Title: Broad-band strong ground motion and related uncertainties

Title: Broad-band strong ground motion modeling in near-source areas: related uncertainties
and implication for seismic hazard assessment in Lebanon.
PhD advisor: C. Cornou
Co-PhD advisors: M. Causse, C. Beauval
Although located in a moderate seismicity area, Lebanon has faced several large destructive >
M7+ earthquakes over the last centuries. Tectonics in Lebanon is mainly controlled by the Levant
Fault, a major plate boundary between the African and the Arabian tectonic plates. The Levant
fault is characterized in Lebanon by a restraining bend and its split into various fault branches
prone to large rupturing: the left lateral strike-slip Yammouneh Fault (M 7.5 in 1202), the TripoliBeirut off-shore thrust (> M7 in 551), the Rachaya-Sergaya strike-slip fault system (M6.5 in 1759)
and the strike-slip Roûm fault (M6.5 in 1837).
Recent studies have led to a better understanding on the general partition of the deformation in
Lebanon (Daeron et al., 2004; Elias et al., 2007; Vergnolle et al., 2012) and have provided
essential constraints on the recurrence of large earthquakes on the Yammouneh fault (Daeron et
al., 2005, 2007). To fully integrate this information in seismic hazard models, it is needed to
evaluate the ground motion that these earthquakes can produce, including in the near-source
area, which implies an in-depth analysis of the potential effects of source characteristics (e.g.
nucleation point location, hypocenter location, complexity of the rupture process) related to
these large past earthquakes, and of the associated variability of the resulting ground motion
Recent ground motion prediction at Beirut using Ground Motion Prediction Equations
(GMPEs) and Empirical Green’s Functions (EGF) techniques (Brax, 2013) have led to large
differences in predicted ground motion, especially at short periods. Reasons for such
discrepancies are not clear : it might include the large aleatory and epistemic uncertainties of the
EGF approach, or the inability of used GMPEs to correctly account for directivity effects. In any
case, both methods face severe limitations to correctly estimate strong ground motions in the
near-field (i.e. for sites located at distances comparable to fault dimension) which is of critical
concern in Lebanon, which is a small size country (70 km x 200 km). It is therefore a challenging
and useful issue to develop reliable estimates of strong ground motion and its variability,
especially in near-source areas, while carefully addressing the actual limited knowledge on fault
rupture characteristics (and the lack of instrumental data), and to implement these tools in
probabilistic hazard estimates for the Lebanese case.
This PhD will focus on the following aspects:
ƒ
To understand and assess ground motion variability in the near- and far- field caused by
epistemic uncertainties on the source rupture parameters such as rupture velocity, stress drop,
nucleation point location, slip distribution and fault geometry. Synthetic seismograms will be
computed up to 3 Hz by convolving slip rate functions with 1D Green’s functions at stations
located at different distances and azimuths from the source. The overall ground motion
variability will then be split into different components related to various epistemic uncertainty
on rupture parameters and to the dependency on the distance and azimuth of the
observation site from the fault plane. This sensitivity study will allow to identify and to rank
the source parameters that mostly control the ground motion variability. This work will be
performed and calibrated on well-known fault systems (e.g. Anatolian or San andreas strikeslip faults) for which real strong ground motion recordings do exist.
ƒ
To model strong ground motion in Lebanon for 5 < Mw < 7 scenario earthquakes occurring
on the major faults (Yammouneh, Rachaya-Sergaya strike-slip fault and the off-shore MountLebanon thrust fault). Range of uncertainty on the most critical source parameters as
previously inferred (geometry of the fault, nucleation points, stress drop, slip distribution, ...)
will be assessed after careful review of all information available in Lebanon and surrounding
countries (e.g. historical seismicity, macroseismic intensities for past large earthquakes,
deformation rate, fault mapping), and a review of the available knowledge on large past
earthquakes that occurred in similar tectonical context . Ground motion will be computed up
to 3 Hz and enriched at higher frequencies by using a pure stochastic approach. Ground
motion synthetics and the related spatially dependent variability will then be compared to
predictions by using the most recent GMPEs that include directivity effects (i.e., NGA2 or
equivalent) in order to evaluate their reliability to predict ground motion in the Lebanese
context.
