پایان نامه پهنه بندی خطر زمین لرزه و تهیه نقشه های شتاب طیفی برای سنگ بستر در محدوده ی طول جغرافیایی44-54 و عرض جغرافیایی5/26-40

پایان نامه کارشناسی ارشد

ژئوفیزیک – زلزله شناسی

1389

مقدمه

نقشه های شتاب طیفی به روش احتمالی برای ایران در محدوده  44 - 54 طول جغرافیایی و 5/26 - 40 عرض جغرافیایی بر اساس تحلیل خطر زمین لرزه و با استفاده از داده های تاریخی ، دستگاهی و چشمه های لرزه زا ارائه گردیده است. بدین منظور چشمه های فعال در منطقه مورد مطالعه شناسایی و به صورت چشمه های خطی و ناحیه ای مدل گردید، سپس منطقه مورد مطالعه به 17 استان لرزه زمین ساختی تقسیم و پارامترهای لرزه خیزی برای هر یک از چشمه ها محاسبه گردید. با استفاده از روابط کاهندگی و ترکیب روابط به روش درخت منطقی ، نقشه های شتاب طیفی برای دوره بازگشت های 75، 475، 975و 2475 سال برای اولین بار ارائه شد. این نقشه ها به منظور نشان دادن خطر لرزه ای منطقه مورد مطالعه به شکل سطوح خطر مختلف ارائه شده اندو  بیشینه شتاب زمین را برای دوره بازگشت های 75، 475، 975و 2475 برای پریودهای مختلف نشان می دهند. ناحیه مورد مطالعه به فاصله های 0.1 درجه در هر دو جهت طول و عرض جغرافیایی شبکه بندی شد و مقایر بیشینه شتاب زمین در هر یک از نقاط گره ای محاسبه و سپس نقشه های شتاب طیفی برای منطقه مورد مطالعه بدست آمدند.

The development of the Acceleration Spectra Map of Iran is based on probabilistic seismic computation using the historical earthquakes data, geology, tectonics, fault activity and seismic sourse models in Iran. These maps have been prepared to indicate the earthquake hazard of Iran in the form of iso-acceleration contour lines, and seismic hazard zoning, by using current probabilistic Procedures. They display the probabilistic estimates of Peak Ground Acceleration (PGA) for the return of 75, 475, 975, 2475 years. The maps have been devided into intervals of 0.1 degrees in both latitude and longitude directions to calculatures the peak ground acceleration values at each grid point and draw the seismic hazard curves. The results presented in this study will provide the basis for the preparathion seismic risk maps, the estimation of earthquake insurance premiums and the preliminary site evaluation of critical facielities

