Day2 PM 01 dreger bbp method review ngaeast -...

48
Summary of Ground Mo.on Simula.ons Methods: FiniteSource and PointSource July 15, 2014 NGAEast SSHAC Workshop 2 Douglas Dreger (UCB)

Transcript of Day2 PM 01 dreger bbp method review ngaeast -...

Summary  of  Ground  Mo.on  Simula.ons  Methods:  Finite-­‐Source  and  Point-­‐Source  

July  15,  2014  NGA-­‐East  SSHAC  Workshop  2  

Douglas  Dreger  (UCB)  

Ques.ons  for  Resource  Expert  •  Summarize  ground  mo.on  simula.on  models  •  Provide  an  overview  of  the  technical  bases  for  the  methods  considered.    

•  What  features  are  common  among  the  methods  •  What  features  are  specific  to  a  given  method?  •   What  models  are  ready  for  forward  simula.ons  applica.on?    

•  Which  models  or  types  of  models  are  most  appropriate  for  what  range  of  magnitude  and  distance?  

•  What  part  of  the  valida.on  is  most  informa.ve  in  the  assignment  of  a  pass/fail  grade?  

Models  Considered  •  Point-­‐Source  Stochas.c  

–  SMSIM  (Boore,  1983,  2005,  2014)  •  Finite-­‐Source  

–  Stochas.c  Finite  Fault  Method  (Silva  et  al.,  1990)  –  EXSIM  (Motazedian  and  Atkinson,  2005;  Atkinson  and  Assatourians,  

2014)  – G&P  (Graves  and  Pitarka,  2010,  2014)  –  SDSU  (Mena  et  al.,  2010;  Mai  et  al.,  2010;  Olsen  and  Takedatsu,  2014)  

– UCSB  (Liu  et  al.,  2006;  Schmedes,  2010,  2013;  Crempien  and  Archuleta,  2014)  

–  CSM  (Zeng  et  al.,  1994,  1995,  1996;  Anderson,  2014)  

Models  Considered  •  Point-­‐Source  Stochas.c  

–  SMSIM  (Boore,  1983,  2005,  2014)  •  Finite-­‐Source  

–  Stochas.c  Finite  Fault  Method  (Silva  et  al.,  1990,  1997)  –  EXSIM  (Motazedian  and  Atkinson,  2005;  Atkinson  and  Assatourians,  

2014)  – G&P  (Graves  and  Pitarka,  2010,  2014)  –  SDSU  (Mena  et  al.,  2010;  Mai  et  al.,  2010;  Olsen  and  Takedatsu,  2014)  

– UCSB  (Liu  et  al.,  2006;  Schmedes,  2010,  2013;  Crempien  and  Archuleta,  2014)  

–  CSM  (Zeng  et  al.,  1994,  1995,  1996;  Anderson,  2014)  

Stochas.c  Simula.on  of  Time  Histories    

1)  Employs  linear  filter  theory  and  simplified  propaga.on  models  to  scale  and  shape  random  phase  .me  histories  and  spectra.  

Y M0,R, f( ) = E M0, f( )P R, f( )S f( ) I f( )

From SCEC BBP EXSIM Documentation

Stochas.c  Simula.on  of  Time  Histories    2)  Empirically  calibrated  shape  and  scaling  func.ons  include:  

A)  Region  specific  geometrical  spreading  

B)  Region  specific  Q  C)  Site  correc.ons  D)  Applica.on  of  site  

kappa  or  fmax  E)  Correc.ons  for  a  

magnitude-­‐dependent  double  corner  frequency  

Y M0,R, f( ) = E M0, f( )P R, f( )S f( ) I f( )

From SCEC BBP EXSIM Documentation

Stochas.c  Simula.on  of  Time  Histories    

From SCEC BBP EXSIM Documentation

EXSIM  –  Stochas.c  Simula.on  of  Time  Histories    

EXSIM  introduces  a  dynamic  corner  frequency  to  model  a  propaga.ng  slip  pulse..  

