Seismic hazard assessment and development of earthquake catastrophe model based on geological data and tectonic geomorphology

Abstract

Traditional seismic hazard assessment methods are based on the earthquake catalogues for the calculation of an annual probability of exceedance for a particular ground motion level, but suffer from large uncertainty and incompleteness problems. Thus, new seismic hazard assessment methodologies follow fault specific approaches where seismic sources are geologically constrained active faults. This approach aims to address problems related to the incompleteness and the inhomogeneity of the historical records and to obtain a higher spatial resolution of hazard assessment. This method is applied in Greece and offers high-resolution fault-specific seismic hazard maps for the Attica Region for the first time. In addition, a new Earthquake Catastrophe model, based on fault specific seismic hazard assessment, is developed for the first time and is applied in the Attica Region, which is the most densely populated region in Greece.First, a database of 24 active faults is developed, including information regarding fault characteristics, such as expected magnitudes (Mw 6.1 – Mw 6.7), fault lengths and slip – rates (0.1 mm/y – 2.3 mm/y). It comprises onshore and offshore faults that lie within or in short distances from the Attica region boundaries and can cause damage to the region in case of earthquake rupture. Fault information is obtained with the use of tectonic geomorphology and geological data. Fault parallel and fault perpendicular swath topographic profiles are used, along with tectonic geomorphological indices, such as the enhanced transverse hypsometry index (THi*), the Asymmetry factor (Af) and the Valley floor to valley high ratio (Vf), for the confirmation of active landscapes. Detailed fault scarp profiles, geological cross-sections, paleoseismological methods and SfM photogrammetry are also used to determine fault slip – rates and expected magnitudes. The low average fault slip rate of 0.35 mm/y for these faults implies large intervals between earthquakes in Attica and highlights the importance of the use of geological data in seismic hazard assessment.Four fault specific seismic hazard maps are developed for the Attica region, one for each of the intensities VII – X (MM), showing their recurrence at each locality in the map. These maps offer a high spatial resolution, as they consider surface geology. The highest recurrence for intensity VII (151-156 times over 15 kyrs, or up to 96 year return period) is observed in the central part of the Athens basin. The maximum intensity VIII recurrence (115 times over 15 kyrs, or up to 130 year return period) is observed in the western part of Attica, while the maximum intensity IX (73-77/15kyrs, or 195 year return period) and X (25-29/15kyrs, or 517 year return period) recurrences are observed near the South Alkyonides fault system.Based on the above, a method for the Insured Loss estimation is developed, using the high spatial resolution fault specific seismic hazard maps of Attica. This method allows the calculation of the expected earthquake losses over different return periods. More importantly, an earthquake catastrophe model is presented, which combines a fault specific hazard module with vulnerability, exposure and loss modules, to estimate the Solvency Capital Requirements for insurance companies.

