Análisis de la Peligrosidad Sísmica en la Península Ibérica con un Método Basado en Estimadores de Densidad Kernel
Resumen Abstract Índice Conclusiones
María José Crespo Álvarez
2012-A
El presente trabajo estudialapeligrosidads´ismicaenLaPen´insulaIb´erica con un m´etodo basado en estimadores de densidad kernel. Se trata de una metodolog´ia no param´etrica en la que la tasa de actividad s´ismica se deduce de la informaci´on contenida en el propio cat´alogo s´ismico, tanto en lo que se re.ere asudependencia espacial (prescindiendodehip´otesis cuestionables sobre la uniformidad en zonas discretas) como en relaci´on con la magnitud (obviando la ley de Gutenberg-Richter).
El cat´alogo s´ismico empleado es el del Instituto Geogr´a.co Nacional (IGN) complementado con otros cat´alogos en las zonas perif´ericas en que pareci´o apropiado hacerlo. El cat´alogo se ha homogeneizado en lo que se re.ere a la cuanti.caci´on de los terremotos, y se ha .ltrado con objeto de eliminar eventos espacialo temporalmenteinterrelacionadosya que se asume el modelo temporal de Poisson.
La tasa de actividad s´ismica queda .jada por la forma de la funci´on kernel,el anchode banday losper´iodos efectivos. Se especi.can losvalores considerados para cada uno de estos elementos. Asimismo, se presenta un an´alisis cualitativo y cuantitativo de la tasa de actividad s´ismica obtenida, quepermite establecer las similitudesy diferencias con respecto ala tasade actividad que se obtendr´ia con las estad´isticas de Gutenberg-Richter y una metodolog´ia zoni.cada.
La selecci´on de leyes de atenuaci´on ha sido especialmente cuidadosa, basada en el estado del conocimientoy haciendo un empleo riguroso de los modelos seleccionados en lo referente a su campo de aplicaci´on o a la de.nici´on de las variables de las que depende o que proporciona. Se han empleado tres leyes de atenuaci´on: una para terremotos profundos y las otras dos para terremotos super.ciales, en funci´on de que su magnitud fuera superior o inferior a 5, para ce˜nir el uso de las leyes a su rango de soporte.
Los resultados se obtienen en t´erminos de aceleraci´on y se presentan en tres formatos: mapasdepeligrosidad sísmica, curvasdepeligrosidadyespectros depeligrosidad uniforme.
The seismic hazard of The Iberian Peninsula has been analysed in the present work using a non-parametric methodology based on kernel density estimators. The activity rate was derived from the information provided in the seismic catalogue,both in respect of its dependence on spatial location (disregarding questionablehypothesisof uniformity over discrete zones) and in relation with the event magnitude (obviating the use of the Gutenberg-Richter law).
The seismic catalogue employed was that by Instituto Geogr´a.co Nacional (IGN), supplemented forperipherial regions with other catalogues as appropriate. The quanti.cation of events was homogenised throughout the catalogue and spatially or temporally related events were condensed for consistency with the assumedPoisson process.
The seismic activity rate is given by the shape of the kernel function, the bandwidth and the e.ective periods; the values used for those parameters have all been speci.ed. Also, qualitative and quantitative analyses of the seismic activity rate have been provided, thus allowing comparisons with the results produced using Gutenberg-Richter statistics and a zoned approach.
Special care was taken in the selection of attenuation laws, taking into account the state of the art and ensuring that each law is only used within its range of applicability and that the de.nitions of the variables involved in the model are properly taken into account. Three attenuation laws were employed: one for deep sources and the other two for shallower events, depending on whether their magnitude was above or below 5, restricting the use of each model to its support range.
The results were obtained in terms of acceleration and presented in three di.erent formats: seismic hazard maps, hazard curves and uniform hazard spectra.