ƒ
Finally this suite of deterministic strong ground motion synthetics will be incorporated in a
probabilistic hazard framework by developing a specific hybrid numerical-empirical GMPE
and/or estimating site-dependent probability of exceedance of a given acceleration level for
the characteristic earthquake models at selected sites (Convertito et al., 2006, Hutchings et al.,
2007). A careful attention will be paid to the relation between the site-dependent estimation
of the hazard level and the various components of the epistemic uncertainties on fault
rupture characteristics, the final aim being to provide seismic hazard level accounting at best
for the uncertainties in rupture characteristics.
The developed methodologies will be applied to Lebanon because this limited territory crossed
by major active faults is adapted to such research studies. However, the developed methodologies
will be suitable in other places wherever active faults have been identified.
Working environment
Numerical modeling of strong ground motions will be performed in the High Performance
Computing (HPC) centre of Grenoble. The PhD candidate will be included in the ISTerre
"Risks" research team and will interact with E. Chaljub, P.-Y. Bard, M. Bouchon, C. Voisin, C.
Lasserre and M. Vergnolle (Geosciences Azur).
Profile of Applicant
This project will be appropriate to students with skills in engineering seismology and/or
seismology and eager to conduct research at the interface between source seismology and
engineering seismology.
References
Brax, M. (2013). Aléa et Microzonage Sismiques à Beyrouth, thèse de l’université de Grenoble.
Causse M. , E. Chaljub, F. Cotton, C. Cornou and P.Y. Bard (2009). New Approach for Coupling k-2 and Empirical
Green’s Functions : Application to the Blind Prediction of Broadband Ground-motion in the Grenoble Basin,
Geophys. J. Int. 179, 1627-1644
Convertito, V., Emolo, A., & Zollo, A. (2006). Seismic-hazard assessment for a characteristic earthquake scenario: an
integrated probabilistic–deterministic method. Bulletin of the Seismological Society of America, 96(2), 377-391.
Daeron, M.; Benedetti, L; Tapponnier, P; et al., Constraints on the post‐25‐ka slip rate of the Yammouneh
fault(Lebanon) using in situ cosmogenic Cl‐36 dating of offset limestone‐clast fans,EPSL, 227, 1‐2,
105‐119, 2004.
Daeron, M; Klinger, Y; Tapponnier, P; et al. 2,000‐year‐long record of 10 to 13 paleoearthquakes on the
Yammouneh fault, Levant fault system, Lebanon. BULLETIN OF THE SEISMOLOGICAL SOCIETY OF
AMERICA Volume:97 Issue: 3 Pages: 749‐771, 2007.
Daeron, M; Klinger, Y; Tapponnier, P; et al. Sources of the large AD 1202 and 1759 Near East earthquakes.
GEOLOGY, Volume: 33 Issue: 7 Pages: 529‐532, 2005.
Elias, A; Tapponnier, P; Singh, SC; et al. Active thrusting offshore mount lebanon: Source of the tsunamigenic AD
551 Beirut‐Tripoli earthquake. GEOLOGY Volume: 35 Pages: 755‐758, 2007.
Hutchings, L., E. Ioannidou, W. Foxall, N. Voulgaris, J. Savy, I. Kalogeras, L. Scognamiglio, and G. Stavrakakis (2007).
A physically based strong ground-motion prediction methodology; application to PSHA and the 1999 Mw _
6:0 Athens earthquake, Geophys. J. Int. 168, 659–680.
Titre: Simulation large-bande du mouvement sismique en champ proche: incertitudes associées
et conséquences sur l'estimation de l'aléa sismique au Liban.
