Hazardul Seismic

In termeni generali, hazardul seismic defineste miscarea asteptata a terenului - provocata de cutremure - intr-un amplasament, fenomen ce poate avea ca efect distrugeri sau pierderi.

Exista in momentul de fata doua abordari generale, distincte, de evaluare a hazardului generat de cutremure: metoda determinista si metoda probabilista.

Abordarea determinista

Abordarea determinista presupune dezvoltarea unui scenariu de cutremur particular (de o dimensiune specificata, produs intr-o locatie specificata), pe baza caruia este evaluata miscarea terenului in amplasamentul de interes. Metodologia determinista standard consta din urmatorii pasi:

I. Identificarea tuturor surselor de cutremure ce pot afecta amplasamentul; sursele seismogene pot varia de la mici falii plane, la regiuni seismotectonice largi. Potentialul seismic al fiecarei surse (zone) este cuantificat printr-un cutremur semnificativ; acesta poate fi cel mai puternic eveniment istoric cunoscut (cutremurul maxim probabil) sau seismul cel mai puternic ce s-ar putea produce in cadrul tectonic cunoscut (cutremurul maxim credibil). La evaluarea hazardului, in absenta unor informatii suplimentare, este luata in considerare cea mai scurta distanta intre zona seismogena si amplasament.

II. Selectia relatiilor de atenuare care sa permita estimarea miscarii seismice a terenului in amplasamentul de interes - in termeni de intensitate macroseismica, acceleratie maxima, amplitudinea spectrului de raspuns - ca functie de magnitudinea cutremurelor, distanta sursa - amplasament si conditiile locale.

III. Definirea cutremurului de control - cutremurul asteptat sa produca cel mai ridicat nivel al miscarii terenului in amplasament. Selectia se face prin compararea, pe baza relatiei de atenuare (stabilite la pasul II), a efectelor produse la amplasament de cutremurele semnificative, identificate la pasul I (efecte determinate de combinatia dintre magnitudinea cutremurului si distanta focala a acestuia - respectiv distanta minima dintre zona seismogena si amplasament). Cutremurul rezultant va defini scenariul seismic.

IV. Determinarea parametrilor ce descriu miscarea terenului (intensitatea macroseismica, acceleratia maxima, amplitudinea spectrului de raspuns), corespunzatori scenariului reprezentand cea mai severa situatie asteptata.

Recent a fost propusa si dezvoltata o procedura neo-determinista avansata (Panza et al., [1]), in care legile de atenuare empirice (pasul II) sunt substituite prin simulari numerice ale miscarii terenului (seismograme teoretice, generate utilizand cunoasterea disponibila asupra parametrilor sursei seismice si asupra propagarii undelor de la sursa la amplasament), iar parametrii miscarii terenului (pasii III-IV) sunt extrasi direct din formele de unda sintetice.

[1] Panza G.F., Romanelli F., Vaccari F., 2001. Seismic wave propagation in laterally heterogeneous anelastic media: theory and applications to the seismic zonation, Advances in Geophysics, 43, 1-95, Academic press, Elsevier.

Abordarea probabilista

Abordarea probabilista, propusa prin lucrarea de pionierat a lui Cornell [2], a devenit o metoda standard larg acceptata si utilizata la scara mondiala; ea determina probabilitatea anuala de depasire - sau (alternativ) perioada de revenire - a unui anumit nivel (fixat) al miscarii seismice a terenului in amplasament. Analiza probabilista furnizeaza harti de probabilitate seismica, in forma izoliniilor de valori maxime asteptate ale miscarii terenului (intensitate macroseismica, acceleratie maxima), pentru perioade de revenire specificate. Metoda consta din 4 pasi de baza, unii dintre acestia coincid partial cu cei ai abordarii deterministe:

I. Identificarea zonelor seismogene. Acest pas este in general similar cu pasul I) al analizei deterministe, cu diferenta ca aici, in mod explicit, sursele sunt definite ca avand un potential seismic uniform, respectiv probabilitatea producerii unui cutremur de o anumita dimensiune (magnitudine) este aceeasi oriunde in interiorul zonei sursei.

II. Caracterizarea probabilista a activitatii seismice in zonele surselor. Spre deosebire de analiza determinista, care retine un singur cutremur de control, sau cel mult un cutremur maxim pentru fiecare sursa, in abordarea probabilista fiecare zona este caracterizata de o distributie probabilista a cutremurelor sau relatie de recurenta. Aceasta indica probabilitatea ca un cutemur de marime data sa se produca oriunde in interiorul sursei, intr-o perioada de timp specificata (de obicei un an). Pentru fiecare sursa este ales, de asemenea, un cutremur maxim. In contrast cu procedura determinista, evenimentul maxim nu reprezinta singurul cutremur luat in considerare, ci limita superioara a cutremurelor de toate marimile, care vor intra in analiza pentru fiecare sursa. Intrucat cutremurele pot aparea oriunde in interiorul zonei seismogene, trebuie luate in considerare distantele de la toate locatiile posibile pana la amplasament (in analiza determinista este considerata numai distanta cea mai apropiata de la fiecare zona la amplasament). Prin urmare, analiza probabilista are in vedere un domeniu de perechi: dimensiunea cutremurului - distanta la amplasament si probabilitatea de aparitie asociata acestor perechi.

