Seismogenic zones and attenuation laws for probabilistic seismic hazard assessment in low deformation area

Abstract

Seismic Hazard Analysis (PSHA), rather than the subjective methodologies that are currently used. This study focuses particularly in the definition of the seismic sources, through the seismotectonic zoning, and the determination of historical earthquake location. An important step in the Probabilistic Seismic Hazard Analysis consists in defining the seismic source model. Such a model expresses the association of the seismicity characteristics with the tectonically-active geological structures evidenced by seismotectonic studies. Given that most of the faults, in low seismic regions, are not characterized well enough, the source models are generally defined as areal zones, delimited with finite boundary polygons, within which the seismicity and the geological features are deemed homogeneous (e.g., focal depth, seismicity rate). Besides the lack of data (short period of instrumental seismicity), such a method generates different problems for regions with low seismic activity: 1) a large sensitivity of resulting hazard maps to the location of zone boundaries, while these boundaries are set by expert decisions; 2) the zoning cannot represent any variability or structural complexity in seismic parameters; 3) the seismicity rate is distributed throughout the zone and the location of the determinant information used for its calculation is lost. We investigate an alternative approach to model the seismotectonic zoning, with three main objectives: 1) obtaining a reproducible method that 2) preserves the information on the sources and extent of the uncertainties, so as to allow to propagate them (through Ground Motion Prediction Equations on to the hazard maps), and that 3) redefines the seismic source concept to debrief our knowledge on the seismogenic structures and the clustering. To do so, the Bayesian methods are favored. First, a generative model with two zones, differentiated by two different surface activity rates, was developed, creating synthetic catalogs drawn from a Poisson distribution as occurrence model, a truncated Gutenberg-Richter law as magnitudefrequency relationship and a uniform spatial distribution. The inference of this model permits to assess the minimum number of data, nmin, required in an earthquake catalog to recover the activity rates of both zones and the limit between them, with some level of accuracy. In this Bayesian model, the earthquake locations are essential. Consequently, these data have to be obtained with the best accuracy possible. The main difficulty is to reduce the location uncertainty of historical earthquakes. We propose to use the method of Bakun and Wentworth (1997) to reestimate the epicentral region of these events. This method uses directly the intensity data points rather than the isoseismal lines, set up by experts. The significant advantage in directly using individual intensity observations is that the procedures are explicit and hence the results are reproducible. The results of such a method provide an estimation of the epicentral region with levels of confidence appropriated for the number of intensity data points used. As example, we applied this methodology to the 1909 Benavente event, because of its controversial location and the particularly shape of its isoseismal lines. A new location of the 1909 Benavente event is presented in this study and the epicentral region of this event is expressed with confidence levels related to the number of intensity data points. This epicentral region is improved by the development of a new intensity-distance attenuation law, appropriate for the Portugal mainland. This law is the first one in Portugal mainland developed as a function of the magnitude (M) rather than the subjective epicentral intensity (Muñoz, 1974, Martin 1984; Lopez Casado et al. 1992; Sousa and Oliveira, 1997; Lopez Casado et al., 2000). From the logarithmic regression of each event, we define the equation form of the attenuation law. We obtained the following attenuation law: I=−1.9438 ln(D)+4.1Mw−9.5763 for 4.4 ≤ Mw ≤ 6.2 Using these attenuation laws, we reached to a magnitude estimation of the 1909 Benavente event that is in good agreement with the instrumental one. The epicentral region estimation was also improved with a tightening of the confidence level contours and a minimum of rms[MI] coming closer to the epicenter estimation of Kárník (1969). Finally, this two zone model will be a reference in the comparison with other models, which will incorporate other available data. Nevertheless, future improvements are needed to obtain a seismotectonic zoning. We emphasize that such an approach is reproducible once priors and data sets are chosen. Indeed, the objective is to incorporate expert opinions as priors, and avoid using expert decisions. Instead, the products will be directly the result of the inference, when only one model is considered, or the result of a combination of models in the Bayesian sense; ### Zonas sismogénicas e leis de atenuação para a análise probabilística da perigosidade sísmica em regiões de baixa deformação Resumo: O objetivo desta tese é de apresentar metodologias reprodutíveis na estimação probabilística da perigosidade símica (PSHA), em