EXSIM  –  Stochas.c  Simula.on  of  Time  Histories    

EXSIM  –  Stochas.c  Simula.on  of  Time  Histories    

Sa  is  calculated  from  the  .me  histories.    Bias  (ln  residual)  plots  are  used  to  compare  the  observed  and  simulated  Sa.    BBP  V13.6  valida.on  compared  simulated  mo.ons  for  7  earthquakes  recorded  at  ~40  sta.ons  each.  

SMSIM  –  New  Generalized  Double  Corner  Frequency  Models  

A∝M 0 f2 1

1+ f fa( )pfa"

#$%&'

pda

1

1+ f fb( )pfb"

#$%&'

pdb

Mul.plica.ve  

A∝M0 f

2 1−ε( )

1+ ffa( )

pfa#

$%

&

'(

pda+

M0 f2ε

1+ ffb( )

pfb#

$%

&

'(

pdb

Addi.ve  

fa < fc < fb

fc = 4.906x106β Δσ

M0( )1/3

fb = fa

fcfa( )

2

− 1−ε( )

ε

log fa =C1 fa +C2 fa M −M fa( )logε =C1ε +C2ε M −Mε( )

Boore, Di Alessandro, and Abrahamson, 2014

SMSIM  –  New  Generalized  Double  Corner  Frequency  Models  

Behavior  of  Mul.plica.ve  Model  

Boore, Di Alessandro, and Abrahamson, 2014

SMSIM  –  New  Generalized  Double  Corner  Frequency  Models  

Behavior  of  Addi.ve  Model  

Boore, Di Alessandro, and Abrahamson, 2014

SMSIM  –  ADCF  

Models  Considered  •  Point-­‐Source  Stochas.c  

–  SMSIM  (Boore,  1983,  2005,  2014)  •  Finite-­‐Source  

–  Stochas.c  Finite  Fault  Method  (Silva  et  al.,  1990)  –  EXSIM  (Motazedian  and  Atkinson,  2005;  Atkinson  and  Assatourians,  

2014)  – G&P  (Graves  and  Pitarka,  2010,  2014)  –  SDSU  (Mena  et  al.,  2010;  Mai  et  al.,  2010;  Olsen  and  Takedatsu,  2014)  

– UCSB  (Liu  et  al.,  2006;  Schmedes,  2010,  2013;  Crempien  and  Archuleta,  2014)  

–  CSM  (Zeng  et  al.,  1994,  1995,  1996;  Anderson,  2014)  

Classes  of  Finite-­‐Fault  Simula.on  Approaches  

•  Stochas.c  (EXSIM,  Silva  &  Darragh)  –  U.lizes  temporally  and  spectrally  shaped  white  noise  to  generate  .me  series  

used  to  es.mate  Sa.  –  Shape  func.ons  are  empirically  calibrated  

•  Determinis.c  (CSM  and  UCSB)  –  Applies  the  representa.on  theorem  for  a  fault  disloca.on  u.lizing  Green’s  

func.ons  for  simplified  1D  velocity  structures  –  Differences  in  the  methods  are  in  terms  of  the  descrip.on  of  the  kinema.c  

source  model  •  Hybrid  (G&P  and  SDSU)  

–  Applies  representa.on  theorem  for  the  low  frequency  determinis.c  part    –  Uses  a  stochas.c  component  to  characterize  high  frequency  por.on  of  the  

spectrum  •  G&P  uses  a  stochas.c  approach  following  Boore  (1983)  &  Frankel  (1995)  •  SDSU  uses  scamering  func.ons  Zeng  et  al.    (1991,  1993)  

Seismic  Representa.on  Theorem  

Displacement  discon.nuity  across  fault  

Isotropic  elas.c  tensor  

Unit-­‐force  Green’s  func.on  represen.ng  source  to  receiver  transfer  func.on  for  prescribed  velocity  model  

Composite  Source  Model  –  V13.6  1)  U.lizes  Green’s  func.ons  that  are  

complete  in  terms  of  body  and  surface  waves,  and  near-­‐,  intermediate-­‐  and  far-­‐field  terms.  

2)  1D  velocity  models  are  used  with  a  frequency  independent  Q  model.  

3)  The  source  model  is  built  from  a  distribu.on  of  randomly  placed  point-­‐sources  in  which  the  distribu.on  sa.sfies  a  Gutenberg-­‐Richter  rela.onship  and  radius-­‐frequency  self-­‐similarity.  