Directeur de thèse: C. Cornou
Co-directeurs de thèse: M. Causse, C. Beauval
Bien que localisée dans une zone de sismicité modérée, le liban a subi plusieurs séismes
destructeurs de magnitude supérieure à 7 au cours des derniers siècles. La tectonique au Liban est
principalement contrôlée par la faille du Levant, frontière des plaques arabique et africaine. La
faille du Levant, caractérisée au Liban par un coude transpressif, se divise en plusieurs branches:
la faille en coulissage de Yammouneh (séisme de magnitude 7.5 en 1202), le chevauchement de
Tripoli-Beyrouth (séisme de magnitude supérieure à 7 en 551), le système de failles en coulissage
de Rachaya-Sergaya (magnitude 6.5 en 1759) et la faille de Roûm (magnitude 6.5 en 1837).
Les études récentes ont permis de mieux comprendre la distribution de la déformation au Liban
(Daeron et al., 2004; Elias et al., 2007; Vergnolle et al., 2012) et ont fourni des contraintes
essentielles sur la récurrence des séismes forts passés sur la faille de Yammouneh (Daeron et al.,
2005, 2007). Afin d'intégrer ces informations dans les modèles d'aléa sismique, il est nécessaire
d'évaluer le mouvement du sol que ces forts séismes peuvent produire en y incluant le champproche. Cela implique une analyse approfondie des effets des caractéristiques de la source
(localisation de la nucléation, localisation hypocentrale, complexité du processus de rupture, etc. )
liées à ces forts séismes et de la variabilité du mouvement du sol associée.
Les prédictions récentes du mouvement sismique sur Beyrouth utilisant les équations de
prédiction du mouvement sismique (GMPEs) et la méthode des fonctions de Green empirique
fournissent des résultats très différents, particulièrement à courte période (Brax, 2013). Les
raisons pour de telles différences ne sont pas clairement identifiées : incertitudes épistémiques et
aléatoires de l'approche par Fonctions de Green empiriques ou inadaptabilité des GMPEs à
prédire correctement les effets de directivité. Dans tous les cas, les deux méthodes sont
d'application limitées en champ proche (c'est à dire pour des distances à la faille comparable à la
dimension de la faille) ce qui est un aspect critique au Liban qui est un territoire limité (200 x 70
km). Le challenge actuel est ainsi de développer des prédictions fiables du mouvement fort et de
la variabilité associée, notamment en champ proche, prenant en compte au mieux notre
connaissance limitée des caractéristiques de la rupture (et le manque de données instrumentales),
et d’implémenter ces développements dans les estimations d’aléa probabiliste au Liban.
Cette thèse se focalisera sur les aspects suivants :
ƒ
Comprendre et quantifier la variabilité du mouvement sismique en champ proche et lointain
produite par les incertitudes épistémiques sur les paramètres de rupture tels que la vitesse de
rupture, la chute de contrainte, la localisation du point de nucléation, la distribution du
glissement et la géométrie de la faille. Des sismogrammes synthétiques seront calculés jusqu’à
3 Hz en convoluant les fonctions source avec des fonctions de Green 1D à des stations à
différentes distances et azimuts de la source. La variabilité totale du mouvement sismique sera
ensuite décomposée en différentes composantes en lien avec les différentes incertitudes
épistémiques sur les paramètres de rupture et les distance et azimut du site d’observation au
plan de faille. Cette étude de sensibilité permettra d’identifier et de hiérarchiser les paramètres
de la source qui contrôlent la variabilité du mouvement sismique. Ce travail sera réalisé et
calibré sur des systèmes de failles bien connus (par exemple la faille nord Anatolienne ou la
faille de San Andreas) pour lesquelles nous disposons d’enregistrements de séismes forts.
ƒ
Modéliser le mouvement fort au Liban pour des scenarios de séismes de magnitude 5 à 7 se
produisant sur les failles majeures (failles de Yammouneh et Rachaya-Sergaya, faille de
chevauchement en mer du Mont Liban). Les gammes d’incertitudes sur les paramètres de
source les plus critiques – tels qu’étudiés dans le précédent volet – seront quantifiées après
une synthèse de toutes les informations disponibles au Liban et les régions environnantes
(par exemple, sismicité historique, intensité macrosismique, taux de déformation, carte des
failles actives), et une synthèse des informations à disposition suite à de forts séismes se
produisant dans des contextes sismo-tectoniques similaires. Le mouvement du sol sera calculé
jusqu’à 3 Hz et enrichi à hautes fréquences en utilisant une approche purement stochastique.