1. Introducci´on
1
1.1. Motivaci´on……………………….. 1
1.2. Estadodelat´ecnica ………………….. 4
1.2.1. M´etodos deterministas y probabilistas . . . . . . . . . 4
1.2.2.M´etodos con zonasysin zonas ………….. 5
1.2.3. Antecedentes de c´alculos no zoni.cados . . . . . . . . . 9
1.3. Objeto
…………………………. 11
1.4.
Alcance ………………………… 12 ´
1.4.1. Areade estudio …………………. 12
1.4.2. Metodolog´ia…………………… 15
1.4.3. Exposici´ondelos resultados …………… 16
2. Descripci´on de la metodolog´ia
19
2.1. Estimaci´on de densidad de probabilidad . . . . . . . . . . . . 19
2.1.1. Ideas generales …………………. 19
2.1.2. Estimadores de densidad kernel . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.Tasade actividad s´ismica ……………….. 28
2.2.1.Funcioneskernel ………………… 30
2.2.2. Anchode banda …………………. 33
2.2.3.Per´iodos efectivos ………………… 36
2.3. Estimaci´ondelapeligrosidad s´ismica . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4. Descripci´on del programa KERFRACT . . . . . . . . . . . . . 41
2.5. Comparaci´on con la metodolog´ia tradicional . . . . . . . . . . 45
3. Cat´alogo s´ismico
49
3.1.Fuentesde informaci´on…………………. 49
3.1.1. Cat´alogos o.ciales ……………….. 49
3.1.2. Comparaci´on de cat´alogos o.ciales . . . . . . . . . . . 55
3.2. Basede datos empleada enelc´alculo . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.1. Caracter´isticas generales …………….. 64
3.2.2.Per´iodo hist´orico ………………… 68
xiii
´
Indice general
3.2.3.Per´iodo instrumental ………………. 71
3.3. Adecuaci´ondelabasede datos …………….. 74
3.3.1. Medida de los terremotos: correlaciones . . . . . . . . . 74
3.3.2. Seriess´ismicas………………….. 80
3.3.3. Incertidumbredela magnitud . . . . . . . . . . . . . . 83
3.3.4. Incertidumbre de laposici´on del epicentro . . . . . . . 84
3.3.5. Incertidumbre de la profundidad . . . . . . . . . . . . . 84
4. Evaluaci´on de actividad s´ismica 87
4.1.Funcionkernel ……………………… 87
4.2. Zona discretizada ……………………. 87
4.3. Anchode banda …………………….. 89
4.4. Per´iodos efectivos y a˜nos de referencia . . . . . . . . . . . . . 94
4.5. C´alculodela tasade actividad s´ismica . . . . . . . . . . . . . 99
5.C´alculodelapeligrosidad s´ismica 113
5.1. Leyesde atenuaci´on…………………… 113
5.1.1. Antecedentes ………………….. 113
5.1.2. Selecci´on de leyes de atenuaci´on . . . . . . . . . . . . . 118
5.1.3. Armonizaci´on de las leyes de atenuaci´on seleccionadas . 123
5.2. Resultados……………………….. 127
5.2.1. Consideraciones preliminares . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.2.2. Contornos de aceleraciones ……………. 130
5.2.3. Curvasdepeligrosidad ……………… 141
5.2.4. Espectros depeligrosidad uniforme . . . . . . . . . . . 146
6. Conclusiones, aportaciones y trabajo futuro 153
6.1. Resumeny conclusiones ………………… 153
6.2. Principalesaportaciones ………………… 158
6.3.L´ineasde trabajo futuras ………………… 159
A. Correlaci´on intensidad epicentral-magnitud mb 161
B. Par´ametros de c´alculo 167
´
Indice de .guras
1.1.
Zoni.caciones para un mismo entorno(Giner et al., 2002) . . . 8 ´
1.2.
Areade estudiodelapeligrosidad s´ismica . . . . . . . . . . . 13 ´
1.3.