4)  The  .ming  of  the  subevents  is  controlled  by  a  constant  velocity  rupture  front  ini.a.ng  from  a  hypocenter.  

5)  Subevents  are  allowed  to  overlap.  

Composite  Source  Model-­‐  V13.6  1)  U.lizes  Green’s  func.ons  that  are  

complete  in  terms  of  body  and  surface  waves,  and  near-­‐,  intermediate-­‐  and  far-­‐field  terms.  

2)  1D  velocity  models  are  used  with  a  frequency  independent  Q  model.  

3)  The  source  model  is  built  from  a  distribu.on  of  randomly  placed  point-­‐sources  in  which  the  distribu.on  sa.sfies  a  Gutenberg-­‐Richter  rela.onship  and  radius-­‐frequency  self-­‐similarity.  

4)  The  .ming  of  the  subevents  is  controlled  by  a  constant  velocity  rupture  front  ini.a.ng  from  a  hypocenter.  

5)  Subevents  are  allowed  to  overlap.  

Composite  Source  Model  –  V13.6  

Composite  Source  Model  –  V13.6  

Composite  Source  Model  –  V13.6  

Composite  Source  Model  –  V13.6  

1.  Informed  from  dynamic  simula.ons  2.  U.lizes  1D  Green’s  func.ons  with  a  

frequency  dependent  Q(f).  a.  Layered  structure  use  for  f  <  2  Hz  b.  Single  crustal  layer  structure  used  

for  f>=  2  Hz  3.  PDF  and  correla.on  func.ons  between  

key  kinema.c  parameters  are  obtained  from  more  than  300  dynamic  simula.ons  a.  Slip  b.  Rise  .me  c.  Peak  .me  d.  Peak  slip  rate  e.  Rupture  velocity  

4.  A  random  slip  model  assuming  a  k-­‐2  spa.al  distribu.on  is  used  with  slip  amplitude  scaled  by  empirical  rela.on  is  then  itera.vely  adjusted  to  conform  to  the  PDF  and  correla.on  func.ons.  

5.  A  2d  finite-­‐difference  algorithm  is  used  to  determine  subfault  trigger  .mes  from  the  locally  prescribed  rupture  velocity.  

 

UCSB  Method  –  V14.3  

11/22/2013    COSMOS  Technical  Session  

UCSB  Method  –  V14.3  

UCSB  Method  

V14.3  

Graves  &  Pitarka  Method  –  V14.3  Computes  determinis.c  long-­‐period  mo.ons  (T  >  1  sec)  using  1D  Green’s  func.ons  (frequency  independent  Q),  and  a  kinema.c  model  based  on  empirically  calibrated  theore.cal  forms  for  kinema.c  parameter  scaling.  

•  Fault  area/dimensions  scale  with  magnitude  (Leonard,  2010)  

•  Correla.on  of  slip  heterogeneity  scales  with  magnitude  (Mai  and  Beroza,  2002)  in  which  the  coefficient  of  varia.on  is  set  at  0.85  

•  Average  rise  .me  scales  with  M00.33  (Somerville  et  

al.,  1999)  but  is  double  for  z<5  km  and  z>15  km  •  Background  rupture  speed  scales  with  local  Vs.  •  Local  rise  .me  scales  with  square  root  of  local  slip  

plus  a  small  random  component  •  Local  rupture  speed  scales  with  local  slip  and  

M00.33  

Short-­‐period  (T  <  1  sec)  mo.ons  are  generated  using  a  stochas.c  approach  very  similar  to  that  used  by  SMSIM  

Graves  &  Pitarka  Method  

Graves  &  Pitarka  Method  

V14.3  

SDSU  Method  

U.lizes  the  same  low-­‐frequency  Green’s  func.ons    and  source  generator  as  Graves  and  Pitarka  (2010).    Calculates  high  frequency  stochas.c  response  from  isotropic  radia.on  scamering  func.ons  from  Zeng  et  al.  (1991,  1993)    The  low-­‐frequency  and  high-­‐frequency  and  combined  at  1  Hz  similarly  to  G&P  

