Hazardul seismic

Cutremurele de pământ, prin efectele lor distrugătoare – datorate mişcării terenului, falierii la suprafaţa pământului, deformării tectonice, lichefierii solului, alunecărilor de teren – reprezintă o problemă gravă şi dificilă cu care se confruntă societatea modernă. Problema hazardului seismic devine şi mai acută în ultimii ani având în vedere faptul că vulnerabilitatea este în continuă creştere prin intensificarea urbanizării şi industrializării în zonele expuse.

Distrugerile produse de seismele puternice recente, în diferite regiuni al globului, atrag atenţia asupra necesităţii luării de măsuri urgente pentru reducerea pierderilor de vieţi omeneşti şi a pagubelor sociale şi economice. Un instrument important în creşterea nivelului de pregătire pentru cutremure şi imbunătăţirea politicilor de prevenire a dezastrelor în arii dens populate din regiunile seismice îl reprezintă scenariile de distrugeri şi studiile vizând estimarea pierderilor.

Primul pas în construirea scenariilor de distrugeri îl constituie estimarea hazardului seismic.

Hazardul seismic (H) este definit prin probabilitatea de apariţie a unui eveniment cu potenţial de distrugere într-o zonă definită şi un interval de timp dat. Vulnerabilitatea se defineşte prin gradul aşteptat de pierderi datorită unui eveniment distrugător, unde: 0 înseamnă că nu avem nici o pierdere, iar 1 reprezintă pierderea totală. Riscul seismic (RS) se defineşte prin gradul de pierdere la un eveniment particular i cu probabilitatea de apariţie Hi, adică, (RS)i = V x Hi. Riscul seismic este o combinaţie dintre hazard şi vulnerabilitate (Fig.1)

.

Figura 1: Riscul seismic este bazat pe o combinaţie dintre hazard (H) şi vulnerabilitate (V)

 

Hazard ridicat nu înseamnă întotdeuna risc ridicat! Acest lucru se întâmplă atunci când vulnerabilitatea este mică. Densitatea mică a populaţiei, terenuri corect folosite, construcţii sigure, bine pregătite, vor duce la un risc scăzut chiar în ariile de hazard ridicat.

Analiza de hazard seismic necesită şi cunoştinţe din alte domenii decât seismologia. Geologia este necesară pentru determinarea locaţiei, configuraţiei şi definirea surselor seismice potenţiale, în particular a faliilor active cunoscute. Tehnicile geofizice sunt necesare pentru definirea acelor surse seismice neobservate la suprafaţa Pământului. Analiza datelor istorice poate juca un rol decisiv în evaluarea unor cutremure nemăsurate instrumental.

Există in momentul de faţă două abordări generale, distincte, de evaluare a hazardului indus de cutremure: metoda deterministă şi metoda probabilistă.

 

Abordarea deterministă dezvoltă scenariul unui cutremur particular – de o dimensiune specificată, produs într-o locaţie specificată – pe baza căruia este evaluată mişcarea terenului în amplasamentul de interes. Metodologia deterministă standard constă din următorii paşi:

 

Figura 2. Paşii de determinare a hazardului seismic prin abordarea deterministă

 

Pasul 1 constă în definirea unei surse sau a mai multor surse posibile care pot afecta amplasamentul. Configuraţia surselor individuale poate fi punctuală, liniară, arii sau chiar volume, depinzând de tipul de sursă ales şi de posibilitatea de definire geologică a lor.