 فصل اول

کلیات

مقدمه

علیرغم تلاش بسیار گسترده ای که برای تعیین خطرات زمین لرزه انجام شده است، هنوز امکان پیش بینی دقیق زمان، مکان و بزرگای زمین لرزه های آینده میسر نگشته است. نوار لرزه خیز آلپ-هیمالیا(یکی از نواحی لرزه خیز دنیا) از ایران می گذرد. همچنین حرکت صفحه عربی و ثابت بودن صفحه اوراسیا ایران را در خطر بسیار بالایی از خطر لرزه خیزی قرار داده است. وقوع زمین لرزه های مخرب در گذشته باعث خسارات جانی و مالی فراوانی در این بخش شده است و احتمال وقوع این زمینلرزه ها در آینده نیز وجود دارد. مبنا و تحلیل خطر لرزه ای، آنالیز لرزه خیزی یا رویداد زمین لرزه ها در حوزه زمان و مکان می باشد. دانش صحیح لرزه خیزی یک ابزار مهم برای فهمیدن تکتونیک های فعال است. تعیین پارامترهای لرزه خیزی در مطالعات تحلیل خطر زمین لرزه از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در واقع این پاارامترها بیانگر وضعیت لرزه خیزی یک پهنه یا یک گسل می باشند و توصیف کننده اثرات ناشی از یک زمین لرزه می باشند که با کمیت عددی بیان می گردند. مهمترین پارامترهای جنبش نیرومند زمین که در ارزیابی های خطر زمین لرزه ورفتار سازه های مختلف در برابر آنها مورد نظر بوده و دارای کاربرد مهندسی است، شامل بیشینه مقادیرشتاب، سرعت، تغییرمکان و همچنین طیف پاسخ شتاب یا سرعت در میراییهای مختلف می باشند. در مطالعات مربوط به برآورد پارامترهای لرزه خیزی و تحلیل خطر زمین لرزه معمولا فرض بر این می باشد که رویداد زمین لرزه ها از یک فرآیند پواسونی که در حوزه زمان و مکان مستقل از همدیگر می باشند پیروی نماید. به منظور دستیابی به توزیع پواسون، رویدادهای وابسته شامل پیشلرزه ها و پسلرزه ها بایستی از کاتالوگ حذف گردد. برای برآورد پارامترهای لرزه خیزی از روشهای مختلفی مانند روش گوتنبرگ-ریشتر و روش کیکو استفاده می شود. وقوع زمین لرزه ها در چشمه های زمین ساختی با تولید موجهای لرزه ای همراه است. این موجهای لرزه ای است که باعث تکان های شدید زمین در نقاط مختلف گستره می شوند. به علت پدیده هایی چون جذب وگسترش هندسی، موجهای لرزه ای با فاصله تضعیف می شوند. تکان های شدید زمین را می توان توسط کمیت های فیزیکی مانند شتاب، سرعت یا جابجایی نشان داد. روابط کاهندگی ارتباط بین این پارامترها را با بزرگا و فاصله ویا سایر پارامترهای مورد نیاز دیگر بیان می کند. با انجام تحقیقات فوق درقالب تحلیل خطر زمین لرزه با استفاده از روش احتمالی، نقشه های خطر زمین لرزه برای دوره بازگشتهای مورد نظر تهیه می گردد.

1-2 - لرزه خیزی منطقه مورد مطالعه

زاگرس شامل نواری شمال غربی_جنوب شرقی است این روند در جنوب شرق حالت شرقی- غربی به خود می گیرد. اغلب گسلهای زاگرس دارای ساختار معکوس بوده و دارای شیبی بین 30 تا 60 درجه می باشند. زلزله ها در این منطقه غالبا دارای عمقی بین 8 تا 15 کیلومتر می باشند، دو زمین لرزه عمیق تر (تقریبا 28 کیلومتر) روی تراست با زاویه کم در شمال زاگرس و در حاشیه انتهایی شمال آن روی داده است که ممکن است بیان کننده فرورانش صفحه عربی به زیر ایران مرکزی در باریکترین قسمت زاگرس باشد(طالبیان و جکسون 2004).

البرز، یک زنجیره کوهستانی در شمال ایران بین خزر و ایران مرکزی است. گسلهای این منطقه معمولا ساختاری امتداد لغز چپگرد و معکوس موازی دارد. زمین لرزه های البرز معمولا کم عمق هستند. مهمترین زلزله سالهای اخیر می توان به زمین لرزه 1369 رودبار اشاره کرد.

1-2-1 زمین لرزه های تاریخی

برآورد آماری زلزله های تاریخی زمین لرزه های حاصل از کاتالوگ زمین لرزه های  تهیه شده است که توسط بربریان(1374) و امبرسیز و ملویل(1982) مورد بررسی قرار گرفته است. شکل زیر رو مرکز زمین لرزه های تاریخی را در گستره ی مورد مطالعه نشان می دهد. بزرگای نسبت داده شده به زمین لرزه های تاریخی دارای خطای بالایی نسبت به زمین لرزه های دستگاهی می باشد. این خطا تا 5 / . ± برای بزرگای زمین لرزه های تاریخی در نظر گرفته می شود(شکل1-1). همانطور که از شکل زیر مشخص است زمین لرزه های بالاتر از 9/6 در البرز روی داده اند. بیشتر زمین لرزه های تاریخی زاگرس بین 9/4و 9/5 می باشند.