SDSU  Method  

SDSU  Method  

V14.3  

Comparison  of  Run  10000005v13.6  G&P  and  SDSU:  Loma  Prieta  

Comparison  of  Run  10000005v13.6  G&P  and  SDSU:  Loma  Prieta  

Comparison  of  Best  Fit  Simula.ons:  Loma  Prieta  LEX  sta.on  -­‐  V14.3  

Comparison  of  Best  Fit  Simula.ons:  Loma  Prieta  LEX  sta.on  –  V14.3  

Comparison  of  Best  Fit  Simula.ons:  Loma  Prieta  LEX  sta.on  –  V14.3  

Evalua.on  of  Methods  •  Evalua.on  performed  within  the  computa.onal  framework  of  the  BBP  and  was  based  on  median  pseudo  specral  accelera.on.  

•  Part  A:  Event/sta.on  specific  PSA  comparsions  •  Part  B:  Comparisons  with  GMPE  

•  Eight  member  evalua.on  panel  held  workshops  with  modelers,  reviewed  wrimen  documenta.on,  and  simula.on  results  from  the  BBP  

•  Valida.on  report  for  V13.6  was  submimed  to  SCEC  on  August  1,  2013.  

•  Documenta.on  of  the  process  and  an  update  for  V14.3  was  submimed  for  publica.on  in  an  SRL  Special  Issue  

•  Part  A:  Mean  Bias  •  Combined  Goodness  of  

Fit  (CGOF)      •  Pass  0.35  ln  units  •  Fail  0.70  ln  units  

•  Performance  is  very  good  for  5<R<300  km  and  0.01  <  T  <  1  second  

•  <=  20%  of  cases  exceed  failure  threshold  

•  ~80%  are  bemer  than  a  factor  of  2  

•  ~40%  are  bemer  than  the  1.41x  pass  threshold  

 

CGOF = 12ln data

model( ) +12ln data

model( )

•  Part  A:  Method  /  GMPE  •  Pass  <  1  •  Fail  >  1.5  

•  Performance  is  very  good  for  5<R<300  km  and  0.01  <  T  <  3  second  

Part  A:  Distance  Metric    Ln  residual  is  plomed  for  each  event  in  discrete  distance  bins.  Ideally  the  slope  is  zero.    Test:  If  a  slope  of  zero  lies  within  the  95%  confidence  of  the  slope  es.mate  there  is  no  systema.c  distance  bias  and  the  method  passes.    Distance  metric  is  the  abs(slope)/95%confidence_slope  

Part  B  Evalua.on  

Ques.ons  for  Resource  Expert  •  Summarize  ground  mo.on  simula.on  models  •  Provide  an  overview  of  the  technical  bases  for  the  methods  considered.    •  What  features  are  common  among  the  methods  •  What  features  are  specific  to  a  given  method?  •  What  models  are  ready  for  forward  simula.ons  applica.on?  

–  SMSIM,  EXSIM,  G&P,  SDSU  and  UCSB    •  Which  models  or  types  of  models  are  most  appropriate  for  what  range  

of  magnitude  and  distance?  –  All  V14.3  methods  within  M  range  of  valida.on  (M  4.6  –  7.2)  –  All  V14.3  methods  for  0  <    R  <=  (200  or  300)  km  

•  What  part  of  the  valida.on  is  most  informa.ve  in  the  assignment  of  a  pass/fail  grade?  

–  Part  B  defines  a  rigid  pass/fail,  however  there  is  no  one  metric  that  is  perfect  for  this  purpose.  –  A  combina.on  of  metrics  as  implemented  provides  a  more  comprehensive  analysis  of  the  

performance  of  these  complex  methods.  –  Addi.onal  metrics  should  be  introduced  including  Fourier  amplitude  spectra  fits,  consistency  

with  net  omega-­‐2  spectral  shape,  component  specific  measures,  and    limits  of  sta.c  slip  to  zero  fault  distance.  

