Ето как разработваме сеизмичен хазарт
1 Основи на вероятностният анализ на сеизмичният хазарт
Широко възприетата методология за оценка на сеизмични хазарти се нарича вероятностен анализ на сеизмичният хазарт (от англ. PSHA - Probabilistic Seismic Hazard Assessment). Тя взе превес над детерминистичните методи използвани преди появата на PSHA теорията през 60те години на 20ти век.
Ключово предимство на PSHA е това, че изследването експлицитно позволява инкорпориране на случайността свързана с появата на бъдещи земетресения по отношение на магнитуд, честота и местоположение. Тази случайност на поява на земетресения и генериране на земни движения, често се нарича „алеаторна неопределеност“. Тя се характеризира с вероятностни разпределения , които са директно интегрирани в хазартните изчисления.
Съществуват два основни модела необходими за извършване на PSHA. Това са модел за характеризиране на сеизмичният източник и модел за прогнозиране на сеизмичните земни движения. Първият дефинира географското местоположение и геометрия на източниците на земетресения. Това са най-общо казано обширни области включващи сходни сеизмогенни свойства и индивидуални разломни линеаменти идентифицирани като потенциално активни. В допълнение към местоположенията на земетръсните сценарии, моделът на сеизмичните източници също така определя честотата на възникване на земетресения с различен магнитуд и най-силното земетресение, което всеки източник се счита способен потенциално да генерира.
Моделът за прогнозиране на сеизмичните земни движения, обикновено се състои от уравнения познати като уравнения за прогнозиране на земните движения (GMPE – Ground Motion Prediction Equations), които прогнозират стойности на физичните параметри свързани с едно земетресение – спектрални ускорения за диапазон от честоти на реакция и върховото сеизмично ускорение (PGA – Peak Ground Acceleration), като функция на магнитуда, разстоянието източник – точка на наблюдение с нейната приложима геотехническа класификация и други параметри, като стил на разломяване и т.н. Вместо получаване на уникални детерминистични оценки на сеизмичното движение за даден сценарий магнитуд-разстояние, предиктивните уравнения дават вероятностно разпределение, характеризиращо се с логаритмично стандартно отклонение.
За разлика от детерминистичният подход, при който единичен магнитуд-разстояние сценарий определя резултантното сеизмично земно движение, PSHA включва всички възможни комбинации на събития с възможни магнитуди съгласно дефинираните гранични стойности в модела на сеизмичните източници (в рамките на следващите 50 години като пример, дадено географско местоположение би могло да бъде обект на 100 земетресения с магнитуд М 3, десет М 4 и едно М 5) и изчислява годишната вероятност от надвишение на различни земетръсни нива.
Резултатът от PSHA е сеизмична хазартна крива, представяща например, PGA за годишна честота от надвишение или нейната реципрочна, наричана период на възвращаемост, показваща цикличността на земетресенията с дадена интензивност в местоположението обект на изчисление.
Характеризирането на източниците на бъдещи земетресения не е точна наука и винаги ще е съпроводено от дискусии в научните среди, поради ограниченото знание, което имаме във връзка с пространствените и динамични характеристики на конкретен източник. Необходим е консенсус от заинтересованите страни, за да се формулират защитими сеизмични източници.
Тази неопределеност свързана с теоретичните модели разработвани за дефиниране на сеизмични източници по отношение на местоположение, дълбочина, геометрия и кинематични параметри, отразява липсата на познание свързана с времето и мястото на бъдещи земетресения и е широко позната, като “епистемична неопределеност” в PSHA.
Средството най-често използвано за да обхване епистемичната неопределеност при PSHA се нарича „логично дърво“, при което алтернативни модели или стойности на променливи се постулират на различни разклонения на дървото, като всяка опция има своята относителна тежест, рефлектираща нейният шанс да бъде реализирана в действителността.
Например при моделирането на дълбочината на въздействие за даден източник, е необходимо вероятностно разпределение, защото дори за добре познати структури, хипосентърът на следващото събитие е трудно да бъде формулиран с голяма увереност. Едно плитко земетресение може да се е случило на дълбочина 5 km преди време, но същата структура може да произведе следващият хипоцентър от напълно различна дълбочина, което ще има съществено влияние върху оказаният сеизмичен ефект.
Хазартни криви след това се изчисляват за всеки различен краен изход на логичното дърво и резултантната сеизмична хазартна крива е продукт на индивидуалните тежести на всички крайни разклонения. В този смисъл, епистемичната неопределеност води до семейство от претеглени хазартни криви от които се изчислява средният хазарт и съответните му статистически значими нива на увереност (fractiles and confidence levels). Понякога, за мащабни проекти, броят на разклоненията в логичното дърво може да стане неконтролируем и труден за обработване. Такъв случай е PEGASUS проекта в Швейцария (2000 – 2014) свързан със сеизмичната безопасност на всички швейцарски атомни електроцентрали. В този проект са взели участие едва ли не всички топ експерти в тази професия, a броят на разклоненията в логичното дърво е достигнал 10 на степен 27!
