Seismic wave propagation and non linearity features from induced seismicity in Groningen gas field

The area of Groningen, in the Netherlands, is subjected of extraction of natural gas since the ‘60s, when it was discovered there one of the seventh largest gas source in the world. Since then, up to 90 bcm/year of natural gas were extracted, creating an induced seismicity phenomena which magnitude in the years increased more and more. The induced earthquakes caused several damages to facilities and buildings in the zone nearby the extraction sites, creating concerns regarding the safety of the population and the reliability of the available seismic hazard and risk assessment models for the Groningen Gas Field. Furthermore, the thick layers of soft soil deposits at the surface, with salt formation in depth, geologic conditions significantly affects the ground motion. This project of thesis is focused on the data-driven study of the characteristics of the seismic waves propagations of the induced events, putting a particular attentions to the spatial and non linear features of the motion. The thesis work has started from the analysis of ground motion recordings, carrying on a study of the characteristics of the ground through the comparison of the Fourier Amplitude Spectra and representing the recorded data as functions of the relative epicentral distance, aiming of individuating the soil characteristics which mainly influence the ground motion at different depths. Numerical simulations of SPEED – Spectral Elements on Elastodynamics with Discontinuous Galerkin, an open-source high-performance numerical code suitable to address the general problem of elastodynamics in arbitrarily complex media (Mazzieri et al., 2013a) were considered, in order to evaluate the impact of the use of a linear or a non linear analysis in the realized model. The analysis dealt with two different seismic scenarios: the Mw 3.4 2018 Zeerijp earthquake, modelled in 1D by using a point double-couple source; a Mw 5 SPEED earthquake scenario modelled by using an extended fault source.

L’area di Groningen, nei Paesi Bassi, è soggetta a estrazione di gas naturale dagli anni ’60, momento in cui è stato scoperta ivi la settima più grande sorgente di gas naturale del mondo. Da allora, fino a 90 bcm/anno di gas naturali sono stati estratti, creando fenomeni di sismicità indotta la cui magnitudo negli anni è aumentata sempre più. I terremoti indotti hanno causato negli anni diversi danni a infrastrutture ed edifici nelle zone situate in prossimità dell’area di estrazione, creando preoccupazioni riguardo la sicurezza dei cittadini e dell’affidabilità dei modelli di rischio e pericolo sismico disponibili per la zona di Groningen. Questo progetto di tesi è concentrato sullo studio delle caratteristiche della propagazione di onde sismiche per gli eventi di sismicità indotta del caso in esame, ponendo una particolare attenzione sulle caratteristiche spaziali e non lineari delle onde. La studio di tesi è cominciato con l’analisi dei segnali registrati ed è proseguito con lo studio delle caratteristiche del moto sismico attraverso la comparazione degli spettri di Fourier per i casi specifici e rappresentando i dati registrati in funzione della loro distanza dall’epicentro, con l’obiettivo di individuare le caratteristiche del suolo che più influenzano il movimento del suolo alle diverse profondità. Simulazioni numeriche realizzate in SPEED – Spectral Elements on Elastodynamics with Discontinuous Galerkin (Mazzieri et al., 2013a) sono state utilizzate per valutare l’impatto dell’utilizzo di un modello lineare o non lineare per l’analisi considerata. L’analisi considera due scenari differenti: lo scenario legato all’evento di M3.4 A Zeerijp del 2018, il quale è basato su una modellazione 1D usando una sorgente puntiforme e lo scenario M5 SPEED, modellato considerando la sorgente modellata come una faglia.