New Earthquake Fault System Model of the Southwest Iceland Transform Zone and Near-Fault Seismic Ground Motion Model for Earthquake Engineering Applications

Abstract

Large earthquakes up to ~Mw7 repeatedly take place in the two transform zones of Iceland: the Tjörnes Fracture Zone (TFZ) in the north and the South Iceland Seismic Zone (SISZ) in the south. Of these, only the SISZ is entirely on land, and with a large part of the population in close proximity to it. Therefore, the seismic risk in Iceland is highest in the south and a reliable assessment of such risk is crucial. The basis for such an assessment is a meticulous and formal evaluation of probabilistic seismic hazard assessment (PSHA). Past PSHA in Iceland have, however, been based on statistical analyses of various historical earthquake catalogues and limited ground motion models (GMMs), all subject to varying types and degrees of uncertainties. Moreover, they relied on simplistic source descriptions and largely ignored that the unique ‘bookshelf’ strike-slip fault system of the SISZ extends along the plate margins towards the west and all over the Reykjanes Peninsula Oblique Rift (RPOR). This system plays a dominant role in the strain release from transcurrent plate motion, having potentially important implications for PSHA. Fortunately, the above limitations have effectively been addressed in this dissertation through the development of a physics-based bookshelf fault system model of the SISZ-RPOR. The rate of tectonic plate motion along with the fault system geometry have been used to calibrate the model that also captures the variation of seismogenic depth along the zone. It allows random realizations of the fault system configuration where each fault is completely specified by its dimensions, maximum magnitude, and long-term slip rate, and moment rate. It also allows the derivation of subzone specific magnitude-frequency distributions (MFDs), the cumulative seismic activity of which is not only consistent with, but effectively explains the earthquake catalogue of the SISZ-RPOR. In particular, the model helps to generate realizations of long-term finite-fault earthquake catalogues for a physics-based Monte Carlo stochastic approach to PSHA. One realization of the synthetic earthquake catalogue has recently been implemented in CyberShake, resulting in thousands of two-component horizontal velocity time histories on a dense grid of hypothetical stations in southwest Iceland. In this study, we took advantage of the parameterization of this vast synthetic dataset and augmented one of the latest Bayesian GMM for the region with a near-fault directivity term. We recalibrated the regression coefficients to the synthetic data using advanced Bayesian inference techniques. The Bayesian approach quantifies the probability distribution of each regression coefficient along with their uncertainties. The results of this study will therefore not only enable the efficient, yet physically realistic and consistent revision of conventional time-independent PSHA for the SISZ-RPOR in the future using, for example, the new empirical GMM in both the near- and far-field region, but also a more comprehensive physics-based PSHA that will be based on the same physical bookshelf fault system model.

Sterkir jarðskjálfar eiga sér endurtekið stað á tveimur brotabeltum Íslands og valda miklum áhrifum og tjóni. Þau eru brotabelti Norðurlands og brotabelti Suðurlands og Reykjaness. Það síðarnefna er staðsett á Suðurlandsundirlendinu og fjalllendi Reykjanesskaga og liggur þannig um eitt stærsta landbúnaðarsvæði landsins og í næsta nágrenni við höfuðborgarsvæðið þar sem meirihluti þjóðarinnar býr. Jarðskjálftaáhætta er því hæst á suðvesturhorni landsins og áreiðanlegt mat á slíkri áhættu er mikilvægt. Grundvöllur þess er vandað og formlegt mat á jarðskjálftavá í formi skjálftavárlíkinda, helst byggt á eðlisfræðilegum forsendum. Fyrri skjálftavármöt hafa hins vegar byggst á ólíkum forsendum varðandi jarðskjálftavirkni, hvernig yfirborðshreyfingar jarðskjálfta dvína með fjarlægð frá upptökum, og formleg óvissugreining þessara þátta ekki verið framkvæmd. Enn fremur var gert ráð fyrir einföldum upptakalíkönum jarðskjálfta og ekki tekið tillit til þess að hið þekkta sprungukerfi Suðurlandsundirlendisins, bókahillusprungukerfið, er samfellt frá Suðurlandi, yfir Hengilskerfið og út allan Reykjanesskagann þar sem það myndar brotabelti Reykjaness. Í þessari doktorsritgerð hefur verið ráðin bót á þessum annmörkum og eðlisfræðilegt líkan af bókahillusprungukerfinu útvíkkað og þróað fyrir brotabelti Suðvesturlands í heild. Sprunguvirkni líkansins ræðst af hraða landreks yfir brotabeltið, afstöðu bókahillusprungnanna ásamt hámarklengd þeirra og breiddar, sem breytist kerfisbundið frá vestri til austurs eftir brotabeltinu. Líkanið gerir ráð fyrir breytilegri hámarksstærð jarðskjálfta eftir brotabeltinu og ákvarðar skriðhraða sprungnanna sem tilgreinir virkni þeirra til langs tíma. Líkanið gefur einnig líkindadreifingar á tíðni jarðskjálfta eftir staðsetningu frá vestri til austurs á brotabeltinu ásamt heildartíðni jarðskjálfta á brotabelti Suðvesturlands. Sú jarðskjálftavirkni sem líkanið tilgreinir er í miklu samræmi við virkni út frá sögulegum jarðskjálftaskrám og getur líkanið þannig í raun útskýrt nánar jarðskjálftavirkni svæðisins. Með líkaninu má ákvarða slembiúrtök sprungustaðsetninga sem nýtast við eðlisfræðilegra mat á skjálftavárlíkindum en áður hefur verið gert á Íslandi. Líkanið hefur verið nýtt til að herma þúsundir jarðskjálfta á brotabeltinu og tilsvarandi jarðskjálftahreyfingar yfir allt suðvesturland. Greining á þeim gerviskjálftaritum sem liggja í nærsviði sterkra jarðskjálfta hefur einnig verið gerð í þeim tilgangi að þróa nærsviðslíkan fyrir dvínunarlíkingar jarðskjálftahreyfinga, en slíkar líkingar eru ein af grundvallarstærðum í formlegu mati á skjálftavárlíkindum. Aðferðum Bayesískrar tölfræði hefur verið beitt í aðhvarfsgreiningu á þeim gerviskjálftaritum. Doktorsritgerð þessi leggur þannig grunn að skilvirku og eðlisfræðilegu endurmati á skjálftavárlíkindum á brotabelti Suðvesturlands, sér í lagi í nærsviði jarðskjálftasprungna, bæði út frá hefðbundinni verkfræðilegri nálgun en einnig út frá háþróuðum jarðskjálftafræðilegum líkönum af brotferli jarðskjálfta og útbreiðslu yfirborðshreyfinga þeirra.