Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5069
Main Title: Seismic hazard assessment in Central Asia
Subtitle: combining site effects investigations and probabilistic seismic hazard
Translated Title: Seismische Gefährdungsbeurteilung in Zentralasien
Translated Subtitle: Zusammenführung von Untersuchungen zu Standorteffekten und probalistischer Erdbebengefährdung
Author(s): Ullah, Shahid
Advisor(s): Parolai, Stefano
Referee(s): Petryna, Yuri
Savidis, Stavros
Bazzurro, Paulo
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Central Asia is one of the world’s most seismically active regions, with the highest level of seismic hazard. Usually seismic hazard is estimated considering ground motion at rock site, but since the ground motion could vary significantly over short distances due to local surficial geology, it is important to consider locally estimated site effects in seismic hazard assessment. Under the GSHAP project carried out in 1992-1999, seismic hazard was calculated at a global scale, including Central Asia. However, an update of this assessment is required in order to consider updated and more recent datasets. Therefore, purpose of this study is to: 1) assess the updated probabilistic seismic hazard at the regional level in Central Asia, and 2) consider the hazard assessment at the local level, including empirically-estimated site effects. As part of the GEM (Global Earthquake Model) initiative, this study is carried out within the EMCA (Earthquake Model Central Asia) project, which aims to calculate an updated cross border harmonized seismic hazard study at the regional level in Central Asia. In this study, the seismic hazard is calculated for Central Asia using an updated earthquake catalogue with respect to the Soviet times and the GSHAP project. The earthquake catalogue has been assembled to cover until 2009 from different sources, containing both instrumental and historical events, and is homogenized to surface wave magnitude MLH from different magnitude scales. Shallow seismicity (< 50 km) is considered for the calculation of seismic hazard assessment in the region. Different seismic source models are used for the calculation of seismic hazard. These include the area source model and smoothed seismicity models. In smoothed seismicity models, the approaches of Frankel (1995) and Woo (1996) approach are used. In particular, along with the Gaussian kernel function with fixed correlation distance (smoothing bandwidth) approach of Frankel (1995), the adaptive kernel function proposed by Stock and Smith (2002) is also implemented inside the Frankel (1995) approach. The seismic hazard is calculated in terms of macroseismic intensity (MSK-64), intended to be used for the seismic risk maps of the region, using the open source software platform OpenQuake. Most of the large cities in Central Asia lie on thick sediments, which influence the level of ground motion. Also, due to the current trend of urbanization, there is an urgent need to address the site effects in an urban level seismic hazard assessment. For this purpose, the empirical site effects are evaluated by considering both earthquake and seismic noise recordings in terms of spectral ratios and from the array analysis in terms of shear wave velocity. In this study, using clustering and correlation analysis, the spatial resolution of ground motion variability is improved upon in terms of standard spectral ratios, using earthquakes recorded at a few selected sites for a relatively short amount of time, and seismic noise data collected over a denser grid. This method is applied to Bishkek, Kyrgyzstan, where a K-means clustering algorithm is used to identify three clusters of site response type based on their similarity of standard spectral ratios. The cluster’s site responses are then adopted for sites where only single station noise measurements are carried out based on the results of correlation analysis. Here a first attempt is made to take into account the influence of the shallow geological structure on the seismic hazard for Bishkek, Kyrgyzstan, by using a proxy of Vs30 that has been estimated from in-situ seismic noise array analyses, and considering response spectral ratios calculated by analysing a series of earthquake recordings of a temporary seismic network. To highlight the spatial variability of the observed ground motion, the obtained results are compared with those estimated assuming a homogeneous Vs30 value over the whole urban area, corresponding to rock site condition. The seismic hazard is evaluated in terms of peak ground acceleration (PGA) and spectral acceleration (SA) at different periods (frequencies). The maximum hazard observed in the regional model reaches an intensity of around 8 in southern Tien Shan for a mean return period of 475 years. The maximum hazard estimated for some of the cities in the region, namely Bishkek, Dushanbe, Tashkent and Almaty, is between 7 and 8 (7-8), 8.0, 7.0 and 8.0 macroseismic intensity, respectively, for 475 years mean return period, using different approaches. Comparing these results, the current study shows that the hazard is generally higher by an order of 2 intensity units compared with that from the GSHAP project. The maximum hazard observed for rock site condition at the urban level for Bishkek is 0.45 g at a period of 0.1 s with a maximum PGA of 0.21 g, for a 475 years mean return period. When site effects are included through the Vs30 proxy in the seismic hazard calculation, the largest spectral acceleration of 0.64 g is obtained for a period of 0.1 s. In terms of PGA, in this case the largest estimated value reaches 0.31 g in the northern part of the city. When the variability of ground motion is accounted for through response spectrum ratios, the largest spectral acceleration reaches a value of 1.13 g at a period of 0.5 s. In general, considering site effects in the seismic hazard assessment of Bishkek leads to an increase in the estimated seismic hazard in the north of the city, which is thus identified as the most hazardous part within the study area and which is in fact further away from the faults and seismic sources. This study represents an update of the seismic hazard at regional and local scale.