Les sismogrammes synthétiques et les variabilités spatiales associées seront comparées aux
prédicitions empiriques les plus récentes qui incluent les effets de directivité (par exemple, les
modèles NGA2) afin d’évaluer leur pertinence à prédire le mouvement sismique pour le
contexte libanais.
ƒ
Finalement, cette suite de sismogrammes synthétiques sera incorporée dans une approche
probabiliste de l’aléa en développant une équation de prédiction du mouvement sismique
hybride (numérique-empirique) et/ou en estimant la probabilité – dépendante du site
d’observation - de dépassement d’une accélération donnée pour les séismes caractéristiques
(Convertito et al., 2006, Hutchings et al., 2007). Une attention particulière sera portée à la
relation entre l’estimation « site-dépendante » du niveau d’aléa et les différentes composantes
des incertitudes épistémiques sur les caractéristiques de la rupture, l’objectif final étant de
fournir un niveau d’aléa prenant au mieux en compte les incertitudes sur la rupture.
Les développements méthodologiques de cette thèse seront appliquées au Liban parce que c’est
un territoire limité traversé de failles actives majeures qui se prête bien à ce genre d’études.
Cependant, les développements méthodologiques pourront être appliqués à toute zone où des
failles actives sont identifiées.
Environnement de travail
Les calculs de sismogrammes synthétiques seront réalisés sur le centre de calcul de Grenoble
(High Performance Computing centre). Le doctorant réalisera sa thèse au sein de l’équipe Risques
de ISTerre et interagira avec Emmanuel Chaljub, Pierre-Yves Bard, Christophe Voisin, Cécile
Lasserre et Mathilde Vergnolle (Geosciences Azur).
Profil du candidat
Ce projet de recherche est adapté aux candidats ayant des compétences en sismologie de
l’ingénieur et/ou en sismologie, et ayant le goût de conduire des recherches à l’interface entre la
sismologie de la source et la sismologie de l’ingénieur.
References
Brax, M. (2013). Aléa et Microzonage Sismiques à Beyrouth, thèse de l’université de Grenoble.
Causse M. , E. Chaljub, F. Cotton, C. Cornou and P.Y. Bard (2009). New Approach for Coupling k-2 and Empirical
Green’s Functions : Application to the Blind Prediction of Broadband Ground-motion in the Grenoble Basin,
Geophys. J. Int. 179, 1627-1644
Convertito, V., Emolo, A., & Zollo, A. (2006). Seismic-hazard assessment for a characteristic earthquake scenario: an
integrated probabilistic–deterministic method. Bulletin of the Seismological Society of America, 96(2), 377-391.
Daeron, M.; Benedetti, L; Tapponnier, P; et al., Constraints on the post 25 ka slip rate of the Yammouneh
fault(Lebanon) using in situ cosmogenic Cl 36 dating of offset limestone clast fans,EPSL, 227, 1 2,
105 119, 2004.
Daeron, M; Klinger, Y; Tapponnier, P; et al. 2,000 year long record of 10 to 13 paleoearthquakes on the
Yammouneh fault, Levant fault system, Lebanon. BULLETIN OF THE SEISMOLOGICAL SOCIETY OF
AMERICA Volume:97 Issue: 3 Pages: 749 771, 2007.
Daeron, M; Klinger, Y; Tapponnier, P; et al. Sources of the large AD 1202 and 1759 Near East earthquakes.
GEOLOGY, Volume: 33 Issue: 7 Pages: 529 532, 2005.
Elias, A; Tapponnier, P; Singh, SC; et al. Active thrusting offshore mount lebanon: Source of the tsunamigenic AD
551 Beirut Tripoli earthquake. GEOLOGY Volume: 35 Pages: 755 758, 2007.
Hutchings, L., E. Ioannidou, W. Foxall, N. Voulgaris, J. Savy, I. Kalogeras, L. Scognamiglio, and G. Stavrakakis (2007).
A physically based strong ground-motion prediction methodology; application to PSHA and the 1999 Mw _
6:0 Athens earthquake, Geophys. J. Int. 168, 659–680.