References  •  Anderson,  J.  G.  (2014).  The  composite  source  model  for  broadband  simula.ons  of  strong  ground  mo.ons,  

submimed  to  Seism.  Res.  Lem.  •  Atkinson,  G.  M.,  and  K.  Assatourians  (2014).  Implementa.on  and  valida.on  of  EXSIM  (a  stochas.c  finite-­‐fault  

ground-­‐mo.on  simula.on  algorithm)  on  the  SCEC  broadband  plavorm,  submimed  to  Seism.  Res.  Lem.  •  Boore,  D.  M.  (1983).  Stochas.c  simula.on  of  high-­‐frequency  ground  mo.ons  based  on  seismological  models  of  

the  radiated  spectra,  Bull.  Seism.  Soc.  Am.,  73,  1865-­‐1894.  •  Boore,  D.  M.  (2005).  SMSIM  –  Fortran  programs  for  simula.on  ground  mo.ons  from  earthquakes:  Version  2.3  

–  A  revision  of  OFR  96-­‐80-­‐A,  US  Geological  Survey  Open-­‐File  Report,  00-­‐509,  revised  15  August  2005,  55pp.  •  Boore,  D.  M.  (2009).  Comparing  stochas.c  point-­‐source  and  finite-­‐source  ground-­‐mo.on  simula.ons:  SMSIM  

and  EXSIM,  Bull.  Seism.  Soc.  Am.,  99,  3202-­‐3216.  •  Boore,  D.  M.,  C.  Di  Alessandro,  and  N.  A.  Abrahamson  (2014).  A  generaliza.on  of  the  double-­‐corner-­‐frequency  

source  spectral  model  and  its  use  in  the  SCEC  BBP  valida.on  exercise,  submimed  to  Bull.  Seism.  Soc.  Am.  •  Crempien  J.  G.  F.,  and  R.  J.  Archuleta  (2014).  UCSB  Method  for  Broadband  Ground  Mo.on  from  Kinema.c  

Simula.ons  of  Earthquakes,  submimed  to  Seism.  Res.  Lem.  •  Dreger,  D.  S.,  G.  C.  Beroza,  S.  M.  Day,  C.  A.  Goulet,  T.  H.  Jordan,  P.  A.  Spudich,  and  J.  P.  Stewart  (2014).  

Valida.on  of  the  SCEC  broadband  plavorm  V14.3  simula.on  methods  using  pseudo  spectral  accelera.on  data,  submimed  to  Seism.  Res.  Lem.  

•  Dreger,  D.  S.,  G.  C.  Beroza,  S.  M.  Day,  C.  A.  Goulet,  T.  H.  Jordan,  P.  A.  Spudich,  and  J.  P.  Stewart  (2013).    Evalua.on  of  SCEC  Broadband  Plavorm  Phase  1  Ground  Mo.on  Simula.on  Results,  SCEC  Report  No.  X,  33  pages.  

•  Graves,  R.,  and  A.  Pitarka  (2014).  Refinements  to  the  Graves  and  Pitarka  (2010)  Broadband  Ground  Mo.on  Simula.on  Method,  submimed  to  Seism.  Res.  Lem.  

•  Graves,  R.  W.,  and  A.  Pitarka  (2010).  Broadband  Ground-­‐Mo.on  Simula.on  Using  a  Hybrid  Approach,  Bull.  Seism.  Soc.  Am.,  100,  2095-­‐2123,  doi:10.1785/0120100057.  

•  Liu,  P.  and  R.  J.  Archuleta  (2004).  A  new  nonlinear  finite  fault  inversion  with  3D  Green’s  func.ons:  Applica.on  to  1989  Loma  Prieta,  California,  earthquake,  J.  Geophys.  Res.,  109,  B02318,  doi:10.1029/2003JB002625.  

References  •  Liu,  P.  R.  J.  Archuleta,  and  S.  H.  Hartzell  (2006).  Predic.on  of  broadband  ground-­‐mo.on  .me  histories:  Hybrid  low/high-­‐

frequency  method  with  correlated  random  source  parameters,  Bull.  Seism.  Soc.  Am.,  96(6),  2118-­‐2130,  doi:10.1785/0120060036.  