(تصاویر در فایل اصلی قابل مشاهده است )

1-2-2 زمین لرزه های دستگاهی

زمین لرزه های رویداده که از منابع مختلف جمع آوری شده، مورد بررسی قرار گرفته است. زمین لرزه های دستگاهی مانند زمین لرزه های تاریخی دارای خطای مکانی و بزرگای می باشند. این خطا، با افزایش دستگاههای لرزه نگاری به مرور زمان کمتر شده است. این خطا برای بازه های زمانی مختلف با توجه به دقت داده ها بدست آمده است. این خطا و مقدارهای آن برای زمانهای مختلف در قسمت 3-6 توضیح داده خواهد شد. شکل زیر زمین لرزه های دستگاهی را نشان می دهد(شکل1-2).

1-3- ساختار پایان نامه

فصل اول این پایان نامه شامل  کلیات پایان نامه، لرزه خیزی منطقه مورد مطالعه، زلزله های تاریخی و دستگاهی و اهداف تحقیق است. فصل دوم شامل ادبیات فنی، روشهای کلی تحلیل خطر زلزله به روش احتمالاتی، مراحل انجام آن که شامل شناسایی چشمه های لرزه زا، قانون گوتنبرگ- ریشتر و روابط کاهندگی می باشند ارائه می گردد. در این فصل همچنین چگونگی محاسبه منحنی های خطر ، مدل پواسون و لزوم بکارگیری درخت منطقی برای اعمال عدم قطعیت های مختلف در تحلیل خطر لرزه ای به روش احتمالاتی ارائه می گردند.  لرزه زمینساخت منطقه مورد مطالعه در فصل سوم بیان می شود. با توجه به اینکه هدف این تحقیق، تهیه نقشه های شتاب طیفی در مقیاس 1:2500000 می باشد لذا گسل های موجود در این مقیاس در گستره مورد مطالعه در ادامه فصل سوم آورده شده است. در فصل چهارم، روش انجام تحقیق ارائه شده است. چشمه های لرزه زا با استفاده از لرزه خیزی و لرزه زمین ساخت منطقه مورد مطالعه به دو صورت چشمه های های خطی و ناحیه ای مدل شده است. با توجه به اینکه برای بزرگاهای امواج حجمی، سطحی و محلی، همه بزرگاهای زمین لرزه ها بر حسب بزرگای ممان لرزه ای یکنواخت شدند. پس از آن ناحیه مورد مطالعه بر اساس لرزه خیزی، تکتونیک و زمین شناسی منطقه مطالعه به 17 استان لرزه زمین ساختی تقسیم بندی شد و پارامترهای لرزه خیزی در هریک از این استانهای لرزه زمین ساختی محاسبه خواهد شد. قبل از محاسبه پارامترهای لرزه خیزی، پیش لرزه ها و پس لرزه ها به روش گاردنر- نوپوف از کاتالوگ زمین لرزه ها حذف شد. پس از حذف این رویدادها، با توجه به افزایش داده های لرزه ای با گذشت زمان نمودارهای Mc with time برای مناطق البرز، زاگرس و کل ایران بدست آمد و کاتالوگ زمین لرزه ها به یک قسمت زمین لرزه های تاریخی(قبل از1900میلادی) و 5 قسمت زمین لرزه های دستگاهی تقسیم بندی شد سپس با استفاده از روش کیکو- سلوول پارامترهای لرزه خیزی که شامل ماکزیمم بزرگای پیش بینی شده، Mmax، نرخ فعالیت، ، و مقدار b  در رابطه ی گوتنبرگ-ریشتر می باشند بدست آمد. برای بدست آمدن Mmax نهایی برای هر کدام از زونها از روابط تجربی ولز- کوپراسمیتت، زارع و مهاجر اشجعی، ماکسیمم بزرگای مشاهده شده در هر زون و نیز ماکسیمم بزرگای  بدست آمده از روش کیکو- سلوول، با استفاده از روش درخت منطقی  بدست آمد. در ادامه فصل به منظور برآورد بیشینه شتاب به روش احتمالی، روابط کاهندگی مورد استفاده در تحلیل خطر بیان شده است. این روابط شامل روابط کاهندگی آبراهامسون- سیلوا(1997)، جوینر بور و همکاران(1997)، کمپبل بزرگنیا (2003) برای هر مؤلفه قائم و افقی و رابطه زارع- قاسمی (1999) می باشد که برای پریودهای مختلف تعریف شده اند.