Pasul 2. În această etapă se selectează aşa numitul cutremur de control. Potenţialul seismic al fiecărei surse seismice, descrise în etapa 1, depinde de cutremurul maxim care poate fi generat în sursă. Acesta poate fi cutremurul aşteptat, cutremurul maxim credibil sau orice alt tip de cutremur. Criteriul specific ales este unul dintre cele mai importante elemente în determinarea nivelului de conservatorism. Responsabilitatea alegerii acestui cutremur de control este imensă şi acest fapt constituie partea cea mai vulnerabilă a analizei deterministe. Magnitudinea cutremurului sau intensitatea epicentrală sunt în mod obişnuit folosite pentru definirea mărimii (care aici poate fi: durata, magnitudinea, acceleraţia maximă etc.) cutremurului. Pe lângă aceste mărimi, există o distanţă corespunzătoare care reprezintă distanţa (de obicei, cea mai apropiată) dintre sursă şi amplasament. Unul dintre aceste ipotetice cutremure va fi cutremurul de control, adică, cutremurul care generează mărimi caracteristice (intensitatea, acceleraţia maximă, viteza relativa, perioada predominantă etc.) ce domină efectele celorlalte cutremure. Acesta va fi cutremurul considerat a fi cel mai important în definirea hazardului seismic. În această etapă pot fi folosite mai multe cutremure de control, deoarece nu este totdeauna evident care eveniment este asociat cu cea mai mare mişcare a terenului în amplasamentul de interes. Acest lucru se poate întâmpla atunci când o sursă seismică este tot atât de importantă ca şi celelalte sau când utilizăm mai mulţi parametri ai terenului din amplasament în definirea hazardului seismic (de exemplu, acceleraţia maximă, viteza relativă maximă, deplasarea relativă maximă, perioada fundamentală, acceleraţia maximă spectrală etc.).

Etapa 3 constă în determinarea efectelor cutremurului, în mod normal mişcarea terenului în amplasamentul studiat. Aceasta se face prin estimări ale intensităţii, deplasării, vitezei sau acceleraţiei terenului pentru cutremurul de control la diferite distanţe epicentrale. Ele constau dintr-o curbă aproximată de datele observabile atunci când ele există (relaţia de atenuare).

În final, analiza deterministă furnizează scenariul reprezentând cea mai severă situaţie aşteptată, fără a da însă informaţii asupra apariţiei ei in timp. Astfel, abordarea deterministă nu indică probalitatea producerii cutremurului de control în timpul de viaţă al structurilor construcţiilor din amplasament.

Lucrări de sinteză reprezentative privind aplicarea metodei deterministe pentru evaluarea hazardului seismic pe teritoriul României în cadrul unei cooperări extinse cu Institutul de Fizică Teoretică din Trieste şi Departamentul de Stiinţe ale Pământului al Universităţii din Trieste (Italia) (proiect COPERNICUS, proiect NATO SfP, granturi GO WEST, NATO Linkage Grants, proiecte bilaterale):

 

• “Seismic Hazard of the Circum-Pannonian Region”, eds. G. F. Panza, M. Radulian, C.-I. Trifu, Pure and Applied Geophysics Special Volume 157, 221-247, 2000.

• “Impact of Vrancea Earthquakes on the Security of Bucharest and other Adjacent Urban Areas”, eds: G.F. Panza, M. Radulian, I. Kuznetov, Independent Film, Bucharest, Romania, 2007.

 

Figura 3. Hazardul seismic determinist obţinut prin considerarea cutremurului maxim posibil cu Mw 7,7 (10 noiembrie 1940) (Deterministic seismic hazard analysis in Romania, Cioflan C.O., ICTP-Trieste, Italy, November 17-18, 2009).

 

Abordarea probabilistă, propusă prin lucrarea de pionierat a lui Cornell (1968), a devenit o metodă standard larg acceptată şi utilizată la scară mondială. Ea constă din 4 etape de bază, unele dintre acestea coincid parţial cu cele ale abordării deterministe (Reiter, 1990).

Figura 4. Principale etape ale analizei probabiliste a hazardului seismic

 

Etapa 1. În această etapă se definesc sursele seismice. În general este similară cu etapa 1 din analiza deterministă cu excepţia că sursele sunt definite explicit ca având un potenţial seismic constant, adică, probabilitatea de apariţie a cutremurelor sau a unui cutremur de o anumită mărime este aceeaşi în cadrul sursei. Sursele pot varia de la surse liniare până la regiuni seismotectonice (exemplu, zona seismogenă Vrancea).

Etapa 2. În această etapă se definesc caracteristicile seismice de recurenţă pentru fiecare sursă. Această etapă este fundamental diferită de etapa 2 din analiza deterministă. În locul cutremurului de control sau a cutremurului maxim pentru fiecare sursă, aici fiecare sursă este caracterizată de o relaţie de recurenţă sau o distribuţie a probabilităţii de apariţie a cutremurelor. O relaţie de recurenţă indică probabilitatea ca un cutremur de o mărime dată, cu epicentrul oriunde în cadrul sursei, într-un interval de timp, de obicei de 1 an, să aibă loc. Este ales un cutremur maxim pentru fiecare sursă. În contrast cu procedura deterministă, acest cutremur maxim nu reprezintă singurul cutremur considerat, ci doar limita superioară a mărimii cutremurelor ce vor intra în analiza pentru fiecare sursă considerată.