Zentralasien ist eine der seismisch aktivsten Regionen weltweit, was mit einer sehr hohen seismischen Gefährdung einhergeht. Um die Erdbebengefährdung zu quantifizieren, wird gewöhnlich die Bodenbewegung auf Festgestein zugrunde gelegt; da jedoch die Stärke und Dauer der Bodenbewegung im Falle eines Erdbebens aufgrund lokaler Standorteffekte räumlich stark variieren kann, ist es wichtig, diese lokalen Standorteffekte in die Gefährdungsanalyse miteinzubeziehen. Im Rahmen des GSHAP-Projekts in den Jahren 1992 bis 1999 wurde die Erdbebengefährdung auf globaler Ebene berechnet, einschließlich Zentralasiens. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt ist jedoch eine erneute Evaluierung dieser Ergebnisse erforderlich, welche die neu verfügbaren Datensätze und die neu entwickelten Methoden berücksichtigt. Das Ziel dieser Studie besteht daher darin, 1) eine aktualisierte probabilistische seismische Gefährdungsanalyse auf regionaler Ebene in Zentralasien vorzunehmen und 2) Gefährdungsanalysen auch auf lokaler Ebene unter Berücksichtigung der vorherrschenden, empirisch bestimmten Standorteffekte durchzuführen. Dies steht im Einklang mit den Zielen von EMCA (Earthquake Model Central Asia), einem Regionalprojekt der GEM (Global Earthquake Model)-Initiative, deren Schwerpunkt auf aktualisierten und grenzüberschreitenden Erdbebengefährdungsstudien in Zentralasien liegt. Als Grundlage für die Berechnung der seismischen Gefährdung dient ein im Vergleich zu den im vergangenen Jahrhundert durchgeführten Arbeiten aktualisierter Erdbebenkatalog. Basierend auf verschiedenen Quellen umfasst dieser Erdbebenkatalog sowohl historische als auch instrumentell aufgezeichnete Beben einschließlich des Jahres 2009; alle Ereignisse wurden auf die Oberflächenwellenmagnitudenskala harmonisiert. Obwohl der Katalog eine Reihe von tiefen Erdbeben enthält, wurden für die Gefährdungsanalyse nur oberflächennahe Beben (< 50 km Tiefe) berücksichtigt, da nur diese Beben zu einer starken Bodenbewegung und einer damit einhergehenden Gefährdung an der Erdoberfläche führen. Für die Erdbebenherde wurden bei der Berechnung unterschiedliche Modelle zugrunde gelegt. Dies umfasst zum einen geglättete Modelle (smoothed seismicity-Verfahren von Frankel (1995) und Woo (1996)) und Zonierungsmodelle (area source models), bei denen Gebiete ähnlicher Seismizität für die Berechung zugrunde gelegt werden. Unter Verwendung der Open-Source-Software-Plattform OpenQuake erfolgt die Berechnung der seismischen Gefährdung in Bezug auf die makroseismische Intensität (MSK-64); diese Werte können dann in einem nächsten Schritt auch als Grundlage für die Risikokartierung der Region verwendet werden. Die maximale Gefährdung auf Grundlage der regionalen Modelle erreicht eine makroseismische Intensität von ungefähr 8 bei einer durchschnittlichen Wiederkehrperiode von 475 Jahren für den südlichen Tien Shan. Die maximalen Gefährdungen, die für einige der Städte der Region, namentlich Bishkek, Dushanbe, Tashkent und Alma-Ata (Almaty), ermittelt wurden, liegen zwischen 7 und 8, 8.0, 7.0 und 8.0 bei einer durchschnittlichen Wiederkehrperiode von 475 Jahren. Ein Vergleich mit früheren Ergebnissen zeigt, dass die ermittelten Gefährdungsniveaus in der Region um bis zu zwei Intensitätsstufen höher liegt als die während des GSHAP- Projekts ermittelten. Obgleich sich insbesondere für die Gebiete Zentralasiens, in denen die größten und wichtigsten Städte liegen, ein hohes Gefährdungsniveau zeigt, wird die Ausgangslage noch dadurch verschärft, dass die meisten dieser Städte auf dicken Sedimenten liegen, die einen erheblichen Einfluss auf die Stärke und die Dauer der Bodenbewegung haben. Daher ist es unabdingbar, diese Standorteffekte bei der