Het inschatten van de seismische dreiging is dé maatschappelijke opdracht van aardbevingswetenschappers. Dit blijkt een uitermate moeilijke en complexe uitdaging te zijn die aardbevingswetenschappers al decennia lang achtervolgt.
Foto boven: De probabilistische seismische dreigingskaart van het continentaal deel van de Verenigde Staten (USGS 2014): 10% waarschijnlijkheid van overschrijdig van een piekgrondversnelling (fractie van zwaartekracht) in een tijdspanne van 50 jaar. Deze dreigingskaart houdt enkel rekening met de natuurlijke seismiciteit.
Nemen we nu het voorbeeld van het continentale deel van de Verenigde Staten dan zien we twee zones waar hoge piekgrondversnellingen worden voorspeld op de seismische dreigingskaart, enerzijds langs de San Andreasbreuk in Californië, en anderzijds in de zogenaamde 'New Madrid seismic zone' in het oostelijk deel van de Verenigde Staten. Beide zones hebben inderdaad in de recente geschiedenis zware (natuurlijke) aardbevingen ondergaan. Denk maar aan de 1906 San Francisco-aardbeving, en de 1811-1812 New Madridaardbevingen. Let ook op het centrale deel van de Verenigde Staten (Oklahoma, Texas, Kansas), waar relatief lagere piekgrondversnellingen worden voorspeld.
Deze klassieke seismische dreigingskaarten steunen op twee belangrijke pijlers. In de eerste plaats op de kwaliteit van de aardbevingscatalogus, die zo ver mogelijk in de tijd terug gaat. Deze aardbevingscatalogus is niet enkel gebaseerd op de instrumenteel opgemeten aardbevingen (slechts de laatste honderd jaar), maar ook op de pre-instrumentele aardbevingen, waarvan we sporen terugvinden in het historische (historische seismologie), archeologisch (archeoseismologie) of geologische archief (paleoseismologie).
Zo kan de aardbevingsgeschiedenis gereconstrueerd worden tot in een ver verleden, duizenden tot tienduizenden jaren terug in de tijd. Hieruit blijkt dat het aardbevingssysteem tot op zekere hoogte tijdsonafhankelijk is. Daarnaast verschijnen in zo'n uitgebreide aardbevingscatalogus aardbevingen met een ruim bereik aan magnitudes, zodat de parameters voor de Gutenberg-Richtercorrelatie - enerzijds de 'seismische productiviteit' (a) en anderzijds de 'b-waarde' - vrij goed kunnen worden ingeschat. Deze Gutenberg-Richtercorrelatie legt immers de verhouding vast van de frequentie waarmee aardbevingen met een bepaalde magnitude voorkomen. Hoe nauwkeuriger deze correlatie - en het bijzonder de 'b-waarde' - kwantitatief kan worden beschreven, hoe beter de kans op de 'Big Ones' kan worden ingeschat.
En dan zien we dat we in gebieden met geïnduceerde seismiciteit met een dubbel probleem geconfronteerd worden. Ten eerste is de geïnduceerde seismiciteit een vrij recent fenomeen. De aardbevingscatalogus is dan ook uiterst beperkt in de tijd. Bovendien is de spreiding van magnitudes relatief gezien beperkt, met vooral lage magnitudes, zodat de Gutenberg-Richtercorrelatie niet echt betrouwbaar kan worden ingeschat. De onzekerheden verbonden met een seismische dreigingsanalyse zijn dan ook ontzettend groot. Daar komt nog bovenop dat het aardbevingssysteem voor geïnduceerde seismiciteit de facto tijdsafhankelijk is, voornamelijk omdat het afhangt van een sterk veranderende industriële activiteit. Door dit tijdsafhankelijke karakter en de zeer beperkte aardbevingscatalogus wordt het überhaupt zo goed als onmogelijk om een betrouwbare inschatting te maken van de seismische dreiging over een periode van 50 jaar.