PSHA определя условията за определяне на проектни сеизмични натоварвания свързани към изискваните от регулативните документи нива на безопасност на конкретно съоръжение. В допълнение, зависи също и от собствениците на даден проект да определят подходяща метрика за прогнозиране на земетресенията, която ще отразява целеви нива на оперативност/безопасност и/или съображения свързани със защитата на направените инвестиции.
2 Необходима геоложка, геофизична и геотехническа база данни
За целите на сеизмичният хазарт е необходимо създаването на база данни свързана със земните особености, която обективно да отразява настоящата действителност в дадено географско местоположение и подкрепи характеризирането на дадена площадка.
При големи проекти са се наложили изисквания за количеството и качеството на необходимата информация в базата данни, които потенциално могат да включват диференциране на различни пространствени мащаби около точката на интерес. Международната Агенция за Атомна Енергия (МААЕ) например, предоставя препоръки за площадки на атомни електроцентрали изискващи представяне на данните в Регионален (320 km радиус около площадката), Близък регионален (25 km радиус), околност на площадката (5 km радиус) и Площадка (1 x 1 km) мащаби, включващи съответни изследвания и анализи необходими за пълнота на данните. Всяка база данни инкорпорира прогресивно по-детайлни изследвания, данни и информация преминавайки от регионален към местен формат.
Всички данни се архивират в еднородна референтна рамка за улесняване на сравнителни анализи и трябва да са интегрирани в Географска Информационна Система (ГИС).
Целта на извличането на данни за геонауките в регионален мащаб е да донесе познание за общите геодинамични особености на района и настоящият тектонски режим, както и да идентифицира и помогне за характеризирането на тези геоложки структури, които могат да повлияят на сеизмичният хазарт на дадена площадка.
Ядрените проекти обикновено изискват извършването на нови целенасочени изследвания, като геофизично сеизмично изследване по метода на отразените вълни, микро-гравитационни изследвания, сондажни геофизични изследвания и т.н. в околността на площадката и на самата площадка с цел да се демонстрира, че не са налични податливи разломи (capable faults), които могат да представляват опасност за безопасността на съоръжението т.е. разломи способни да предизвикат деформации на повърхността или в близост до повърхността, способни да засегнат фундаментите на системите от първостепенна важност и от там безопасността на населението в околността.
При конвенционални PSHA проекти, компилирането на базите геоданни включва офис работа за събиране и форматиране на съществуващи изследвания и интегрирането им в ГИС среда.
Базата данни за гео-науките се използва в PSHA за да доказване на възприетите хипотези при моделиране на сеизмичните източници.
3 Сеизмологична база данни
Проектен сеизмологичен каталог трябва да се създаде, включващ всички исторически и инструментално регистрирани земетресения в района на изследването.
Сеизмологичните каталози трябва да бъдат интегрирани в ГИС среда, за да се визуализира пространственото разпределението на епицентровете, индикиращо нивото и схемата на сеизмичността в областта. Тези карти, често се важен индикатор за доказване на параметрите в отделните модели на сеизмичните източници.
Чрез онагледяване на контурите на сеизмичните източници върху карти на сеизмичността, всеки би могъл да установи потенциални конфликти в оценките на максималните потенциални магнитуди или да съпостави пространствените дименсии на източниците с фактическите сеизмологични наблюдения.
Сеизмологичният каталог е ключов за оценката на интервалите на пълнота на наблюденията в проектният каталог. Анализът на пълнотата на каталожните данни е метод на аналитично определяне на времевите интервали при които отделни магнитудни класове е вероятно да са напълно докладвани в каталогът и по този начин да се дефинират принципите за бъдеща реализация на земетресения в отделните източници. Това е необходимо, защото събития с малки магнитуди М4 или М5, не е много вероятно да са усетени от човечеството в пред-инструменталният период на сеизмологични наблюдения педи 1900 ги в исторически времена, тъй-като такива обикновено се регистрират само от записващи инструменти, особено ако са с епицентрове отдалечени от населени места.
В днешни времена имаме относително дълги времеви интервали на наблюдения за направата на смислени статистически анализи за много области, като например политически режими или движение на атмосферни циклони за метеорологични прогнози. В геоложки смисъл обаче, 1 000 – 2 000 година са само половин месец. Със сигурност от сегашната си позиция пропускаме земетресения, които биха играли важна роля за сеизмичният хазарт. Такива случили се в последните 10 000 години, които не са известни сега, защото цивилизацията не е разполагала в онзи момент със средства и възможности да ги регистрира или ако го е направила регистрациите на са открити/налични днес.
