Seismic hazard assessment using seismic geophysical data

Abstract

The application of numerical modelling techniques for the estimation of the 3D seismic hazard and the evaluation of 3D site effects is presented in this thesis. A new MATLAB algorithm is presented based on the 3D staggered grid finite difference numerical modeling method. All contemporary methodologies for the implementation of boundary conditions, the free surface topography, anelastic attenuation and finite sources are presented and incorporated in the proposed algorithms. A graphical user interface designed to facilitate the use of the proposed software is also presented. The typically very large computational requirements of 3D simulation techniques were taken into account when designing the algorithms and specific measures were taken in order to make them as computationally efficient as possible. Matrix operations and GPU acceleration is applied on the presented software resulting in the increase of computational speed by several orders of magnitude on typical home computers and workstations. Every characteristic of the software is tested and evaluated by running several synthetic tests with various input models and parameters. The algorithm is proven to be able to provide stable results even with highly inhomogeneous input models and replicate to a large degree the synthetic waveforms and travel-times calculated by different methodologies. The implementation of actual seismic geophysical data, in order to more accurately estimate the seismic hazard, is also investigated through several real-world applications of the software. A 3D near surface velocity model was calculated using the passive MASW technique and used in order to calculate the site amplification caused by the shallow 3D structure in the city of Loutraki in Greece. A tomographic 3D velocity model, obtained by a past passive seismic tomography experiment, was also used on a novel application of the algorithm aimed at identifying the fault associated with a strong historical earthquake in the region of the North Euboean Gulf, Greece. The 3D basin effect underneath the city of Volos, also in Greece, was evaluated using as input a 3D basin model derived from active MASW measurements and geological data, in the final presented application of the algorithm.

Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται η εφαρμογή μεθοδολογιών τρισδιάστατης αριθμητικής προσομοίωσης για την εκτίμηση της σεισμικής επικινδυνότητας και τον υπολογισμό της τρισδιάστατης επίδρασης των τοπικών εδαφικών συνθηκών. Γίνεται παρουσίαση ενός νέου αλγορίθμου σε περιβάλλον MATLAB, ο οποίος βασίζεται στη μέθοδο πεπερασμένων διαφορών σε τρισδιάστατο κλιμακωτό πλέγμα κόμβων. Στον προτεινόμενο αλγόριθμο χρησιμοποιούνται σύγχρονες μεθοδολογίες ως προς την εφαρμογή οριακών συνθηκών, εισαγωγή ελεύθερης τοπογραφικής επιφάνειας ως άνω όριο του πλέγματος, προσομοίωση ανελαστικής απορρόφησης και εφαρμογή πηγών πεπερασμένων διαστάσεων. Παράλληλα, παρουσιάζεται και ένα φιλικό προς τη χρήση γραφικό περιβάλλον στοχευμένο στη εύκολη εφαρμογή του παραπάνω αλγόριθμου. Οι τυπικά πολύ μεγάλες υπολογιστικές απαιτήσεις των τρισδιάστατων τεχνικών προσομοίωσης ελήφθησαν υπόψη κατά το σχεδιασμό του λογισμικού και ελήφθησαν συγκεκριμένα μέτρα ως προς τη μεγιστοποίηση της αποδοτικότητάς του. Στο λαγισμικό που παρουσιάζεται εφαρμόζονται πράξεις πινάκων και υπολογισμοί με την χρήση της κάρτας γραφικών (GPU), με αποτέλεσμα την σημαντική αύξηση της ταχύτητας των 3Δ προσομοιώσεων κατά πολλές τάξεις μεγέθους σε τυπικούς οικιακούς υπολογιστές. Για τον έλεγχο της ορθότητας των υπολογισμών έγιναν δοκιμαστικές προσομοιώσεις για διάφορα συνθετικά μοντέλα και συνδυασμούς παραμέτρων. Από τους παραπάνω ελέγχους αποδείχθηκε η αξιοπιστία των αποτελεσμάτων ακόμα και για ιδιαίτερα ανομοιογενή μοντέλα υπεδάφους ενώ επιτεύχθει αρκετά ικανοποιητική ταύτιση των αποτελεσμάτων αυτών με τα αποτελέσματα που προκύπτουν από άλλες μεθοδολογίες. Η εισαγωγή πραγματικών σεισμικών γεωφυσικών δεδομένων, προκειμένου να εκτιμηθεί με μεγαλύτερη ακρίβεια η σεισμική επικινδυνότητα, διερευνάται επίσης μέσω αρκετών πραγματικών εφαρμογών του λογισμικού. Χρησιμοποιήθηκε ένα ρηχό τρισδιάστατο μοντέλο ταχύτητας σεισμικών κυμάτων, το οποίο υπολογίστηκε εφαρμόζοντας την τεχνική παθητικής MASW και χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό της εδαφικής ενίσχυσης που προκαλείται από τη ρηχή τρισδιάστατη δομή στην πόλη του Λουτρακίου. Ένα τρισδιάστατο τομογραφικό μοντέλο ταχύτητας, που υπολογίστηκε από παλαιότερη εφαρμογή της μεθόδου παθητικής σεισμικής τομογραφίας, χρησιμοποιήθηκε επίσης σε μια προτότυπη εφαρμογή του αλγορίθμου με στόχο τον εντοπισμό του πιθανού ρήγματος που σχετίζεται με έναν ισχυρό ιστορικό σεισμό στην περιοχή του Βόρειου Ευβοϊκού Κόλπου. Τέλος, αξιολογήθηκε η επίδραση της δομής τρισδιάστατης λεκάνης κάτω από την πόλη του Βόλου χρησιμοποιώντας ένα συνθετικό μοντέλο λεκάνης που προήλθε από μετρήσεις MASW σε συνδυασμό με γεωλογικά δεδομένα, στην τελευταία παρουσίαση της εφαρμογής του αλγορίθμου.