Het is dan ook duidelijk voor de seismologische gemeenschap dat de klassieke seismische dreigingsanalyse eigenlijk weinig zin heeft in gebieden met geïnduceerde seismiciteit. Gezien de seismische activiteit sterk variabel is, en dus ook de inschatting van de seismische dreiging van jaar op jaar verandert, is de klassieke seismische dreigingsanalyse totaal niet bruikbaar voor bouwcodes. Immers, tegen dat het bewuste gebouw er staat, is de piekgrondversnelling, waarop het ontwerp van het gebouw gebaseerd is bij de planning, waarschijnlijk al totaal achterhaald (in positieve of negatieve zin). Dit heeft de seismologische gemeenschap doen besluiten op zoek te gaan naar een betere manier om de seismische dreiging die uitgaat van geïnduceerde aardbevingen, in te schatten en op een bruikbare manier te verwoorden voor publiek en beleidsmakers.
Aardbevingswetenschappers in de Verenigde Staten hebben het dan ook over een totaal andere boeg gegooid (zie ook 'Van San Francisco tot Loppersum'). In plaats van op lange termijn de seismische dreiging te proberen inschatten onderhevig aan zoveel onzekerheden, wordt er gefocust op de inschatting van de seismische dreiging op korte termijn, met name één jaar. Daarbij gaat men uit van de aardbevingscatalogus van de voorbije één à twee jaar, met de aanname dat de seismiciteit waarschijnlijk vrij gelijkaardig gaat zijn in het komende jaar. De seismische dreigingsanalyse gaat vervolgens uit van een 1% kans binnen één jaar. Op een tijdspanne van 50 jaar zou dit een kans van 50% betekenen ... of eens in de ~73 jaar. Eigenlijk wil dit zeggen dat de kans zeer reëel is dat iedereen het tenminste éénmaal in zijn leven meemaakt. De focus verschuift in zo'n dreigingsanalyse dan ook van de uiterst zeldzame 'Big One' naar de meer courante aardbevingen met een lagere magnitude. Ook deze aardbevingen hebben een impact, onder de vorm van ofwel schade ofwel ongerustheid.
En om deze seismische dreigingskaart ook verstaanbaar te maken voor publiek en beleidsmakers, heeft men de klassieke dreigingskaarten, uitgedrukt in piekgrondversnellingen (PGA), vertaalt in kaarten die de kans dat de intensiteit VI wordt overschreden, dus dat er aardbevingschade geleden wordt, weergeeft. Dergelijke kaarten geven beleidsmakers - en de individuele burger - een instrument om de nodige voorzorgsmaatregelen te treffen voor het komende jaar. Maar het vormt ook een basis voor een systeem, waarbij de industriële activiteit kan gereguleerd worden in functie van een seismische dreiging op korte termijn. Deze seismische dreigingsanalyse ondergaat immers jaarlijks - en mogelijk zelfs halfjaarlijks - een update. Zo kan men kort op de bal spelen.
Foto boven: Deze kaart geeft de kans weer dat schade (intensiteit groter dan VI) geleden wordt het komende jaar door natuurlijke en geïnduceerde aardbevingen. Vergelijk Californië (natuurlijke seismiciteit) en Oklahoma (voornamelijk geïnduceerde seismiciteit).
Zo zien we op de nieuwe seismische dreigingskaarten dat de kans dat men het komende jaar in Oklahoma schade ondervindt door een geïnduceerde (of natuurlijke) aardbeving ongeveer even groot is als de kans op schade in Centraal-Californië door een natuurlijke aardbeving op een van de breuken van het San Andreasbreuksysteem. Vergeleken met de klassieke seismische dreigingskaart (10% op 50 jaar) blijkt dat in Oklahoma de seismische dreiging (uitgedrukt in piekgrondversnelling) op één jaar plots drie maal hoger ligt.
De wetenschap staat niet stil. Geconfronteerd met de nieuwe uitdaging van de geïnduceerde aardbevingen is de seismologische gemeenschap tot het voortschrijdend inzicht gekomen dat de seismische dreigingsanalyse in gebieden geplaagd door geïnduceerde aardbevingen, over een andere boeg moest gegooid worden. Dit leidde in de Verenigde Staten tot nieuwe seismische dreigingskaarten, waarmee burger en beleidsmaker echt aan de slag kan. En nu is het gewoon een kwestie van "the proof of the pudding is in the eating" ... en daar vernemen we waarschijnlijk alles over op de komende internationale conferenties.