Etapa 3. Acum se face estimarea efectului cutremurului în amplasament ca în analiza deterministă, numai că în analiza probabilistă există o familie de curbe de atenuare pentru fiecare magnitudine. Fiecare curbă de atenuare are gradul său de incertitudine cu setul de date cunoscute (curbele M1, M2, M3 … din Fig.3).

Etapa 4 constă în integrarea pe întregul domeniu de magnitudini şi distanţe pentru fiecare sursă seismogenă, pentru a obţine – în amplasamentul particular – valorile hazardului probabilist, în forma unei distribuţii cumulative pentru parametrii ce descriu mişcarea terenului. Efectele tuturor cutremurelor, de diferite dimensiuni, produse în diferite locaţii seismogene şi cu diferite probabilităţi de apariţie, sunt integrate într-o singură curbă, ce exprimă probabilitatea de depăşire, într-o perioadă de timp specificată, a anumitor valori ale parametrilor descriind mişcarea seismică în amplasament.

Figura 5. Hazardul seismic probabilist în termeni de intensitatea macroseismică (scara MSK), obţinut prin considerarea tuturor zonelor seismice, pentru o perioadă de revenire de 475 de ani (după Ardeleanu et al., 2005)

 

Comparând cele două metodologii de evaluare a hazardului seismic, remarcăm că abordarea deterministă este mai intuitivă; ea presupune producerea unui cutremur bine definit (în termeni de magnitudine si distanţă sursă – amplasament), utilizat ulterior în toţi paşii succesivi ai analizei. Totuşi, alegerea cutremurului de control este în mare măsură rezultatul unui raţionament şi nu unul cantitativ.

Dimpotrivă, analiza probabilistă permite utilizarea de evenimente şi modele de atenuare variate. Hazardul estimat încorporează efectele tuturor cutremurelor considerate capabile să afecteze un amplasament particular şi se pot utiliza în calcul mai multe modele de atenuare, fiecare cu incertitudinea lui; de asemenea, probabilităţile de producere a evenimentelor de diferite mărimi sunt incluse în analiză.

O trecere in revista detaliata si cantitativa a pasilor urmati in estimarea hazardului seismic probabilist poate fi gasita in cartea „Metode si modele statistice in seismologie cu aplicatii in studiul complex al cutremurelor din unele zone ale Romaniei”, Moldovan, I.A. (2007).

 

Hazardul reprezintă un input fundamental în evaluarea riscului şi în procesul de stabilire a politicilor pentru limitarea efectelor distructive ale cutremurelor. Ambele metodologii – deterministă şi probabilistă – au un rol în analizele de hazard şi risc seismic, a căror finalitate o constituie luarea de decizii precum selecţia criteriilor şi a nivelelor de proiectare şi reabilitare a construcţiilor, planificarea financiară pentru pierderile cauzate de cutremure (nivele de asigurare sau reasigurare sau autoasigurare), investiţiile pentru sistemele industriale, planificarea pentru răspunsul de urgenţă şi intervenţia post-cutremur, planificarea pentru redresarea pe termen lung.

Pe teritoriul României, nivelul cel mai ridicat al hazardului seismic este legat de prezenţa în zona de curbură a Carpaţilor Orientali a unei surse de cutremure distrugătoare de adâncime intermediară, care pot afecta o arie largă, din Europa Centrală până la Moscova. În ultima sută de ani, în regiunea Vrancea s-au produs 4 cutremure subcrustale majore – 10 noiembrie 1940, magnitudine Mw 7,7; 4 martie 1977, magnitudine Mw 7,4; 30 august 1986, magnitudine Mw 7,1; 30 mai 1990, magnitudine Mw 6,9 – primele două cu impact dezastruos. În evenimentul din 4 martie 1977 şi-au pierdut viaţa 1570 de persoane, 11300 au fost rănite şi 32500 de locuinţe şi 763 de unităţi industriale au fost distruse sau grav avariate (Sandi, 2001); cele mai multe pierderi de vieţi omeneşti şi pagube materiale s-au înregistrat în Bucureşti.