•  Mai,  P.  M.,  W.  Imperatori,  and  K.  B.  Olsen  (2010).  Hybrid  broadband  ground-­‐mo.on  simula.ons:  combining  long-­‐period  determinis.c  synthe.cs  with  high-­‐frequency  mul.ple  S-­‐toS  backscamering,  Bull.  Seism.  Soc.  Am.,  100,  5A,  2124-­‐2142,  doi:10.1785/0120080194.  

•  Mena,  B.,  P.  M.  Mai,  K.  B.  Olsen,  M.  D.  Purvance,  and  J.  N.  Brune  (2010).  Hybrid  broadband  ground-­‐mo.on  simula.on  using  scamering  Green’s  func.ons:  applica.on  to  large-­‐magnitude  events,  Bull.  Seism.  Soc.  Am.,  100,  5A,  doi:10.1785/0120080318.  

•  Motazedian,  D.,  and  G.  M.  Atkinson  (2005).  Stochas.c  finite-­‐fault  modeling  based  on  a  dynamic  corner  frequency,  Bull.  Seism.  Soc.  Am.,  95,  995-­‐1010.  

•  Olsen,  K.,  and  R.  Takedatsu  (2014).  The  SDSU  Broadband  Ground  Mo.on  Genera.on  Module  Bbtoolbox  Version  1.5,  submimed  to  Seism.  Res.  Lem.  

•  Schmedes,  J.,  R.  J.  Archuleta,  and  D.  Lavallée  (2010).  Correla.on  of  earthquake  source  parameters  inferred  from  dynamic  rupture  simula.ons,  J.  Geophys.  Res.,  115,  B03304,  doi:10.1029/2009JB006689.  

•  Schmedes,  J.,  R.  J.  Archuleta,  and  D.  Lavallée  (2013).  A  kinema.c  rupture  model  generator  incorpora.ng  spa.al  interdependency  of  earthquake  source  parameters,  Geophys.  J.  Int.  192  (3),  1116-­‐1131.  doi:  10.1093/gji/ggs02.  

•  Schneider,  J.  F.,  W.  J.  Silva,  and  C.  L.  Stark  (1993).  Ground  mo.on  model  for  the  1989  M6.9  Loma  Prieta  earthquake  including  effects  of  source,  path,  and  site,  Earthquake  Spectra  9,  251–287.  

•  Silva,  W.,  R.  Darragh,  C.  Stark,  I.  Wong,  J.  Stepp,  J.  Schneider,  and  S.  Chiou  (1990).  A  methodology  to  es.mate  design  response  spectra  in  the  near-­‐source  region  of  large  earthquakes  using  the  Band-­‐Limited-­‐White-­‐Noise  ground  mo.on  model,  in  Proc.  Fourth  U.S.  Na<onal  Conference  on  Earthquake  Engineering,  Vol.  1,  487–494.  

•  Silva,  W.  J.,  Abrahamson,  N.,  Toro,  G.,  and  Costan.no,  C.  (1997).  “Descrip.on  and  valida.on  of  the  stochas.c  ground  mo.on  model,  Final  Report.”  Brookhaven  Na<onal  Laboratory,  Contract  No.  770573,  Associated  Universi.es,  Inc.  Upton,  New  York  

•  Zeng,  Y.,  J.  G.  Anderson  and  G.  Yu  (1994).  A  composite  source  model  for  compu.ng  realis.c  synthe.c  strong  ground  mo.ons,  Geophysical  Research  Lemers  21,  725-­‐728.  

•  Zeng,  Y.,  J.  G.  Anderson  and  F.  Su  (1995).  Subevent  rake  and  random  scamering  effects  in  realis.c  strong  ground  mo.on  simula.on,  Geophysical  Research  Lemers  22,  17-­‐20.  

•  Zeng,  Y.  and  J.  G.  Anderson  (1996).  A  composite  source  model  of  the  1994  Northridge  earthquake  using  gene.c  algorithms,  Bull.  Seism.  Soc.  Am.  86,  No.  1B,  pages  S71-­‐S83.  

 

Comparison  of  Best  Fit  Simula.ons:  Loma  Prieta  V13.6  

Comparison  of  Best  Fit  Simula.ons:  Loma  Prieta  –  V13.6  

Comparison  of  Best  Fit  Simula.ons:  Loma  Prieta  –  V13.6