Gefährdungsbeurteilung auf lokaler Ebene miteinzubeziehen. Hierzu erfolgt in einem ersten Schritt die Quantifizierung dieser Standorteffekte auf Grundlage von Messungen des seismischen Rauschens und der Analyse von Erdbebendaten, die mittels eines temporären seismischen Netzwerks im Stadtgebiet aufgezeichnet wurden. Unter Verwendung von Cluster- und Korrelationsanalysen kann die räumliche Auflösung für das Auftreten solcher Standorteffekte signifikant verbessert werden. Hierzu werden Messungen des seismischen Rauschens, welche nur kurze Zeit in Anspruch nehmen und an einer Vielzahl von Messpunkten im ganzen Stadtgebiet durchgeführt werden können, einem bestimmten Cluster des seismischen Netzwerks zugeordnet, für den detaillierte Informationen über die Standorteffekte existieren. Dieses Verfahren wird in Bishkek, der Hauptstadt Kirgistans, angewandt, wo mittels eines K-means-Cluster-Algorithmus das Stadtgebiet in drei Gebiete aufgeteilt werden kann, für die ähnliche Standorteffekte zu erwarten sind. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wird weiterhin versucht, den Einfluss von oberflächennahen geologischen Strukturen auf die seismische Gefährdung auf lokaler Ebene zu berücksichtigen. Hierzu wurde die mittlere Scherwellengeschwindigkeit in den obersten 30 m des Bodens (Vs30) aus mehreren Arraymessungen, die im Stadtgebiet von Bishkek durchgeführt wurden, berechnet. Um die räumliche Variabilität der beobachteten Bodenbewegungen zu unterstreichen, wurden die ermittelten Ergebnisse mit den Resultaten unter Annahme einer im gesamten Untersuchungsgebiet homogenen Vs30-Verteilung verglichen. Die seismische Gefährdung wird anhand der höchsten Bodenbeschleunigung (PGA) und der spektralen Beschleunigung (SA) für verschiedenen Perioden (Frequenzen) evaluiert. In Bishkek liegt die maximale Gefährdung auf lokaler Ebene für Festgestein bei 0.45 g bei einer Periode von 0.1 s mit einer maximalen PGA von 0.21 g für eine durchschnittliche Wiederholperiode von 475 Jahren. Werden lokale Bodeneffekte mit Hilfe der mittleren Schwerwellengeschwindigkeit in den obersten 30 m in der Gefährdungsberechnung berücksichtigt, erreicht die höchste Spektralbeschleunigung einen Wert von 0.64 g bei einer Periode von 0.1 s. Für die maximale Bodenbeschleunigung werden die höchsten Wert in der Größenordnung von 0.31 g im nördlichen Teil der Stadt erreicht. Wenn die Variabilität der Bodenbewegung auf Grundlage der Antwortspektren berücksichtigt wird, erreicht die höchste Spektralbeschleunigung einen Wert von 1.13 g für eine Periode von 0.5 s. Generell führt die Berücksichtigung von lokalen Bodeneffekten in der seismischen Gefährdungsanalyse von Bischkek zu einem starken Anstieg der zu erwartenden seismische Gefährdung im Norden der Stadt. Insofern kann dieser Bereich als der am stärksten gefährdete des Untersuchungsgebietes identifiziert werden, obwohl er weiter entfernt von den Verwerfungszonen und seismischen Quellen liegt. Daher führt die Wechselwirkung zwischen einem hohen Gefährdungsniveau auf regionaler Ebene in Zusammenhang mit ungünstigen lokalen Gegebenheiten zu einer signifikanten Gefährdung weiter, dicht besiedelter Teile Zentralasiens.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5394
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5069
Exam Date: 19-Feb-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 4-Apr-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie::555 Geowissenschaften Asiens
DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften
Subject(s): PSHA
microzonation
site effects
seismic noise
earthquake
probalistische seismische Gefährdungsabschätzung
Mikrozonierung
Standorteffekte
Erdbeben
seismisches Rauschen
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