 

In cadrul INFP s-au elaborat, de-a lungul timpului, o serie de studii de estimare a hazardului seismic pe teritoriul României. Dintre cele mai recente amintim: Intensity seismic hazard map of Romania by probabilistic and (neo) deterministic aproaches, linear and nonlinear analyses, Mărmureanu Gh., Cioflan C.O., Mărmureanu A., Romanian Reports in Physics, Vol. 63, No. 1, P. 226–239, 2011

New seismic hazard map of Romania by probabilistic and deterministic approaches, linear and nonlinear analyses. Cioflan C.O., Mărmureanu Gh., Mărmureanu A., 14ECEE, 2010

Estimări ale hazardului seismic probabilist pentru teritoriul României, Ardeleanu L.A., ISBN 978-973-702-808-2, Tehnopress Iaşi, 2010

Probabilistic seismic hazard in terms of intensities for Bulgaria and Romania – updated hazard maps, G. Leydecker, H. Busche, K.-P. Bonjer, T. Schmitt, D. Kaiser, S. Simeonova, D. Solakov, and L. Ardeleanu, Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 8, 1431–1439, 2008

Probabilistic seismic assessment in Romania: application for crustal seismic active zones, I. A. MOLDOVAN, E. POPESCU, A. CONSTANTIN, Rom. Journ. Phys., Vol. 53, Nos. 3–4, P. 575–591, 2008.

Bonjer K.P., Ionescu C., Sokolov V., Radulian M., Grecu B., Popa M., Popescu E., Ground Motion Patterns of Intermediate-Depth Vrancea Earthquakes: The October 27, 2004 Event, in “Harmonization of Seismic Hazard in Vrancea Zone” (Eds. A. Zaicenco, I. Craifaleanu, I. Paskaleva), NATO Science for Peace and Security Series – C, Springer, 47-62, 2008.

Panza G.F., Kouteva M., Vaccari F., Peresan A., Cioflan C.O., Romanelli F., Paskaleva I., Radulian M., Gribovszki K., Herak M., Zaichenco A., Marmureanu G., Varga P., Zivcic M., Recent achievements of the neo-deterministic seismic hazard assessment in the CEI region, Proc. 2008 Seismic Engineering Conference Commemoreting the 1908 Messina and Reggio Calabria Earthquake (eds. Santini A. and Moraci N.), Amer. Inst. Physics, vol. 1020, 402-409, Melville, USA, 2008.

Cercetari privind hazardul seismic la nivel national si local. Harti de hazard seismic general si local (microzonare), Editura Tehnopress, (Editura acreditata de CNCSIS); ISBN:978-973-702-701-6; Coordonator Gh Marmureanu, Iasi 2009

Cercetari privind managementul dezastrelor generate de cutremurele romanesti, Editura Tehnopress, (Editura acreditata de CNCSIS); ISBN:978-973-702-701-6; Coordonator Gh Marmureanu, Iasi 2009

Probabilistic seismic hazard map for Romania as a basis for a new building code, Ardeleanu, L., Leydecker, G., Bonjer, K.-P., Busche, H., Kaiser, D., and Schmitt, T., Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 5, 679-684, doi:10.5194/nhess-5-679-2005, 2005.

 

Figura 6. Harta de harzard seismic din regiunea mediteraneană ilustrând PGA pe sol rigid în unităţi (g) pentru o probabilitate de 10% de depăşire în 50 de ani (Jiménez et al., 2001)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Referinţe:

Engineering seismic analysis, Cornell C.A. Bull. Seismol. Soc. Am., 58, 1583 – 1606, 1968.

Earthquake hazard analysis: issues and insight, Reiter L., Columbia University Press, New York, 1958.

Unified seismic hazard modelling throughout the Mediterranean region, M.J. JIMÉNEZ, D. GIARDINI, G. GRÜNTHAL, and SESAME WORKING GROUP, BOLLETTINO DI GEOFISICA TEORICA ED APPLICATA VOL. 42, N. 1-2, PP. 3-18, 2001.