Simulación de escenarios sísmicos mediante un sistema de información geográfica para la Península Ibérica, las Islas Baleares y las Islas Canarias, considerando el efecto de sitio y las dimensiones y características de la fuente sísmica

摘要

En esta tesis doctoral se presentan los resultados obtenidos en las simulaciones de escenarios sísmicos en la Península Ibérica, las Islas Baleares y las Islas Canarias, para terremotos de alta magnitud (> 4,5), en base a dos aproximaciones diferenciadas a los valores sintéticos realistas de la aceleración sísmica y de la intensidad sísmica. En el cálculo de estos valores, se han considerando tanto las características de la fuente sísmica como la amplificación sísmica del terreno, o efecto de sitio, con diferentes grados de precisión en función del nivel de aproximación. La primera aproximación al cálculo del escenario sísmico de un terremoto considera una fuente sísmica puntual y la capacidad de amplificación sísmica de los materiales aflorantes, expresada en un mapa de amplificación sísmica del territorio. Se ha utilizado la metodología de Borcherdt (1994) para generar un mapa de amplificación de la Península Ibérica y las Islas Baleares y un mapa de amplificación de las Islas Canarias, a partir de la clasificación de las unidades geológicas en 6 clases de emplazamiento caracterizadas por un factor de amplificación para altas frecuencias y un factor de amplificación para bajas frecuencias. En el contexto de la simulación de escenarios en la Península Ibérica y las Islas Baleares, se han seleccionado 5 relaciones de atenuación que permiten calcular la aceleración pico del terreno (Peak Ground Acceleration, PGA). En las Islas Canarias, se han utilizado las PGA registradas por el Instituto Geográfico Nacional (IGN) en la isla de El Hierro en tres crisis sísmicas ocurridas entre 2011 y 2013, como consecuencia del reciente proceso de reactivación volcánica en la isla, con objeto de comprobar el ajuste proporcionado por 13 modelos de atenuación en PGA. Como resultado, se han seleccionado 3 relaciones de atenuación óptimas en función de la magnitud del terremoto y de la escala de trabajo. La simulación de escenarios sísmicos en primera aproximación se ha realizado automáticamente por medio de una herramienta (plugin) de desarrollo del Sistema de Información Geográfica QGIS, para producir mapas de sacudidas con los valores sintéticos realistas de la PGA. Los cálculos realizados con cada modelo de atenuación incorporan el factor de amplificación para altas frecuencias procedente de los mapas de amplificación y, opcionalmente, las aceleraciones máximas horizontales (AMH) registradas (cm/s2) en los acelerómetros con registro para el terremoto en estudio. De acuerdo con la metodología de Wald et al. (1999b), la herramienta corrige las AMH observadas al terreno de referencia en el que se expresan las PGA calculadas con la relación de atenuación elegida, y realiza una interpolación conjunta de los valores de AMH y de PGA sintéticas, correspondientes al mismo nivel de referencia. Los valores interpolados son multiplicados por los factores de amplificación del mapa de amplificación, generándose como resultado el mapa de PGA sintéticas que constituye el mapa de sacudidas. Se ha utilizado el plugin para simular los escenarios sísmicos de los terremotos de 11-05-2011 en Lorca, con Mw 5,1, y de 31-03-2013 al W de El Hierro, con Mw 4,9. Utilizando cada modelo de atenuación, se han producido mapas de sacudidas que se han utilizado posteriormente para comprobar la bondad de los valores de la PGA sintética, a partir de su comparación con los registros de AMH disponibles. En ambos casos se observa que, en general, los valores sintéticos de PGA se aproximan a las observaciones de AMH conforme el nivel del movimiento del terreno disminuye hasta valores del orden de 10 cm/s2. En Lorca, se concluye que los modelos de atenuación con una definición de PGA acorde con la definición de la AMH consiguen un ajuste a las observaciones que es sensiblemente mejor que el ajuste proporcionado por el resto de los modelos. En este sentido, para el citado orden de magnitud del movimiento del terreno, se obtienen diferencias menores que 4,9 cm/s2. En un segundo nivel de aproximación, la simulación de escenarios sísmicos se ha realizado por medio de la simulación estocástica de acelerogramas sintéticos, bajo la consideración de una fuente sísmica extensa. Esta simulación, que se ha realizado por medio del algoritmo EXSIM (Motazedian y Atkinson, 2005), requiere un conocimiento más preciso de las características de la atenuación del medio de propagación de las ondas sísmicas y de la amplificación sísmica de las capas más superficiales. La reactivación volcánica ocurrida en la isla de El Hierro ha proporcionado un gran número de registros acelerométricos que permiten la calibración del algoritmo de simulación estocástica. Con objeto de preparar las variables de entrada del mismo, se ha estimado la amplificación sísmica local en 25 emplazamientos distribuidos en la isla, a partir de modelos de velocidad de onda de corte (Vs) en los primeros 30 m de profundidad, obtenidos en cada punto por medio del procesado de medidas de ruido sísmico ambiental por medio del método Refraction Microtremor (ReMi). Además, se ha estimado la atenuación anelástica de la litosfera regional en las Islas Canarias a partir del análisis de las ondas de coda registradas por la red sísmica del IGN, incluyendo los datos digitales proporcionados por las nuevas estaciones de banda ancha desplegadas en las últimas décadas. Como resultado, se ha obtenido la regionalización de los parámetros Qo y v que expresan la dependencia frecuencial del factor de calidad Q. Por medio del algoritmo EXSIM, se han simulado los acelerogramas sintéticos del terremoto de 31-03-2013 en las dos estaciones acelerométricas de El Hierro que obtuvieron registro para este terremoto. El ajuste de los espectros de respuesta en pseudoaceleración simulados a los espectros observados en las estaciones ha permitido obtener una función empírica de la amplificación de la corteza para la isla. Esta función se ha implementado en el algoritmo con el fin de calcular el movimiento fuerte en términos de la velocidad máxima del terreno, PGV, en las poblaciones en las que el terremoto ha sido sentido con intensidad EMS-98 superior a II. Por