vez das metodologias subjetivas que são usadas atualmente. Este estudo concentra-se particularmente na definição das fontes sísmicas, através do zonamento sismotectónico, e a localização de sismos históricos. Uma etapa importante na estimação do PSHA é a de definir o modelo de fonte sísmica. Este modelo reflete a associação das características de sismicidade com as estruturas tectónicas ativas, evidenciada pelos estudos sismotectónicos. Dado que a maioria das falhas em regiões de baixa sismicidade não estão suficientemente bem caracterizadas, os modelos de fonte são geralmente definidos como zonas de fonte polígonais delineadas por limites finitos, dentro dos quais a actividade sísmica e as características geológicas são consideradas homogéneas (por exemplo, a profundidade focal e a taxa de sismicidade). Para além da falta de dados (curto período de sismicidade instrumental), este método cria diferentes problemas para as zonas de baixa sismicidade: 1) uma elevada sensibilidade dos mapas de perigosidade nos limites das áreas, sendo que estes limites são feitos por decisão de peritos; 2) o zonamento não representa a variabilidade ou a complexidade estrutural dos parâmetros sísmicos; 3) a taxa de atividade sísmica é distribuída para toda a área e perde-se a localização da informação crítica utilizada para o seu cálculo . Propomos um método alternativo para o modelo de zonamento sismotectónico, com três objetivos principais: 1) obter um método reprodutível que 2) preserve as fontes de informação e incerteza, de maneira a propagá-los (através das equações de predição do movimento do solo e dos mapas de perigosidade) e que 3) redefine o conceito de fonte sísmica para questionar o nosso conhecimento acerca das estruturas sismogénicas. Neste sentido, os métodos Bayesianos são previlegiados. Foi desenvolvido um modelo generativo com duas zonas, diferenciadas por duas taxas de atividade sísmica, criando catálogos sintéticos derivados de uma distribuição de Poisson (modelo de ocorrência), de uma lei de Gutenberg-Richter truncada (relação magnitude-frequência) e de uma distribuição espacial uniforme de epicentros. A inferência deste modelo permite-nos estimar o número mínimo de dados, nmin, exigido num catálogo de sismicidade para estimar com um certo nível de precisão a taxa de atividade sísmica de cada zona e a respectiva fronteira. Neste modelo Bayesiano a localização dos sismos é crucial. É, por isso, fundamental obter estes dados com a maior precisão possível. A principal dificuldade reside na redução da incerteza na localização dos sismos históricos. Propomos a utilização do método de Bakun e Wentworth (1997 ) para re-estimar a região epicentral destes eventos. Este método usa diretamente dados pontuais da intensidade em vez das isossistas desenhadas por peritos. A vantagem significativa da utilização directa dos dados pontuais de intensidade é a clareza do processo e a reprodutibilidade dos resultados. Os resultados deste método produzem uma estimativa do epicentro associado a níveis de confiança apropriadas para o número de dados utilizados. Como exemplo, aplicámos esta metodologia ao terramoto de Benavente (1909) devido à sua controversa localização e à forma particular das suas isossistas. Deste estudo resultou uma nova localização do sismo de Benavente em que o epicentro deste evento é expresso com níveis de confiança que estão relacionados com o número de dados de intensidade. A localização epicentral foi melhorado pelo desenvolvimento de uma nova lei de atenuação, adequado para Portugal continental. Esta lei é a primeira desenvolvida em termos de magnitude, em vez da subjetiva intensidade epicentral proposta por outros autores (Muñoz, 1974, Martin 1984; Lopez Casado et al. 1992; Sousa and Oliveira, 1997; Lopez Casado et al., 2000). A partir da regressão logarítmica de cada evento, obtivemos a lei de atenuação seguinte: I=−1.9438 ln(D)+4.1Mw−9.5763 para 4.4 ≤ Mw ≤ 6.2 Usando estas leis de atenuação, chegamos a uma estimativa da magnitude do sismo ocorrido em Benavente em 1909, que é semelhante à que foi obtida por via instrumental (Mw = 6.0). A estimativa da zona epicentral foi também melhorada com um aperto dos contornos de nível de confiança e um mínimo de rms [MI] que aproximando-se da estimativa epicentral obtida por Karnik (1969) à partir de dados instrumentais. Finalmente, este modelo de duas zonas será uma referência na comparação com outros modelos, que irão incorporar outros dados disponíveis no sentido de obter um melhor zonamento sismotectónico. Insistimos que esta abordagem é reprodutível, a partir do momento que a informação a priori e os dados são selecionados. Com efeito, foi feito um esforço para incorporar as opiniões de peritos como informação a priori, evitando, deste modo, o uso de decisões dos mesmos. Os resultados finais são directamente uma consequência de uma inferência, quer quando se considera um único modelo, quer quando se considera uma combinação dos modelos no sentido Bayesiano; Zones sismogéniques et lois d'atténuation pour l'évaluation de l'aléa sismique probabiliste dans les régions à déformation lente Résumé: L'objectif de cette thèse est d'introduire des méthodologies reproductibles dans le calcul d'aléa sismique probabiliste (PSHA), plutôt que les méthodologies subjectives qui sont actuellement