Areas de estudio de lapeligrosidady de recopilaci´on de datos 14
2.1.
Eventos con magnitud Mw entre 4 y 5 en el ´area de estudio . . 21
2.2.
Histograma para eventos con magnitud Mw entre 4y5 con ancho de celda de 0,25 .,0,5.
y1,0.
………….. 22
2.3.
Estimador naive para eventos con magnitud Mw entre 4 y 5 con ancho de celda de 0,25 .,0,5.
y1,0.
………… 25
2.4.
Funciones kernel. Densidad de probabilidad. . . . . . . . . . . 31
2.5.
Funciones kernel. Probabilidad acumulada. . . . . . . . . . . . 32
2.6.
Funci´onkernel IBQ. Dependencia del par´ametro .IBQ. …. 33
2.7.
Funci´on kernel IBQ para diferentes anchos de banda . . . . . . 34
2.8.
Funci´on kernel IBQ. Probabilidad acumulada para diferentes anchosde banda ……………………. 35
2.9.
Comparaci´on metodolog´ia kernel y metodolog´ia tradicional . . 47
3.1.
Eventos registrados en el cat´alogo s´ismico del USGS/NEIC . . 51
3.2.
Ejemplo de informaci´on contenida en el cat´alogo del ISC para unevento ……………………….. 53
3.3.
Eventos registrados en el cat´alogo s´ismico del ISC . . . . . . . 54
3.4.
EstacionesdelaRSNdelIGN ……………… 55
3.5.
Conjunto de eventos registrados en el cat´alogo s´ismico del IGN 56
3.6.
Eventos del USGS/NEIC con magnitud igualo superior a3 . 58
3.7.
Eventos del ISC con magnitud igualo superior a3 . . . . . . . 59
3.8.
Eventos del IGN desde 1973 con magnitud igual o superior a 3 60
3.9.
Eventos registrados en el cat´alogo Signi.cant del USGS/NEIC 61
3.10. Eventos del cat´alogo del ISC que no .guran en el del IGN . . 63
3.11. Distribucion temporal de terremotos en el per´iodo hist´orico . . 69
3.12.Terremotos conintensidad superior aVI enelper´iodo hist´orico 70
3.13. Distribucion temporal de terremotos en el per´iodo instrumental 73
xv
´
Indice de figuras
3.14.Terremotos
con magnitud Mw superior a 3,0 en el per´iodo instrumental ………………………. 74
3.15. Distribucion
espacial de terremotos profundos en el per´iodo instrumental ………………………. 75
3.16. Profundidades de los terremotos con respecto a la longitud . . 76
3.17. Distribucion
temporal de terremotos profundos en el per´iodo instrumental ………………………. 77
4.1.
Zona discretizada y ´area cubierta por el cat´alogo s´ismico . . . 90
4.2.
Ajuste del ancho de banda para el conjunto del cat´alogo . . . 92
4.3.
Valor del par´ametro c calculado para cada emplazamiento . . 94
4.4.
Valor del par´ametro d calculado para cada emplazamiento . . 95
4.5.
Tasa anual por km2 de eventos con Mw =
3,5. Conjunto de LaPen´insula ……………………… 104
4.6.
Tasa anualpor km2 de eventos con Mw =
3,5. Suroeste de La Pen´insula ……………………….. 105
4.7.
Tasa anual por km2 de eventos con Mw =
3,5. Noreste de La Pen´insula ……………………….. 106
4.8.
Actividad para localizaciones seleccionadas del suroeste de La Pen´insula ……………………….. 108
4.9.
Actividad para localizaciones seleccionadas del noreste de La Pen´insula ……………………….. 109
4.10.Par´ametro bk para el suroeste de LaPen´insula . . . . . . . . . 110
4.11.Par´ametro bk para el noreste de LaPen´insula . . . . . . . . . 111
5.1.
Modelode atenuaci´on para terremotos super.ciales. SueloR´igi
do. …………………………… 127
5.2.
