Análisis de la distribución de PGA de sismos de magnitud moderada y escenario de la respuesta del terreno ante un sismo de M7.4 para Puerto Rico usando funciones empíricas de Green

Abstract

Peak Ground Acceleration (PGA) and Pseudo Spectral Accelerations (PSA) distribution of two moderate magnitude earthquakes (M5.8, and M6.4) occurred in mainland and off-shore of Puerto Rico Island (PRI), recorded by the accelerometers of the Puerto Rico Strong Motion Program (PRSMP) were analyzed. Standard strong motion processing was applied to the data, obtaining uncorrected and, corrected acceleration records in physical units of acceleration, velocity and displacement, as well as the spectral representation of all above, respectively. Ground motions showed significant variation of PGA and PSA all around PRI, which is in disparity to the expected amplitude distance decay. The values of PGA distribution in PRI were compared with various Ground Motion Predictive Equations (GMPE) estimated for regions with apparent similarity tectonic environment of PR region as well as for PRI to clarify the contribution of local site response effect. The above, was the motive to conduct a ground motion scaling study in order to obtain a scenario of PGA distribution in PRI upon the probable occurrence of large magnitude (M≥ 7) earthquakes using moderate magnitude earthquake. Empirical Green’s Functions (EGF) was the processing method of the scaling a moderate magnitude earthquake into a large magnitude earthquake, which requires used to scale the source rupture process analysis as well. The variation of the PGA in terms of the instrumental intensity (MMI): (i) for the 13/01/2014 earthquake (M6.4) was V in the area of Arecibo Town (epicentral distance ~ 74.4 km), other areas within even shortest epicentral distances barely reached III; (ii) for the earthquake of 05/16/2010 (M5.8) was VII in Utuado Town area (epicentral distance ~ 42 km) and V in Añasco Town area (epicentral distance ~ 15 km), which corresponds to PGA values of 0.23g and 0.0651g, respectively. PSA peak values with the shortest period were at UTD3 (0.06-s, 75.2-PSA). Finally, a scenario of PGA and instrumental intensity distribution was generated within PRI upon the occurrence of large magnitude, M7.4 earthquake in the epicentral region of the M6.4 earthquake. The results showed an expected and reasonable behavior which is in agreement with the previous studies of earthquakes of moderate magnitude (5≤M≤6.4). Amplification effect due to local site conditions seems to be the dominant contribution on ground response. Empirical Green's function method can be successfully applied to generate scenarios of PGA (or instrumental MMI) distribution in regions where large earthquake has not been recently occurred or never been recorded instrumentally, which is the case for the mainland of PRI.

La distribución de Aceleraciones Pico del Terreno (PGA, por sus siglas en inglés) y Aceleraciones Pseudo Espectrales (PSA, por sus siglas en inglés) de dos sismos de magnitud M5.8 y M6.4 ocurridos en tierra firme y mar adentro de la Isla de Puerto Rico (IPR), registrados por los acelerómetros del Programa de Movimiento Fuerte de Puerto Rico (PRSMP, por sus siglas en inglés), fueron analizados. Se aplicó el procesamiento estándar de movimiento fuerte a los datos, obteniendo registros de aceleración sin corregir y corregidos en unidades físicas de aceleración, velocidad y desplazamiento, así como la representación espectral de todo lo anterior, respectivamente. Los movimientos del suelo mostraron una variación significativa de PGA y PSA alrededor de la IPR, lo que está en disparidad con la caída esperada de amplitud-distancia. Los valores de distribución de PGA en la IPR se compararon con varias Ecuaciones Predictivas de Movimiento Terrestre (GMPE) estimadas para regiones con un entorno tectónico de similitud aparente de la región de PR, así como para la IPR, con el fin de aclarar la contribución del efecto de respuesta local de sitio. Lo anterior, fue el motivo que condujo a un estudio de escalamiento del movimiento del suelo con el fin de obtener un escenario de distribución de PGA en la IPR ante la probable ocurrencia de sismos de gran magnitud (M≥7) utilizando sismos de magnitud moderada a fuerte. La función empírica de Green (EGF, por sus siglas en inglés) fue el método de procesamiento para escalar un sismo de magnitud moderada a fuerte para un sismo de gran magnitud, lo que requiere también el análisis del proceso de ruptura de la fuente. La variación de la PGA en términos de la intensidad instrumental (MMI, por sus siglas en inglés): (i) para el sismo del 13/01/2014 (M6.4) fue V en el área del pueblo de Arecibo (distancia epicentral ~ 74.4 km), otras áreas incluso dentro de las distancias epicentrales más cortas apenas alcanzaron a III; (ii) para el sismo del 16/05/2010 (M5.8) fue VII en la zona del pueblo de Utuado (distancia epicentral ~ 42 km) y V en la zona del pueblo de Añasco (distancia epicentral iii ~ 15 km), lo que corresponde a valores de PGA de 0,23 g y 0,0651 g, respectivamente. Los valores máximos de PSA con el período más corto estaban en UTD3 (0,06-seg, 75,2-PSA). Finalmente, se generó un escenario de distribución de PGA e intensidad instrumental dentro de IPR ante la ocurrencia de un terremoto de gran magnitud M7.4 en la región epicentral del terremoto M6.4. Los resultados mostraron un comportamiento esperado y razonable que está de acuerdo con los estudios previos de sismos de magnitud entre 5≤M≤6.4. El efecto de amplificación debido a las condiciones locales del sitio parece ser la contribución dominante en la respuesta del suelo. ​​​​​​​El método de la función Empírica de Green se puede aplicar con éxito para generar escenarios de distribución de PGA (o instrumental MMI) en regiones donde no se ha producido recientemente un gran terremoto o nunca se ha registrado instrumentalmente, como es el caso para la IPR en tierra firme.