattade båda sidorna av norra Bottenhavet. Jordskalvet den 5 november 1898 (lokal tid) är ett exempel på en tidig systematisk makroseismisk utredning i Norden: särskilda frågeformulär distribuerades till befolkningen i norra Sverige och Finland för att insamla observationer. Dessa meddelanden kompletterades med tidningsnotiser samt geofysikaliska och historiska fakta om området. Skalvet förorsakade skador i murar kring norra Bottenviken, och extra brandbesiktningar förrättades åtminstone i Torneå, Haparanda och Piteå. I Torneå pågick brandbesiktning i tre dagar och visade att sprickor och brott hade uppstått i 11% av skorstenarna i staden. Den indirekta risken för eldsvådor fanns trots att skalvets magnitud var omkring 4.6 det vill säga lindrig magnitud på världsskalan. Stark jordskakning förekom på ett större område än vad en äldre karta utvisar. Detta ger anledning till att flytta skalvets epicentrum västerut. Det kan ha varit beläget i Tornedalen. Skakningen kan ha tilltagit i styrka i lösa jordarter vid kusten och älvstränder där de flesta iakttagarna var bosatta. Ett stort antal makroseismiska frågeblanketter – ca 1200 – insamlades strax efter jordskalvet i mellersta Finland den 16 november 1931. Statistiska metoder tillämpades på materialet för att så objektivt som möjligt estimera vilka intensiteter som förekommit på olika orter och för att avgränsa områden med olika intensitet från varandra. Kring sekelskiftet för ett hundra år sedan utgjorde Finlands omnejd en mera högseismisk region än nuförtiden, så en imponerande mängd naturföreteelser kan studeras med hjälp av makroseismologi. Dock framgår ingen slutgiltig uppfattning om de allra kraftigaste jordbävningarna som där inträffade.

Tämä työ kohdistuu makroseismologiaan. Se on ei-instrumentaalisen seismologian osa, joka tutkii kirjallisia merkintöjä maanjäristysten vaikutuksista etenkin rakennettuun ympäristöön. Makroseismiset havainnot ulottuvat ajassa paljon kauemmas taaksepäin kuin laiterekisteröinnit. Alan tutkimukseen kuuluu menneisyyden maanjäristyksiä käsittelevien tietolähteiden hakeminen ja käyttökelpoisten tietojen kokoaminen erilaisista arkistolöydöistä tekstikriittisen analyysin avulla. Maaliskuun 31. ja huhtikuun 2. päivän välillä 1883 sekä 28. heinäkuuta 1888 Pohjanlahden rannikoilla huomiota herättäneistä maanjäristyksistä tehtiin makroseisminen perustutkimus. Kaikki saatavilla oleva tieto koottiin ajankohtien lehdistöstä ja työstettiin kartoiksi, joista käy ilmi, missä intensiteetti oli suurimmillaan ja miten se vaimeni eri suuntiin. (Makroseisminen) intensiteetti kuvaa järistysvaikutusten voimakkuutta ja eroaa tyystin magnitudista, joka on ainutkertainen kullekin maanjäristykselle. Vuonna 1888 järistyksen tuntuvuusalue oli laajempi kuin aikaisemmin on arveltu, sillä se käsitti pohjoisen Pohjanlahden molemmat rannikot. Maanjäristys 5. marraskuuta 1898 (paikallista aikaa) on esimerkkinä varhaisesta järjestelmällisestä makroseismisestä selvityksestä Pohjolassa: tuntuvuushavaintoja kerättiin tuolloin asukkailta erityisillä kyselykaavakkeilla. Tässä työssä näitä tiedonantoja täydennettiin sanomalehtien uutisilla sekä geofysikaalisilla ja historiallisilla taustatiedoilla alueesta. Järistys vaurioitti muureja Perämeren pohjukassa, minkä vuoksi ylimääräisiä palotarkastuksia toimitettiin ainakin Torniossa, Haaparannassa ja Piitimessä. Torniossa palotarkastus vei kolme päivää, ja rakoilua ja halkeamia löytyi 11 prosentista kaupungin savupiipuista. Tulipalot olivat epäsuora järistysuhka, vaikka järistyksen magnitudi oli suuruusluokkaa 4.6, eli vähäinen maailman mittakaavassa. Voimakasta maanliikettä esiintyi laajemmalla alueella kuin aikaisemman kartan mukaan. Tämän vuoksi on aiheellista siirtää järistyskeskusta länteen päin. Se saattoi sijaita Tornionjokilaaksossa. Tärinä saattoi voimistua irtonaisissa maalajeissa rannikolla ja jokivarsilla, missä suurin osa havaitsijoista asui. Keski-Suomessa 16. marraskuuta 1931 sattuneesta maanjäristyksestä on saatavilla tuota pikaa sen jälkeen kerätty suuri havaintoaineisto, noin 1200 kyselylomaketta. Aineistoon sovellettiin tilastollisia menetelmiä, jotta voitiin arvioida mahdollisimman objektiivisesti, kuinka suuria intensiteettejä esiintyi eri paikoissa ja rajata eri intensiteetin alueita toisistaan. Vuosisadan vaihteessa satakunta vuotta sitten Suomen lähialueiden seismisyystaso oli korkeampi kuin nykyään, joten makroseismologian keinoin voidaan tutkia vaikuttavia seismisyysilmiöitä. Tietojen perusteella ei kuitenkaan saavuteta käsitystä seudun kaikkein voimakkaimmista maanjäristyksistä.