На базата на интервалите с пълно докладване се определят магнитудно-честотните характеристики определящи коефициентите дефиниращи повторяемостта на земетресенията за всеки източник в PSHA.
4 Модел за характеризиране на сеизмичните източници
Сеизмотектонското моделиране свързва геоложката, геофизичната, геотехническата и сеизмологична бази данни за даден регион, с цел да дефинира сеизмичните източници за използване в анализа на сеизмичният хазарт.
Идентифицираните сеизмогенни структури могат да не обясняват достатъчно добре наблюдаваната сеизмична активност. Това е защото сеизмогенните структури може да съществуват без разпозната манифестация на или в близост до повърхността и от друга страна, заради времевите интервали дискутирани по-горе. Например разкъсванията по разломни повърхности могат да имат по-дълги периоди на възвращаемост в сравнение с дължината на периода от сеизмологични наблюдения. Следователно, всеки сеизмотектонски модел се състои в по-малка или по-голяма степен от три основни типа сеизмични източници:
- Площни източници
- Разломи
- Точкови източници
Площните източници се използват за моделиране на пространственото разпределение на сеизмичността в области, където местоположенията на разломите не са добре проучени.
Разломи се използват за дефиниране на познати разломни структури в изследваният район. Първоначално, в инженерната практика, те са били моделирани като мулти-линейни източници. Понастоящем, те най-често се моделират като мулти-равнинни структури. Земетръсните разкъсвания се разпределят по разломната повърхнина. Обичайно, разкъсването е равномерно разпределено по линията на разломяване, но може да бъде представено и чрез неравномерно разпределение.
Точкови източници се използват за моделиране на разпределена сеизмичност. На практика, всеки източник на фонова сеизмичност или площен източник, представлява контейнер с дадена геометрична форма, който е запълнен с равномерно разпределени точкови източници в мрежа, с гъстота базирана на магнитудно-честотната характеристика определена за площният източник.
Сеизмотектонският модел, в идеалният случай, трябва да включва всички възможни източници способни да генерират сеизмично движение на почвата в конкретна площадка, което има стойност над предварително определено ниво въз основа на нормативните изисквания, отчитайки настоящият тектонски режим на районът в който се намира площадката.
Когато е възможно да се построят алтернативни сеизмотектонски модели, добре описващи наличните геонаучни данни и разликите между такива модели не могат да бъдат разрешени, чрез допълнителни изследвания в разумен период от време, всички такива модели трябва да бъдат включени за изчисление в оценката на хазарта. Всеки, с приложимият му според данните и анализите тегловен коефициент. По този начин адекватно се отчита епистемичната неопределеност (свързана с моделирането) за инкорпориране на центъра, пълнотата и диапазона на технически защитими интерпретации на информираната техническа общност.
5. Модел за предвиждане на сеизмичните земни движения
Важен елемент при детерминистични и вероятностни анализи на сеизмичният хазарт е способността да се оценяват силни сеизмични земни движения от определен набор сеизмологични параметри. Тази оценка се изпълнява от уравненията за предвиждане на сеизмичните земни движения (GMPEs) познати у нас и като закони за затихване на ускоренията.
Това са математически уравнения, които свързват дадена функция на сеизмичното движение с един или повече параметъра на сеизмичният източник, пътят за разпространение на сеизмичните вълни и локалните геотехнически условия, колективно известни като сеизмологични параметри.
Тектонската обстановка се отнася до фактическото състояние на напрежението в земната кора и нейните сеизмологични свойства. Предиктивните уравнения традиционно се класифицират в четири основни типа за оценка на земните вибрации:
(1) Плитки земетресения в земната кора (плитки корови) в тектонско активен район
(2) Плитки земетресения в земната кора (плитки корови) в тектонско стабилен район
(3) Междиннофокусни земетресения (също познати като Wadati-Benioff), които произлизат в рамките на потъващата плоча при зона на субдукция, познати като вътрешно плочни (intraslab)
(4) Земетресения на границата на подпъхващата и застъпващата плочи при зони на субдукция, познати като гранични (interface)
Сеизмогенната среда в земната кора може допълнително да се раздели на компресионен и екстензионен режими.
Модели на сеизмичното движение, които са кандидати за разработване на логично дърво трябва да се изберат с цел да се получи най-малкото възможно семейство от уравнения, които могат да обхванат очакваният честотен и амплитуден диапазон от възможни сеизмични земни движения на площадката която се анализира. Това се постига чрез селекционен процес, който стартира от пълномащабен списък от публикувани уравнения, който в последствие се редуцира, елиминирайки тези, които се считат за неподходящи от гледна точка на качество, бази данни от която се разработени или приложимост.
Сега има огромен набор от предиктивни уравнения налични в научната литература (вероятно > 1 000 към 2020г.) и техният брой постоянно се увеличава с постоянно еволюиращите (и като количество и като качество) масиви от сеизмични записи.