در فصل پنجم نقشه های شتاب طیفی برای ترکیب روابط کاهندگی با روش درخت منطقی، در پریودهای 0.1، 0.2، 0.3، 0.4، 0.5، 1، 2، 3و 4، برای دوره بازگشتهای 75 سال، 475 سال، 975 سال و 2475 سال رسم شده اند. برای این کار از برنامه کامپیوتری CRISIS 2007 (یک برنامه کامپیوتری برای تخمین خطر لرزه ای)، برای محاسبه پیک شتاب زمین استفاده شده است. آنالیز خطر لرزه ای برای سایت های تعیین شده، در شبکه های 0.1 در 0.1 انجام شده نقشه های بیشینه شتاب و نقشه های شتاب طیفی رسم شدند. در ادامه نمودارهای شتاب طیفی برای 22 مرکز استان که در منطقه مورد مطالعه قرار داشتند رسم گردیدند. در فصل ششم، به بحث در مورد نتایج بدست آمده در این پایان نامه پرداخته شده است و مناطق با خطرهای بسیار بالا، بالا، متوسط و پایین ذکر گردیده است. مقایسه نتایج نقشه های بیشینه شتاب برای دوره بازگشت 475 سال با نتایج بدست آمده در کارهای گذشته نظیر نقشه توکلی- آشتیانی(1999) و نقشه آیین نامه 2800 صورت گرفته است. این مقایسه برای تمامی مراکز استان های منطقه مورد مطالعه برای دوره بازگشت 475 سال انجام شده است. در ادامه  نتایج بدست آمده در این پایان نامه ذکر شده و پیشنهادات مفیدی که در راستای ادامه و انجام هر چه بهتر انجام شود ارائه شده است.

(تصاویر در فایل اصلی قابل مشاهده است )

تحقیقات انجام شده

الف) نقشه خطر لرزه ای ایران برای دوره بازگشت های 75 و 475 سال (آشتیانی – توکلی 1378) .

ب) نقشه بیشینه شتاب برای دوره بازگشت 475 سال (آیین نامه 2800).

در پیوست نقشه های بیشینه شتاب برای روابط کاهندگی آبراهامسون- سیلوا(1997)، جوینر بور و همکاران(1997)، کمپبل بزرگنیا (2003) برای هر مؤلفه قائم و افقی ارائه شده است.

مراجع

1. آمبرسیز، ملویل، اچ. (1370). تاریخ زمین لرزه های ایران (ترجمۀ ابوالحسن رده).

2. زارع، مهدی.(1388). مبانی تحلیل خطر زمین لرزه: تهران.   پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله.

3. آقانباتی. سید علی. (1383). زمین شناسی ایران: وزارت صنایع و معادن. سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور.                       

.                                                                                                                                                                 4.Zare, M., Arsovaki, M. (1992). Earthquake hazard modelling and seismotectonic of the Southern Lake Urumieh region, Northwest of Iran Seismological Research Letter, Seis. Soc. Of America, 63, 9.

5.Cornell, C.A. (1968). Engineering seismic risk analysis. Bulletin of the seismological Society of America,58,5, 1583-1606.                                                                                                                         

6.Green , R.A., Hall, W.J. (1994). An overview of selected seismic hazard analysis methodologies, civil engineering studies [Report, structural research series, No.592]. Urbana USA: Univ. Of Illinois at    Urbana Champaing.