Οι παραδοσιακές μέθοδοι εκτίμησης σεισμικού κινδύνου βασίζονται σε σεισμικούς καταλόγους για τον υπολογισμό της ετήσιας πιθανότητας υπέρβασης καθορισμένων μεγεθών εδαφικών κινήσεων, κάτι που συνεπάγεται σημαντικούς περιορισμούς λόγω της αβεβαιότητας και της ελλειπούς πληρότητας των καταλόγων. Οι νέες μέθοδοι εκτίμησης σεισμικού κινδύνου βασίζονται στην ανάλυση ενεργών ρηγμάτων για τον καθορισμό σεισμικών πηγών, επιτυγχάνοντας την αντιμετώπιση των περιορισμών των καταλόγων, καθώς επίσης και υψηλή χωρική ανάλυση στην εκτίμηση του σεισμικού κινδύνου. Η μέθοδος αυτή εφαρμόζεται στην Ελλάδα και παρέχει για πρώτη φορά χάρτες σεισμικού κινδύνου υψηλής χωρικής ανάλυσης με βάση τα ενεργά ρήγματα για την περιοχή της Αττικής. Επιπροσθέτως, στην παρούσα διατριβή αναπτύσσεται για πρώτη φορά μοντέλο καταστροφικού σεισμού με βάση τα ενεργά ρήγματα, στην Αττική, η οποία είναι η πιο πυκνοκατοικημένη περιοχής της Ελλάδας.Σε πρώτο στάδιο, αναπτύχθηκε βάση δεδομένων ενεργών ρηγμάτων με 24 συνολικά ρήγματα, στην οποία συμπεριλαμβάνονται πληροφορίες για χαρακτηριστικά των ρηγμάτων, όπως αναμενόμενο μέγεθος (Mw 6.1 – Mw 6.7), μήκη και ρυθμοί ολίσθησης ρηγμάτων (0.1 mm/y – 2.3 mm/y). Η βάση αποτελείται από χερσαία και υποθαλάσσια ρήγματα, τα οποία βρίσκονται εντός της Περιφέρειας Αττικής, ή σε τέτοια απόσταση από τα όριά της, ώστε σε περίπτωση ενεργοποίησής τους να προκαλέσουν ζημιές εντός της Περιφέρειας. Οι πληροφορίες για τα χαρακτηριστικά των ρηγμάτων βασίζονται στην χρήση τεκτονικής γεωμορφολογίας και γεωλογικών δεδομένων. Πολλαπλά τοπογραφικά προφίλ ευρείας ζώνης (swath profiles) τόσο παράλληλα όσο και κάθετα προς το ρήγμα, σε συνδυασμό με μορφομετρικούς δείκτες όπως ο Ενισχυμένος Δείκτης Εγκάρσιας Υψομετρίας (THi*), o Δείκτης Ασυμμετρίας (Af) και ο Δείκτης Λόγου Πλάτους Κοιλάδας προς το Ύψος Κοιλάδας (Vf), χρησιμοποιήθηκαν για την επιβεβαίωση της τεκτονικής ενεργότητας σε κάθε περιοχή. Λεπτομερή τοπογραφικά προφίλ κάθετα στους κρημνούς των ρηγμάτων, γεωλογικές τομές, παλαιοσεισμικές μέθοδοι και φωτογραμμετρικές μέθοδοι (Δομή από Κίνηση – Structure from Motion) χρησιμοποιήθηκαν για την ποσοτικοποίηση του ρυθμού ολίσθησης των ρηγμάτων και των αναμενόμενων μεγεθών. Ο χαμηλός μέσος όρος ρυθμού ολίσθησης (0.35 mm/y) συνεπάγεται μεγάλες περιόδους επαναδραστηριοποίησης των ρηγμάτων στην περιοχή της Αττικής και αναδεικνύει την σημασία της χρήσης γεωλογικών δεδομένων στην εκτίμηση σεισμικού κινδύνου.Τέσσερεις χάρτες σεισμικού κινδύνου με βάση ενεργά ρήγματα δημιουργήθηκαν για την περιοχή της Αττικής, ένας για κάθε μια από τις εντάσεις VII – X της κλίμακας Modified Mercalli (MM). Κάθε ένας από τους χάρτες αυτούς απεικονίζει σε κάθε σημείο του την επαναληψιμότητα της εκάστοτε έντασης. Οι χάρτες αυτοί είναι υψηλής χωρικής ανάλυσης, διότι λαμβάνουν υπόψη την επιφανειακή γεωλογία. Η μεγαλύτερη επαναληψιμότητα της έντασης VII (151-156 φορές σε περίοδο 15 χιλιάδων ετών, ή περίοδος επαναφοράς έως 96 έτη) παρατηρείται στις κεντρικές περιοχές του Λεκανοπεδίου Αττικής. H μέγιστη επαναληψιμότητα της έντασης VIII (115 φορές σε περίοδο 15 χιλιάδων ετών, ή περίοδος επαναφοράς έως 130 έτη) παρατηρείται στο δυτικό τμήμα της Αττικής, ενώ οι μέγιστες τιμές επαναληψιμότητας για τις εντάσεις IX (73-77 φορές σε περίοδο 15 χιλιάδων ετών, ή περίοδος επαναφοράς έως 195 έτη) και Χ (25-29 φορές, ή περίοδος επαναφοράς έως 517 έτη) παρατηρούνται κοντά στην Νότια Ρηξιγενή Ζώνη των Αλκυονίδων.Τέλος, στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκε μέθοδος για τον υπολογισμό των απαιτήσεων αποζημιώσεων προς την ασφαλιστική αγορά, με την χρήση των χαρτών σεισμικού κινδύνου της Αττικής βάσει ενεργών ρηγμάτων. Η μέθοδος αυτή προσφέρει τον υπολογισμό των αναμενόμενων ζημιών λόγω σεισμού σε επιθυμητές περιόδους επαναφοράς. Επιπροσθέτως, αναπτύχθηκε μοντέλο καταστροφικού σεισμού, το οποίο υπολογίζει τις κεφαλαιακές απαιτήσεις φερεγγυότητας των ασφαλιστικών επιχειρήσεων με βάση την Ευρωπαϊκή Οδηγία Solvency II. Το μοντέλο αυτό αποτελείται από επιμέρους ενότητες (modules) που σχετίζονται με την εκτίμηση κινδύνου με βάση τα ενεργά ρήγματα, την τρωτότητα των κατασκευών, την έκθεση στον κίνδυνο και τον υπολογισμό του αναμενόμενου κόστους.