Tectonic and volcanic strong ground motion in Iceland: from empirical modelling to physics-based simulations

Abstract

This dissertation presents advances in computational methods for the estimation of earthquake ground motion with applications to seismic hazard assessment in Iceland and beyond. The focus is on three-dimensional physics-based simulations (PBS), that with the growing accessibility of high-performance computing, have become a standard tool for simulating earthquake ground motions. Three main topics are addressed. First, the 3D seismic response of the Mexico City basin was investigated through PBS. The results show that when the seismic source is close to the basin, the incoming wave field deviates significantly from the commonly assumed vertically propagating S-waves. Moreover, surface waves are generated at the basin edges well after the direct arrivals, which elongates ground-motion duration. They have mostly prograde motion consistent with the Rayleigh fundamental mode. These results highlight how PBS can be effectively used in complex geological environments.The second topic focuses on strong ground motions generated by volcano-tectonic earthquakes in the Reykjanes Peninsula. Analysis of recent events shows unusually large peak ground accelerations and long-period amplitudes, in some cases exceeding the 475-year return period design spectra. The events display hybrid characteristics between volcano-tectonic and long-period earthquakes, and their scaling and attenuation differ from those of purely tectonic earthquakes. To account for these differences, a dedicated ground-motion model (GMM) for volcanic earthquakes in Iceland was developed, providing an essential tool for improving seismic hazard estimates in the Reykjanes Peninsula, the Capital area, and other volcanic regions worldwide.The third part of this work advances PBS methodologies through improvements in both finite-source characterization and broadband ground-motion simulation. A new pseudo-dynamic rupture framework was introduced to generate realistic heterogeneous source models, enabling semi-automatic construction of complex kinematic ruptures. Validated with the 2000 South Iceland earthquakes, this approach allows deterministic simulations to account for source uncertainties and reproduce the high-frequency content of ground motion. In addition, the ANN2BB (Artificial Neural Network to BroadBand) hybrid simulation technique was enhanced with transfer learning, combining global and limited local datasets. This refinement reduces overfitting, corrects distance-related biases, and extends broadband ground-motion prediction to regions with sparse instrumental records, such as Iceland.Overall, the developments presented in this dissertation improve the predictability power and scope of computational earthquake ground-motion estimation. They contribute to a better understanding of basin effects in large urban areas, to a more accurate treatment of volcanic seismicity in hazard assessment, and to the refinement of PBS that are increasingly entering engineering practice.Í þessari doktorsritgerð er fjallað um þróuð töluleg reiknilíkön og aðferðir til að herma yfirborðshreyfingar í jarðskjálftum sem nýtast við mat a jarðskjálftavá á Íslandi og víðar. Áherslan er á þrívíð eðlisfræðileg hermilíkön (physics-based simulations - PBS) en sífellt betra aðgengi að afkastamiklum tölvum hafa gert slík reiknilíkön að raunhæfu verkfæri til að herma jarðskjálftahreyfingar.

Þrjú meginviðfangsefni voru skoðuð. Fyrst var þrívíð seismísk svörun setskálar (basin) Mexikóborgar rannsökuð með PBS. Niðurstöðurnar sýna að þegar skjálftaupptök eru nálægt setskálinni, víkur bylgjuhreyfingin vegna innstreymandi skjálftabylgna verulega frá því sem venjulega er gert ráð fyrir, það er þar sem miðað er við áhrif frá lóðréttum S-bylgjum. Hermilíkönin sýna fram á myndun yfirborðsbylgna við jaðra setskálarinnar löngu eftir innstreymandi jarðskjálftabylgjur hafa komið inn í skálina sem lengir varanda skjálftahreyfingarinnar. Þessar yfirborðsbylgjur birtast sem rétthvolfa ellipsulaga hreyfingar sem er i samræmi við grunnsveifluform Rayleigh-bylgju. Niðurstöðurnar sýna hvernig PBS getur verið áhrifaríkt verkfæri i flóknum jarðfræðilegum aðstæðum.

Í öðru viðfangsefni var sjónunum beint að kröftugum jarðskjálftahreyfingum af völdum eldvirkni- og jarðhniksskjálfta á Reykjanesskaga. Greining á skráðum gögnum nýlegra atburða sýnir óvenjulega há útgildi yfirborðshröðunar sem og há svörunarrófsgildi fyrir langa sveiflutíma, í sumum tilvikum gildi sem er hærri en fyrirliggjandi staðalróf fyrir svæðið með 475 ára endurkomutíma. Atburðirnir bera einkenni sem stafa bæði frá eldvirkni- og jarðhniksskjálftum, og frá lágtíðni skjálftum. Ákefð og dvínun þessara skjálfta er frábrugðin hefðbundum jarðhniksskjálftum. Til að taka tillit til þessara einkenna var þróað sérhæft dvínunarlíkan (ground motion model – GMM) fyrir eldvirkniskjálfta á Íslandi, sem er gagnlegt verkfæri til að bæta og meta jarðskjálftavá á Reykjanesskaga og á höfuðborgarsvæðinu, sem og á öðrum erlendum eldvirknisvæðum.

Í þriðja hluti verksins var PBS-aðferðfræðin betrumbætt bæði með fullkomnari upptakalíkani og með betri hermun á breiðbandsáhrifum jarðskjálftahreyfinga. Nýtt brotalíkan var þróað, sem er byggt upp og samsett úr smærri upptakalíkönum sem geta hvert og eitt verið ólík að eðli og gerð og þannig gert mögulegt að herma, hálf-sjálfvirkt, flóknar brothreyfingar í upptökum. Líkanið var sannreynt með gögnum úr Suðurlandsskjálftunum árið 2000. Líkanið gerir mögulega að taka mið af óvissu i upptökum sem og herma hátíðni jarðskjálftahreyfingar. Svokölluð ANN2BB (Artificial Neural Network to BroadBand) blendingshermiaðferð var notuð og betrumbætt þar sem þekkt hátíðnieinkenni í skráðum yfirborðshreyfingum sem birtast í alþjóðleg gagnsöfnum voru uppfærð með hátíðnieinkennum úr takmörkuðu, staðbundnu gagnasafni. Þessi úrbót minnkar ofþjálfun, leiðréttir skekkju vegna fjarlægðar og gerir breiðbandsspá fyrir jarðskjálftahreyfingu mögulega a svæðum þar sem fáar skráðar mælingar eru í boði, eins og á við á Íslandi.

Í heildina gera þær endurbætur, sem fjallað er um í þessari ritgerð, á tölvulíkönum til að herma yfirborðshreyfingar í jarðskjálftum, notkun þeirra áreiðanlegri og nýtanlegri við fjölbreyttari aðstæður. Rannsóknin hefur skilað betri skilningi á: einkennum yfirborðshreyfinga í setskálum; meðhöndlun og líkangerð af jarðskjálftum vegna eldvirkni við sem nýtist við mat á jarðskjálftavá; og á fínstillingu og kvörðun á eðlisfræðilegum tölvulíkönum til að herma jarðskjálftahreyfingar sem eru að verða hluti af verkfræðilegri hagnýtingu.