Development of a new approach to define reference ground motions applicable to existing strong-motion databases
Développement d'une nouvelle approche pour définir les mouvements sismiques de référence applicables aux bases de données existantes
Résumé
The realization of site-specific seismic hazard studies requires, on the one hand, to evaluate the local amplification due to site effects (numerical or empirical methods), and on the other hand, to have "incident" or "reference" movements. The reference motion should represent the bedrock properties of the studied site, the characteristics of the regional seismic sources, and the crustal attenuation parameters. Today, such motions are still not available or adapted for sites with rigid geological substratum (hard-rock) at the surface. The state-of-the-practice to overcome this issue is to apply physics-based corrections to account for site-specific differences. However, recent studies have shown that these corrections underly significant uncertainties that may overestimate the seismic hazard. Moreover, considerable progress has been made in the last few years. Several methodologies were proposed to retrieve these incidental seismic movements, one of which is the deconvolution approach. The deconvolution approach relies on removing site effects from surface recordings to obtain the underlying bedrock motion. The latter approach was validated on the Japanese KiK-net database benefiting from a very high level of characterization, which allows obtaining theoretical site responses. Despite the progress, the "transposition" of this approach to the stable French and European context raises a central scientific question: how to overcome the lack of characterization of European accelerometric stations and the absence of downhole recordings? In this PhD work, we propose generalized inversion techniques as a key element to deliver empirical site responses. Generalized inversions reduce the assumptions on site effects present in the theoretical estimations, and they reduce the necessity for site characterizations for all sites to only a few ones. First, reliable retrieval of site effects from generalized inversions requires a proper reference site condition. Here, we propose to use theoretical estimations to obtain the absolute site response of one or several stations, benefiting from existing site characterizations in the dataset. Also, we consider a source of uncertainty, which is the vertical small-scale heterogeneities in the near-surface, and we show that it could impact theoretical estimations in the high frequencies. Second, the use of generalized inversions requires exploring the related uncertainties due to different possibilities of application on different dataset configurations. After ensuring a robust and reliable estimate of site effects, we complete the validation of the deconvolution approach on the Japanese KiK-net network. In the end, we derive a reference ground-motion prediction equation with a methodology that can be transposable to the French and European context. The work presented in this document serves as a basis for future work in the French and European context.
La réalisation d'études de l’aléa sismiques site-spécifiques nécessite, d'une part, d'évaluer l'amplification locale due aux effets de site (méthodes numériques ou empiriques), et d'autre part, de disposer de mouvements "incidents" ou "de référence". Le mouvement de référence doit représenter les propriétés du substratum rocheux du site étudié, les caractéristiques des sources sismiques régionales et les paramètres d'atténuation crustale. Aujourd'hui, de tels mouvements ne sont toujours pas disponibles ou adaptés aux sites dont le substratum géologique est rigide (roche dure) à la surface. L'état actuel de la pratique pour surmonter ce problème est d'appliquer des corrections basées sur la physique pour tenir compte des différences spécifiques au site. Cependant, des études récentes ont montré que ces corrections sont à l'origine d'incertitudes importantes qui peuvent surestimer l'aléa sismique. De plus, des progrès significatifs ont été réalisés au cours des dernières années. Plusieurs méthodologies ont été proposées pour récupérer ces mouvements sismiques de référence, dont l'une est l'approche par déconvolution. L'approche de déconvolution repose sur la suppression des effets de site des enregistrements de surface pour obtenir le mouvement du substratum rocheux sous-jacent. Cette dernière approche a été validée sur la base de données Japonaise KiK-net bénéficiant d'un très haut niveau de caractérisation, ce qui permet d'obtenir des réponses théoriques du site. Malgré les progrès réalisés, la " transposition " de cette approche au contexte stable français et européen pose une question scientifique centrale : comment pallier le manque de caractérisation des stations accélérométriques européennes et l'absence d'enregistrements de fond des forages ? Dans ce travail de thèse, nous proposons les techniques d'inversion généralisées comme élément clé pour fournir des réponses empiriques aux sites. Les inversions généralisées réduisent les hypothèses sur les effets de site, présentes dans les estimations théoriques, et elles réduisent la nécessité de caractériser tous les sites à quelques sites seulement. Premièrement, une évaluation fiable des effets de site à partir d'inversions généralisées nécessite une condition de site de référence appropriée. Ici, nous proposons d'utiliser des estimations théoriques pour obtenir la réponse absolue du site d'une ou plusieurs stations, à imposer dans les inversions, en profitant des caractérisations de site existantes dans la base des données. De plus, nous considérons également une source d'incertitude dans les caractérisations des stations, qui est les hétérogénéités verticales à petite échelle dans la proche surface, et nous montrons qu'elle pourrait avoir un impact sur les estimations théoriques aux hautes fréquences. Deuxièmement, l'utilisation d'inversions généralisées nécessite l'exploration des incertitudes liées aux différentes possibilités d'application sur différentes configurations de jeux de données. Après avoir assuré une méthodologie robuste et fiable pour estimer les effets de site, nous complétons la validation de la déconvolution sur le réseau japonais KiK-net. Au final, nous dérivons une équation de prédiction des mouvements de référence du sol avec une méthodologie transposable au contexte français et européen. Le travail réalisé dans ce manuscrit servira de base à un futur travail qui sera mené sur les bases de données européennes.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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