utilisées. Cette étude se concentre particulièrement sur la définition des sources sismiques, à travers le zonage sismotectonique, et la détermination de la localisation des séismes historiques. Une étape importante de l'estimation probabiliste du l'aléa sismique (PSHA) consiste à définir le modèle de source sismique. Un tel modèle reflète l'association des caractéristiques de sismicité avec les structures de tectonique active, mise en évidence par les études sismotectoniques. Étant donné que la plupart des failles, dans les régions peu sismiques, ne sont pas assez bien caractérisées, les modèles de source sont généralement définies comme des zones-sources, délimitées avec des polygones à limites finies, à l'intérieur desquels la sismicité et les caractéristiques géologiques sont considérées homogènes (ex: profondeur focale, taux de sismicité). En plus du manque de données (courte période de sismicité instrumentale), une telle méthode génère différents problèmes pour des régions à faible sismicité: 1) une grande sensitivité des cartes d'aléa au niveau des limites de zones, alors que ces limites sont réalisés par des décisions d'experts; 2) le zonage ne permet pas de représenter la variabilité ou la complexité structurelle dans les paramètres sismiques; 3) le taux de sismicité est distribué à travers la zone et on perd la localisation de l'information déterminante qui a été utilisé pour son calcul. Nous proposons une méthode alternative pour modéliser le zonage sismotectonique, avec trois principaux objectifs: 1) obtenir une méthode reproductible qui 2) préserve l'information sur les sources et ses incertitudes, de façon à les propager (à travers les équations de prédiction du mouvement du sol, puis dans les cartes d'aléa) et qui 3) redéfini le concept de source sismique pour questionner nos connaissances sur les structures sismogènes. Dans ce but, les méthodes bayésiennes sont privilégiées. Un modèle génératif avec deux zones, différenciées par deux taux d'activité sismique surfacique différents, a été développé, créant des catalogues synthétiques tirés d'une distribution de Poisson comme modèle d'occurrence, d'une loi de Gutenberg-Richter tronquée comme relation magnitude-fréquence et une distribution spatiale uniforme. L'inférence de ce modèle nous permet d'estimer le nombre minimum de données, nmin, requis dans un catalogue de sismicité pour retrouver le taux d'activité de chacune des zones et la limite entre elles, avec un certain niveau de précision. Dans ce modèle bayésien, la localisation des séismes est primordiale. Par conséquent, nous devons obtenir ces données avec la meilleure précision possible. La difficulté principale réside dans la réduction de l'incertitude liée à la localisation des séismes historiques. Nous proposons d'utiliser la méthode de Bakun and Wentworth (1997) pour ré-estimer la région épicentrale de ces évènements. Cette méthode utilise directement les points de données d'intensité plutôt que les isoséismes, réalisés par des experts. L'avantage significatif de l'utilisation directe des points de données d'intensité est que la démarche est explicite et que les résultats sont reproductibles. Les résultats d'une telle méthode donnent une estimation de la région épicentrale avec des niveaux de confiance qui sont appropriés pour le nombre de points d'intensité utilisés. Comme exemple, nous avons appliqué cette méthodologie au séisme de Benavente (1909), en raison de sa localisation controversée et de la forme particulière de ses isoséimes. Une nouvelle localisation du séisme de Benavente a été présentée dans cette étude. La région épicentrale de cette évènement est exprimée avec des niveaux de confiance qui sont reliés au nombre de points de données d'intensité. Cette région épicentrale a été améliorée par le développement d'une nouvelle loi d'atténution, appropriée pour le Portugal continental. Cette loi est la première développée en fonction de la magnitude plutôt qu'en fonction de l'intensité épicentrale (Muñoz, 1974, Martin 1984; Lopez Casado et al. 1992; Sousa and Oliveira, 1997; Lopez Casado et al., 2000). À partir de la régression logarithmique de chaque évènement, nous avons obtenu la loi d'atténuation suivante: I=−1.9438 ln(D)+4.1Mw−9.5763 pour 4.4 ≤ M w≤ 6.2 En utilisant ces lois d'atténuation, nous atteignons une estimation de magnitude pour le séisme de Benavente (1909) qui est en accord avec la magnitude instrumentale. L'estimation de la région épicentrale a aussi été amélioré, avec un resserrement des contours de niveau de confiance et un minimum de rms[MI] se rapprochant de l'estimation d'épicentre de Kárník (1969). Finallement, ce modèle deux zones sera une référence dans la comparaison avec d'autres modèles, qui incorporerons d'autres données disponibles. Cependant, des améliorations futures sont nécessaires pour obtenir un zonage sismotectonique. Nous insistons sur le fait qu'une telle approche est reproductible, à partir du moment où les informations a priori et les données sont choisis. En effet, nous nous efforcerons d'incorporer les opinions d'experts comme information a priori, en évitant d'utiliser les décisions d'experts. Les résultats finaux seront directement le résultat de l'inférence, quand un seul modèle est considéré, ou le résultat d'une combinaison de modèles, au sens bayésien.