Petersen, M. D. et al. 2016. 2016 One-Year Seismic Hazard Forecast for the Central and Eastern United States from Induced and Natural Earthquakes. Open-File Report 2016-1035. doi: 10.3133/ofr20161035.
Eens in de 475 jaar
Geïnduceerde aardbevingen
One-Year Seismic Hazard Forecast
Deze uitdaging wordt echter nog des te groter wanneer ze geconfronteerd worden met geïnduceerde aardbevingen. Maar ook op dat vlak wordt er vooruitgang geboekt. Al geldt dit niet overal ter wereld (zie ook 'Van San Francisco tot Loppersum').
De inschatting van de seismische dreiging is een kwestie van waarschijnlijkheden. We gaan immers inschatten wat de kans is dat een aardbeving met een bepaalde magnitude zich voordoet in een bepaalde tijdspanne (zie bijvoorbeeld 'Geprangd tussen actieve breuken (1)'), of wat de kans is dat een bepaalde grondversnelling - met als maatstaf de piekgrondversnelling of PGA - overschreden wordt in een bepaalde tijdspanne (zie ook 'Van binnen naar buiten?'). Deze probabilistische seismische dreigingsanalyse (probabilistic seismic hazard assessment - PSHA) kan dan gebeuren voor een welbepaald breuksysteem of voor een bepaalde aardbevingsgevoelige regio. Het resultaat is een seismische dreigingskaart.
Klassiek wordt als tijdspanne 50 jaar genomen. Dit is immers de tijdspanne waarbinnen aardbevingsbestendige bouwcodes (bv. Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance) een effect kunnen hebben voor het terugdringen van het aardbevingsrisico. De meest courante probabilistische seismische dreigingsanalyse gaat uit van de 10% waarschijnlijkheid in een tijdspanne van 50 jaar. Nemen we een tijdspanne van één jaar betekent dit een waarschijnlijkheid van 0,21%. Of nog anders uitgedrukt: dit gebeurt slecht eens in de 475 jaar. Dus als er 10% kans is dat een aardbeving met een magnitude 6,0 zich voordoet in een tijdspanne van 50 jaar, betekent dit dat er van uitgegaan wordt dat een M6,0 aardbeving zich eens in de 475 jaar voordoet. En als er 10% kans is dat een piekgrondversnelling van 0,22g wordt overschreden in een tijdspanne van 50 jaar, betekent dit dus ook dat men er van uitgaat dat deze piekgrondversnelling eens in de 475 jaar wordt overgeschreden.
In een dergelijke seismische dreigingsanalyse wegen de zwaardere aardbevingen, die eerder uitzonderlijk voorkomen, relatief gezien zwaarder door dan de meer courante lichtere aardbevingen. De kans dat men een dergelijke aardbeving meemaakt, is dan ook uitzonderlijk klein. Voor kritische infrastructuur (bv. kerncentrales) schat men de seismische dreiging zelfs in met een 2% waarschijnlijkheid in een tijdspanne van 50 jaar, wat neerkomt op een aardbeving die eens in de 2475 jaar voorkomt. Hierbij focust men zich dan ook op de zeer uitzonderlijke 'Big Ones'.
Klassiek wordt dus de seismische dreigingskaart opgesteld op basis van de piekgrondversnelling waarvan de kans 10% is dat deze overschreden wordt in een tijdspanne van 50 jaar. Bemerk dat op dergelijke dreigingskaarten de kans overal hetzelfde is, namelijk 10% in 50 jaar. De seismische dreiging is dus overal even groot. Alleen het seismisch risico kan verschillend uitpakken doordat de piekgrondversnelling die mogelijk overschreden wordt, verschilt van plaats tot plaats. Dit is anders dan een seismische dreigingskaart waarop de kans weergegeven staat dat er zich een aardbeving met een bepaalde magnitude zich voordoet in een bepaalde tijdspanne (zie bijvoorbeeld 'Geprangd tussen actieve breuken (1)'). Op dergelijke kaarten verschilt de seismische dreiging weldegelijk van plaats tot plaats. Maar dergelijke kaarten zeggen dan niet noodzakelijk iets over het seismisch risico.