С цел да се избере най-подходящата комбинация от GMPEs, в инженерната практика се прилагат добре проверени критерии за отхвърляне.
С цел да получим добро овладяване на всеки кандидат модел, в последният етап на селекционният процес ние в ADC Ltd. Прилагаме проста но много ефективна техника. Когато моделите станат управляем брой (да кажем 5-6), всеки от тях бива програмиран в MATLAB или Excel, така че да се започнат тестове на тяхното поведение и да се провери стабилността им в условията на конкретните сеизмогенни пътища и класификацията на почвата за дадената площадка.
В допълнение за да се финализира процесът на избор и дефинират специфичните за проекта GMPEs, ние тестваме техните прогнози с параметрите на реални земетресения, за които има публикувани данни в различни станции в или близо до района на изследване.
В рамките на селекционният процес се подготвят голям брой диаграми показвайки поведението на предиктивните модели и сравняващи ги.
Сравнението е важно в процеса на избор, тъй-като то предоставя основа за определяне на крайното семейство от модели на сеизмичното движение. Добри индикатори за избор биха били графици на: затихването на ускоренията спрямо изминатото разстояние от източника, скалиране на магнитуда, тип разломяване, скалиране на почвеният профил, чрез инженерния параметър Vs30, прогнозен спектър на реагиране, алеаторна неопределеност и др.
Необходима е обосновка за изключването на някои от кандидат моделите, които са били част от тестовете.
Накрая, на избраните специфични за проекта уравнения са определят тегловни коефициенти за включването им в логичното дърво за PSHA изчисления.
Дискусия за приетият избор по отношение на уравненията използвани в предишни изследвания на сеизмичният хазарт за района или съседните райони би могла да бъде полезна.
6 Софтуер
ADC ltd. изпълнява PSHA изчисленията използвайки най-нашумялата напоследък в научните среди платформа OpenQuake. Това е софтуер за изчисление на сеизмичният хазарт и сеизмичен риск с отворен сорс код, разработена от GEM фондацията с идеята да предостави на техническата общност отворен и прозрачен инструмент за оценка на сеизмичният хазарт§риск. Така се постига по-добро разбиране и приемане от обществото на резултатите от такива изследвания, които често се широко дискутирани на национално и международно ниво.
Целта зад разработването на OpenQuake е да предложи стабилен, прозрачен, надежден и развиващ се във времето софтуер код, служейки и отразявайки нуждите на широк кръг от потребители. В тази рамка отвореният код е предпоставка, даваща шанс на практикуващите инженери да разглеждат критично и допринесат за методологиите и алгоритмите използвани за изчисленията. Фундаменталните мотиви, които са вдъхновили създаването на платформата OpenQuake са тези на възпроизводимостта, тестването и общностно базиран процес на разработване.
Ядрото на OQ платформата е развито на програмният език Python. За научен проект с отворен код, Python има много предимства, защото е със свободен лиценз и има обширен кръг от научни и цифрови библиотеки, които го правят атрактивна среда за интерактивно разработване между учени и IT специалисти.
7 Presentation of the Results
Резултатите от например многоточково PSHA изследване могат да бъдат представени във вид на PSHA карти за даден структурен период и вероятност от надвишение.
Сеизмични Хазартни Криви
Еднорооден спектър на реагиране (UHS) - спектър всяка точка от който има еднаква вероятност от превишение или стандартни спектрални форми като Еврокод 8
8 Деагрегация на PSHA
Деагрегацията на вероятностният анализ на сеизмичният хазарт е много интересен и информативен инструмент. Това е процес в който се изследват пространствената и магнитудна зависимост на PSHA резултатите. Целта е да се определят магнитудите и разстоянията, които допринасят най-много за изчислените вероятности от надвишение за даден период на възвращаемост и в конструктивен период/честота от инженерен интерес.
Хазартът е разделен на избрани бинове определящи подинтервали за които се изпълнява деагрегацията. Относителният принос към тоталният хазарт на всеки бин се изчислява, като се раздели вероятността от надвишение на бина, на тоталната вероятност от надвишение на всички бинове. Резултатите се представят във формата на хистограма, която представя процентният принос към изчислените нива на сеизмично земно движение, като функция на избрани хазартни параметри.
Следните видове деагрегации могат да бъдат представени:
- Магнитудна
- Деагрегация на разстоянията
- Магнитуд – Разстояние (най-разпространена)
- Географски Ширина – Дължина
- Магнитуд – Разстояние – Епсилон
- Географски Ширина – Дължина - Епсилон
- Тектонски регион
Статистическите моди (максимумите на плътността) на разпределението (биновете с най-голям принос) идентифицират тези земетресения, които допринасят най-много към тоталният хазарт.