III. Selectia relatiilor de atenuare. Acest pas vizand estimarea efectului cutremurelor este similar pasului II) al procedurii deterministe, cu diferenta ca in analiza probabilista, domeniul de dimensiuni (magnitudini) considerate pentru cutremure implica o familie de atenuari sau curbe ale miscarii terenului; fiecare din acestea leaga un parametru de miscare a terenului (intensitatea macroseismica, acceleratia maxima) de distanta, pentru o marime data a cutremurului.

IV. Integrarea pe intregul domeniu de magnitudini si distante pentru fiecare sursa seismogena, pentru a obtine - in amplasamentul particular - valorile hazardului probabilist, in forma unei distributii cumulative pentru parametrii de miscare a terenului. Efectele tuturor cutremurelor, de diferite marimi, produse din diferite locatii in diferite zone seismogene si cu diferite probabilitati de aparitie, sunt integrate intr-o singura curba, ce exprima probabilitatea de depasire intr-o perioada de timp specificata (de obicei un an) - respectiv perioada de revenire - a anumitor valori ale parametrilor miscarii seismice in amplasament (intensitate macroseismica, acceleratie maxima).

[2] Cornell C. A., 1968. Engineering seismic risk analysis, Bull. Seism. Soc. Am., 58, 1583-1606.

Abordarea determinista vs abordarea probabilista

Comparand cele doua metodologii de evaluare a hazardului seismic, remarcam ca abordarea determinista este mai intuitiva; ea presupune producerea unui cutremur bine definit (in termeni de magnitudine si distanta sursa - amplasament), utilizat ulterior in pasii succesivi ai analizei.

Rezultatele analizei deterministe (intensitatea macroseismica, acceleratia maxima, amplitudinea spectrului de raspuns) prezinta o importanta practica deosebita, intrucat ele pot fi folosite direct in aplicatiile ingineresti.

Aceasta abordare nu da insa informatii asupra aparitiei in timp a celei mai severe situatii asteptate, cu alte cuvinte nu indica probabilitatea producerii cutremurului de control in timpul de viata al structurilor constructiilor din amplasament.

In analiza probabilista, hazardul estimat incorporeaza efectele tuturor cutremurelor considerate capabile sa afecteze un amplasament particular si se pot utiliza in calcul mai multe modele de atenuare, fiecare cu incertitudinea lui; de asemenea, probabilitatile de producere a evenimentelor de diferite marimi sunt incluse in analiza. Hartile de hazard probabilist se construiesc insa, in general, pe o baza regionala, pentru o singura clasa de "referinta" a conditiilor terenului (de ex. roca); de aceea, pentru a lua in considerare efectele locale, valorile estimate ale miscarii terenului trebuie multiplicate ulterior cu factori dependenti de frecventa, in functie de conditiile particulare dintr-un amplasament dat.

Ambele metodologii - determinista si probabilista - au un rol in analizele de hazard seismic, cele doua metodologii se pot completa una pe cealalta, furnizand aspecte suplimentare in rezolvarea problemelor de hazard.

Una din metode poate avea prioritate fata de cealalta, in functie de caracterul, mai mult sau mai putin cantitativ, al deciziei ce urmeaza a fi luata, dar si de cadrul seismic sau de scopul proiectului (un singur amplasament sau o regiune).

Estimarea hazardului seismic probabilist (care ia in considerare recurenta evenimentelor) este importanta pentru dezvoltarea de politici de asigurare viabile si pentru cresterea gradului de pregatire pentru cutremure, prin planificarea de actiuni adecvate de reducere a efectelor acestora.

Cand este vorba insa de patrimoniul cultural - pentru care consecintele distrugerilor sunt de neacceptat - sau de structurile critice (centrale nucleare, uzine chimice, depozite de materiale poluante si de deseuri radioactive, etc.) - ale caror avarieri, in urma unui cutremur puternic, ar reprezinta un risc major pentru mediul natural si antropic - devine relevanta abordarea determinista, bazata pe input-ului seismic maxim asteptat.

Lectiile cutremurelor distructive produse in lume in ultimul deceniu au evidentiat faptul ca evenimentele cu rata mica de aparitie trebuie tratate cu atentie speciala (exemple recente fiind cutremurele de la L`Aquila, Italia, 2009, Tohoku, Japonia, 2011) si ca o singura harta de hazard seismic nu poate satisface cerintele tuturor utilizatorilor finali.

In multe situatii, o analiza recursiva, in care interpretarile deterministe sa fie initiate de rezultate probabiliste si vice versa, poate conduce la cele mai realiste evaluari, si la luarea celor mai bine informate decizii.

Rezultatele analizei de hazard pot fi convoluate cu o functie de fragilitate seismica - ce cuantifica nivelul asteptat al distrugerilor constructiilor, infrastructurii, etc., ca functie de nivelul miscarii terenului - pentru a obtine o analiza de risc seismic, indicand nivelul estimat al pagubelor si pierderilor.