Aceleraci´on espectral para terremotos a 10 km del epicentroy
suelor´igido ………………………. 128
5.3.
Modelo de atenuaci´on para terremotos profundos para una profundidadde80km …………………. 129
5.4.
Aceleraciones para T =0s y475a˜nos………….. 131
5.5.
Aceleraciones para T =0s y2475a˜nos …………. 133
5.6.
Aceleraciones para T =0,1s y475a˜nos…………. 134
5.7.
Aceleraciones para T =0,1s y2475a˜nos ………… 135
5.8.
Aceleraciones para T =0,4sy 475a˜nos ………… 136
5.9.
Aceleraciones para T =0,4sy 2475a˜nos………… 137
5.10. Aceleraciones para T =2,0sy 475a˜nos ………… 138
5.11. Aceleraciones para T =2,0sy 2475a˜nos………… 139
5.12. Curvas depeligrosidad para puntos del sur peninsular . . . . . 143
5.13. Curvasdepeligrosidad para puntos del nortepeninsular . . . . 144
´
Indice de figuras
5.14. Curvas depeligrosidad para puntos del sur de LaPen´insula . . 145
5.15. Curvas depeligrosidad para puntos del norte de LaPen´insula 146
5.16. Contribuci´on de los terremotos profundos a la PGA de 475 a˜nos147
5.17.Espectros depeligrosidad uniforme parael surdeLaPen´insula148
5.18. Espectros depeligrosidad uniforme para el norte de LaPen´insula149
5.19. M´axima ampli.caci´on de la aceleraci´on para 475 a˜nos . . . . . 151
5.20. M´axima ampli.caci´on de la aceleraci´on para 2475 a˜nos . . . . 152
A.1.
Epicentros con intensidad y magnitud asignada por el IGN . . 162
A.2.
Distribucion temporal de terremotos con intensidad y magni
tud asignadaporelIGN ………………… 163
A.3.
Ajuste por MMCC de correlaci´on intensidad-magnitud a par
tirdelos datosdelcat´alogodelIGN ………….. 164
´
´
Indice de tablas
3.1. N´umero de terremotos de cada cat´alogo considerado. . . . . . 65
3.2. N´umero de terremotos de cada cat´alogo considerado. Per´iodo
hist´orico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.3. N´umero de terremotos de cada cat´alogo considerado. Per´iodo
instrumental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.4. Terremotos importantes con magnitud Mw asignada a partir
de estudios espec´i.cos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.5. De.nici´on de la ventana espacio-temporal para la detecci´on de
series s´ismicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.6. Errores (km) de localizaci´on del epicentro . . . . . . . . . . . . 85
4.1.Valores para el ajuste Mw –
H ……………… 91
4.2.
A˜nos de completitud para diferentes magnitudes . . . . . . . . 96
4.3.N´umero de terremotos en cada espacio temporal y para cada intervalo de magnitudes. Epicentro terrestre. . . . . . . . . . . 100
4.4.N´umero de terremotos en cada espacio temporal y para cada intervalo de magnitudes. Epicentro marino. . . . . . . . . . . . 100
4.5.Tasas de actividad (terremotos/a˜no) observadas. Epicentro te
rrestre………………………….. 101
4.6.Tasas de actividad (terremotos/a˜no) observadas. Epicentro marino. ………………………… 101
4.7.Probabilidades para el c´alculo de los a˜nos de referencia. Epi
centro terrestre. …………………….. 102
4.8.Probabilidades para el c´alculo de los a˜nos de referencia. Epi
centro marino. ……………………… 102
4.9.
A˜nos de referencia para diferentes magnitudes y tipos de te
rremotos………………………… 103
5.1.
Puntos con resultados particularesdepeligrosidad s´ismica . . 142
A.1.
Resultados de ajuste intensidad-magnitud . . . . . . . . . . . 163