                                                                                                                                                                     7.Reiter, L.(1990). Earthquake hazard analysis-issues and insights. New York: Columbia:       University Press.

 8.A.Kijko and M. A. Sellevoll (1989). Estimation of earthquake hazard parameters from incomplete data files. Part I. Utilization of extreme and complete catalogs with different thereshold magnitudes.Bulletin Society  of America, Vol. 79,pp. 645-654, June 1989.

9. H. Ghasemi · M. Zare · Y. Fukushima · K. Koketsu .An empirical spectral ground-motion model for Iran Received: 28 June 2008 / Accepted: 25 September 2008 / Published online: 21 October 2008

10.Behrooz Tavakoli and Mohsen Ghafory –Ashtiany.International Institute of Earthquake Engineering and Seismology (IIEES), Tehran, I.R. Iran. Annali di geofisica voi. 42, N. 6, December 1999.

11.A.Kijko and M. A. Sellevoll (1992). Estimation of earthquake hazard parameters from incomplete data files. Part II. magnitudes.Bulletin Society  of America, Vol. 82,No. 1, pp. 120-134, February 1992.

 12.N. Abrahamson, W. J . Silva.Empirical response spectral attenuation relations for shallow crustal earthquakes. Seismological research Letters. V. 68, N. 1,January/February 1997.

13.Kenneth W. Campbell and Yousef Bozorgnia. Updated Near-Source Ground-Motion (Attenuation) Relations for the Horizontal and Vertical Components of Peak Ground Acceleration and Acceleration Response Spectra. Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 93, No. 1, pp. 314–331, February 2003.

14. Zmap a tool for analyses of seismicity pattern typical application and uses:a cookbook max wyss, stefan weimer & ramon zuniga.

15.David . M. Boor,William. B. Joyner and Thomas E. Fumal.Equation for estimating horizontal response spectra and peak acceleration from western north American earthquakes: A Summary of recent work. Seismic research letters . V.68. N.1, January/February 1997.

16. Use of Logic Trees in Probabilistic Seismic Hazard Analysis F-1. Logic Trees in Probabilistic Seismic Hazard. 30 Jun 99.

17. Berberian, M. (1976). Contribution to the seismotectonic of Iran (Part II), 40,570p. Tehran: Geol. Surv. Iran.

18.International Handbook of Earthquake and Engineering Seismology. Academic Press, An imprint of  Elsevier Science, 2002.

19. Vernant, P., Nilforoushan, F., Hatzfeld, D., Abbassi, M., Vigny, C., Masson, F., Nankali, H.,

Martinod, J., Ashtiani, A., Bayer, R., Tavakoli, F., and Chery, J., 2004a, Contemporary crustal

deformation and plate kinematics in Middle East constrained by GPS measurements in Iran and

northern Iran: Geophysical Journal International, v. 157, p. 381–398, doi: 10.1111/j.1365-

246X.2004.02222.x.

20Vernant, P., Nilforoushan, F., Chery, J., Bayer, R., Djamour, Y., Masson, F., Nankali, H., Ritz, J.F.,

Sedighi, M, and Tavakoli, F., 2004b, Deciphering oblique shortening of central Alborz in Iran using

geodetic data: Earth and Planetary Science Letters, v. 223, p. 177–185, doi: 10.1016/j.epsl.2004

.04.017

21. Wells,D.L.&Coppersmith, K.J., 1994. NewEmpirical Relationships among Magnitude, Rupture

Lenth, Rupture Width, Rupture Area, and Surface Displacement, Bull. Seism. Soc. Am., 84, 974–

1002

22. Engdahl, E.R., van der Hilst, R., and Buland, R., 1998, Global teleseismic earthquake relocation with improved travel times and procedures for depth determination: Bulletin of the Seismological Society of America, v. 88, p. 722–743.

23. McKenzie, D.P., 1972, Active tectonics of the Mediterranean region: Geophysical Journal of the

 Royal Astronomical Society, v. 30, p. 109–185