In consecinta, analiza de hazard reprezinta un input fundamental in evaluarea riscului.

Estimarea hazardului seismic pe teritoriul Romaniei

Pe teritoriul Romaniei, nivelul hazardului seismic este determinat de prezenta mai multor zone seismogene cu potential distructiv. Cea mai importanta, atat din punct de vedere al energiei seismice eliberate, cat si al ariei distrugerilor provocate, este sursa de cutremure majore de adancime intermediara (60 - 200 km), localizata la curbura Carpatilor Orientali - regiunea Vrancea. Pe langa aceasta, exista cateva zone de cutremure superficiale (adancimi < 60 km), de importanta locala: zona Fagaras - Campulung, in partea estica a Carpatilor Meridionali; zonele Danubiana, Banat si Crisana - Maramures, situate in sud-vestul, vestul si respectiv nord-vestul Romaniei; zona de adancime crustala Vrancea; depresiunea Barlad si depresiunea Predobrogeana, localizate in estul Romaniei; falia Intramoesica, in sud-est; depresiunea Transilvaniei, in partea centrala a teritoriului. Sud-estul extrem al tarii este, de asemenea, expus efectelor zonei seismice Shabla, generatoare de cutremure puternice, din nord-estul Bulgariei. Descrieri ale zonelor seismogene de pe teritoriul Romaniei - limite, caracteristici seismotectonice - se gasesc la pagina "Seismicitatea Romaniei".

Estimarea hazardului seismic pe teritoriul Romaniei este subiectul unei serii de lucrari stiintifice, publicate in reviste de specialitate de reputatie internationala.

Studiile au fost realizate atat prin abordare neodeterminista cat si prin abordari probabiliste (cele mai multe). Analizele probabiliste sunt bazate pe metodologii ce difera intr-o anumita masura de procedura standard (desi incorporeaza principiile fundamentale ale abordarii clasice [2]); datele de input considerate - cataloagele de cutremure, zonarea seismica - precum si parametrul ales pentru descrierea miscarii terenului - intensitate macroseismica, acceleratie maxima (de varf) - difera, de asemenea, de la un autor (grup de autori) la altul. Cu toate acestea, rezultatele analizelor sunt consistente intre ele, prezentand o concordanta notabila.

Analize de hazard seismic la scara regionala, pentru teritoriul Romaniei

Radulian M., Vaccari F., Mandrescu N., Panza G. F., Moldoveanu C., 2000. Seismic hazard of Romania: A deterministic approach, Pure Appl. Geophys., 157, 221-247.

Musson R. M. W., 2000. Generalised seismic hazard maps for the Pannonian Basin using probabilistic methods, Pure Appl. Geophys., 157, 147-169.

Mantyniemi P., Marza V. I., Kijko A., Retief P., 2003. A new probabilistic seismic hazard analysis for the Vrancea (Romania) seismogenic zone, Nat. Haz., 29, 371-385.

Enescu D., Marmureanu A., Enescu B.D., 2004. A procedure for assessing seismic hazard generated by Vrancea earthquakes and its application. II. Atenuation curves, Romanian Reports in Physics, 56 (1), 147-159.

Ardeleanu L., Leydecker G., Bonjer K. P., Busche H., Kaiser D., Schmitt T., 2005. Probabilistic seismic hazard map for Romania as a basis for a new building code, Nat. Haz. Earth Syst. Sci., 5, 679-684.

Enescu D., Enescu B.D., 2007. A procedure for assessing seismic hazard generated by Vrancea earthquakes and its application. iii. A method for developing isoseismal and isoacceleration maps, Romanian Reports in Physics, Vol. 59 (1), 121-145.

Moldovan I.A., Popescu E., Constantin A., 2008. Probabilistic seismic hazard assessment in Romania: application for crustal seismic active zones, Rom. Journ. Phys., 53 (3-4), 575-591.

Leydecker G., Busche H., Bonjer K. P., Schmitt T., Kaiser D, Simeonova S., Solakov D., Ardeleanu L., 2008. Seismic hazard maps for Bulgaria and Romania, Nat. Haz. Earth Syst. Sci., 8, 1431-1439.

Sokolov V. Yu., Wenzel F. si Mohindra R., 2009. Probabilistic seismic hazard assessment for Romania and sensitivity analysis: A case of joint consideration of intermediate-depth (Vrancea) and shallow (crustal) seismicity, Soil Dyn. Earthquake Eng., 29, 364-381.

Marmureanu G., Cioflan C.O., Marmureanu A., 2011. Intensity seismic hazard map of Romania by probabilistic and (neo)deterministic approaches, linear and nonlinear analyses, Romanian Reports in Physics, 63 (1), 226-239.

Mai multe lucrari stiintifice (cu autori activand in cadrul I.N.C.D.F.P.) urmarind variate aspecte legate de estimarea hazardului seismic pe teritoriul Romaniei, pot fi gasite la pagina PUBLICATII.