Tectonic and volcanic strong ground motion in Iceland: from empirical modelling to physics-based simulations

This dissertation presents advances in computational methods for the estimation of earthquake ground motion with applications to seismic hazard assessment in Iceland and beyond. The focus is on three-dimensional physics-based simulations (PBS), that with the growing accessibility of high-performance computing, have become a standard tool for simulating earthquake ground motions. Three main topics are addressed. First, the 3D seismic response of the Mexico City basin was investigated through PBS. The results show that when the seismic source is close to the basin, the incoming wave field deviates significantly from the commonly assumed vertically propagating S-waves. Moreover, surface waves are generated at the basin edges well after the direct arrivals, which elongates ground-motion duration. They have mostly prograde motion consistent with the Rayleigh fundamental mode. These results highlight how PBS can be effectively used in complex geological environments. The second topic focuses on strong ground motions generated by volcano-tectonic earthquakes in the Reykjanes Peninsula. Analysis of recent events shows unusually large peak ground accelerations and long-period amplitudes, in some cases exceeding the 475-year return period design spectra. The events display hybrid characteristics between volcano-tectonic and long-period earthquakes, and their scaling and attenuation differ from those of purely tectonic earthquakes. To account for these differences, a dedicated ground-motion model (GMM) for volcanic earthquakes in Iceland was developed, providing an essential tool for improving seismic hazard estimates in the Reykjanes Peninsula, the Capital area, and other volcanic regions worldwide. The third part of this work advances PBS methodologies through improvements in both finite-source characterization and broadband ground-motion simulation. A new pseudo-dynamic rupture framework was introduced to generate realistic heterogeneous source models, enabling semi-automatic construction of complex kinematic ruptures. Validated with the 2000 South Iceland earthquakes, this approach allows deterministic simulations to account for source uncertainties and reproduce the high-frequency content of ground motion. In addition, the ANN2BB (Artificial Neural Network to BroadBand) hybrid simulation technique was enhanced with transfer learning, combining global and limited local datasets. This refinement reduces overfitting, corrects distance-related biases, and extends broadband ground-motion prediction to regions with sparse instrumental records, such as Iceland. Overall, the developments presented in this dissertation improve the predictability power and scope of computational earthquake ground-motion estimation. They contribute to a better understanding of basin effects in large urban areas, to a more accurate treatment of volcanic seismicity in hazard assessment, and to the refinement of PBS that are increasingly entering engineering practice.

In questa tesi si presentano sviluppi di metodi computazionali per la stima del moto del suolo, indotto da eventi sismici, utilizzabili nella valutazione della pericolosità sismica in Islanda o in altre regioni del mondo. Particolare attenzione è dedicata alle simulazioni numeriche 3D “fisicamente basate” (Physics-Based Simulations, PBS) che, grazie alla crescente disponibilità di risorse per il calcolo ad alte prestazioni, sono diventate uno strumento di riferimento importante per la simulazione del moto del suolo indotto da terremoti. Questo lavoro si compone di tre parti principali. Nella prima parte, si è affrontato lo studio della risposta sismica tridimensionale del bacino di Città del Messico, mediante analisi numeriche fisicamente basate. I risultati mostrano che, quando la sorgente sismica è prossima al bacino, il campo d’onda incidente si discosta in modo significativo dall’ipotesi comunemente adottata di onde di taglio verticalmente incidenti. Inoltre, dopo i primi arrivi, importanti onde superficiali vengono generate ai bordi del bacino, e questo incide in particolare sulla durata del moto del suolo. Queste onde di superficie si manifestano con un moto progrado, coerentemente con il modo fondamentale di vibrare alla Rayleigh . Questi risultati evidenziano come le PBS possano essere utilizzate in modo efficace in contesti geologici anche molto complessi. La seconda parte del lavoro ha riguardato lo studio del moto del suolo generato da terremoti vulcano-tettonici, nella Penisola di Reykjanes, in Islanda. L’analisi di eventi sismici recenti evidenzia che accelerazioni di picco e ampiezze a lungo periodo del moto possono essere insolitamente elevate, e tali da superare in alcuni casi gli spettri di progetto associati al periodo di ritorno di 475 anni. Gli eventi studiati presentano caratteristiche ibride tra terremoti vulcano-tettonici ed eventi LP (Long-Period), con leggi di scala e di attenuazione che differiscono sostanzialmente da quelle dei terremoti puramente tettonici. Per tener conto di tali differenze, in questa tesi si è sviluppato un modello di predizione del moto del suolo (Ground-Motion Model, GMM) basato sui dati dei terremoti vulcanici islandesi. Tale modello costituisce uno strumento essenziale per migliorare le stime di pericolosità sismica nella Penisola di Reykjanes, nell’area della città di Reykjavík o in altre regioni vulcaniche, anche a livello mondiale. La terza parte del lavoro ha riguardato lo studio di strumenti numerici di simulazione avanzati per la caratterizzazione di sorgenti estese e per la simulazione del moto del suolo per un campo esteso di frequenze. In particolare, si è messo a punto un nuovo approccio per la simulazione di rotture pseudo-dinamiche, allo scopo di generare modelli di sorgente eterogenei e realistici. Tale approccio consente di implementare, in modo semi-automatico, modelli di rottura cinematici anche molto complessi. La validazione di questo modello di calcolo è stata fatta utilizzando un insieme di eventi che hanno interessato l’Islanda meridionale nell’anno 2000. Tale applicazione ha permesso di evidenziare come sia possibile tenere conto delle incertezze nella modellazione della sorgente e in che modo tali incertezze si riflettono nei risultati, anche fino a valori alti del contenuto in frequenza del moto simulato. Parallelamente a questo, si è lavorato a migliorare la tecnica di arricchimento delle alte frequenze tramite transfer learning, “ANN2BB” (Artificial Neural Network to BroadBand), implementando l’utilizzo combinato di dataset globali e locali e la dipendenza della predizione dai parametri dell’evento (quali ad esempio magnitudo, distanza o condizioni di sito). In questo modo le modifiche hanno consentito una predizione più accurata, riducendo overfitting e bias legati alla distanza, e consentendo di estendere la previsione del moto del suolo a valori alti di frequenza, e a regioni con poche registrazioni strumentali, come l’Islanda. Nel complesso, gli sviluppi presentati in questa tesi contribuiscono ad un miglioramento importante della capacità predittiva di metodologie numeriche computazionali e dei loro ambiti di applicazione nella stima del moto del suolo indotto da eventi sismici o vulcanici. In particolare, tali sviluppi riguardano: una migliore comprensione degli effetti di bacino nelle grandi aree urbane, un trattamento più accurato della sismicità vulcanica nelle valutazioni di pericolosità, e il perfezionamento di tecniche di calcolo numerico “fisicamente basato”, sempre più importanti anche nella comune pratica dell’ingegneria sismica.