medio de la correlación de Atkinson y Kaka (2007), se han obtenido las intensidades sintéticas en la escala EMS-98 a partir de los valores de PGV. La semejanza encontrada entre estas intensidades y las correspondientes intensidades observadas permite plantear la validez de esta simulación en el cálculo de escenarios sísmicos en El Hierro. ----------ABSTRACT---------- This PhD thesis presents the results obtained after carrying out several simulations for seismic scenarios for Mw > 4.5 earthquakes occurred in the Iberian Peninsula, the Balearic Islands and the Canary Islands, following two different levels of approximation to realistic synthetic values of both the seismic acceleration and the seismic intensity. Seismic source characteristics, as well as the site amplification (site effect), have been considered with different degrees of precision depending on the approximation level sought. First approximation to the computation of a single earthquake seismic scenario considers a seismic point source and the seismic amplification capacity of outcropping materials, which is given by a site amplification map fo the area. The methodology of Borcherdt (1994) has been used to produce a site amplification map of the Iberian Peninsula and the Balearic Islands and a site amplification map of the Canary Islands. The production of these maps have implied the classification of geological units into six site classes characterized by both high-frequency and lowfrequency amplification factors. In the context of the seismic scenario simulations in the Iberian Peninsula and the Balearic Islands, 5 attenuation relationships, suitable to compute the Peak Ground Acceleration (PGA) for a particular earthquake, have been selected. A set of PGA recorded by the Geographical Institute of Spain (IGN) in El Hierro Island (Canary Islands), during three seismic crisis occurred between 2011 and 2013 due to the recent volcanic reactivation process on the island, has been used to analize 13 PGA attenuation models, testing the data fit provided by the synthetics from each model. As a result, 3 attenuation relationships have been selected for use in the archipelago, depending on the earthquake magnitude and working scale. Seismic scenario simulation under first approximation has been automatically carried out by means of a developing tool (plugin) of the QGIS Geographical Information System, with the aim of producing maps of realistic synthetic values of the Peak Ground Acceleration. Acceleration calculations for each attenuation model consider the high-frequency site amplification factor, given by the site amplification maps, and, optionally, the peak horizontal acceleration values (in cm/s2) which have been yet recorded at ground motion stations detecting the study eathquake. According to the methodology of Wald et al. (1999b), the plugin corrects the recorded accelerations to the reference site characterizing the PGA calculated by the attenuation relationship selected. Afterwards, it interpolates the corrected data jointly with the synthetic accelerations, both corresponding to the same reference level. These interpolated accelerations are subsequently multiplied by the suitable site amplification factors, in order to generate the final synthetic Peak Ground Acceleration map. The plugin has been utilized in order to simulate the seismic scenarios for the Mw 5.1 May 11, 2011 Lorca earthquake and the Mw 4.9 March 31, 2013 earthquake, located offshore the W coast of El Hierro Island. By means of each attenuation model, PGA maps have been produced and later used to test the goodness of fit of synthetic values, when compared with the available peak horizontal acceleration data. In both cases, it is realized that, in general, synthetic PGA values approach the horizontal data as ground motion level decrease to values of an order equal to 10 cm/s2. At Lorca, a conclusion has been drawn on the sensibly better fit to the observations that is reached by the attenuation relationships which define a PGA coherent with the horizontal peak acceleration. Thus, for the referred ground motion level, differences minor than 4.9 cm/s2 are obtained. At a second level of approximation, simulations of seismic scenarios have been performed by means of a stochastic finite-fault simulation of strong ground motions. A more precise knowledge of both the attenuation of the propagation medium of seismic waves and the seismic amplification introduced by the shallower layers is required, in order to carry out this simulation, which has been finally done using the EXSIM code (Motazedian y Atkinson, 2005). The volcanic reactivation on El Hierro Island has supplied with a great number of accelerometric records which let us test the parameters of the stochastic simulation code. With the purpose of preparing its input variables, the local site amplification at 25 points distributed accross the island has been estimated from the shear-wave velocity (Vs) model to a depth of 30 m, which has been computed by processing ambient noise measures by means of the Refraction Microtremor (ReMi) method. Additionally, the anelastic attenuation has been estimated for the regional lithosphere in the Canary Islands by means of the analysis of the coda waves recorded by the IGN seismic stations, including digital data from new broad-band stations deployed during the last decades. As a result, regionalizations have been obtained for parameters Q0 and u, which describe the frequency-dependent quality factor Q. Using the EXSIM code, synthetic accelerograms have been calculated for the March 31, 2013 earthquake at two accelerometric stations at El Hierro which recorded this event. Fitting simulated pseudoacceleration response spectra to the observed ones at these stations have let us obtained an empirical function for the crust amplification on the island. This function has been implemented in the code in order to calculate the ground motion in terms of Peak Ground Velocity, PGV, at the towns where the shock was felt with greater than EMS-98 II intensity. By means of the Atkinson y Kaka (2007) relationship, synthetic intensities at the EMS-98 scale have been computed from the PGV values. The resemblance found between these intensities and those observed allow us to propose the validity of this simulation for the seismic scenario calculation on El Hierro.