The Potential for a Uniform, Testable, Global Seismic Hazard Model

Graeme. Weatherill1, M. Pagani1, P. Bird2, C. Kreemer3, D. Monelli4, D. Jackson2, Y. Kagan2, R. Stein5, Powell Working Group

1Global Earthquake Model Facility, Pavia2UCLA, Los Angeles, CA3U. Nevada, Reno, NV4Global Earthquake Model Facility, ETH, Zurich5United States Geological Survey,  Menlo Park, CA

A Globally “Uniform” 

Seismic Hazard Model 

(GEM) Global Component Datasets

Testing & Evaluation

Spatially homogenous

Scientific Innovation

High Resolution (0.1˚ ×0.1˚)

Transparent & Replicable

Global Earthquake Activity Rate (GEAR) Model

‣ A hybrid strain/smoothed seismicity approach

Smoothed Seismicity

Global Strain

Earthquake Recurrence Model 

Smoothing Process

Depth/ Mechanism

Earthquake Recurrence Model

• Branches are not completely independent!

• Strain may help provide long term stationarity

Depth/ Mechanism Testing & 

Evaluation

Global Smoothed Seismicity Model

Global Seismicity Forecast (end‐2012) (Kagan & Jackson, 2010)

From Strain Rate to Seismicity Rate – A Global “SHIFT”‣ Seismic Hazard inferred from Tectonics “SHIFT” (Bird & Liu, 2007; 

Bird et al. 2010)

‣ Seismic Moment Rate (M) from Strain Rate:

Incompressible: 

At the ground surface: 

Ordered: 

<cz> =  Coupled Depth (km)μ = Shear Modulus (GPa)

Coupled Seismogenic Volume

A

From Strain Rate to Seismicity Rate – A Global “SHIFT”

‣ Model parameters specific to tectonic region class (Bird & Kagan, 2004):‒ Coupled seismogenic thickness (<cz>)‒ exponent (β)  & corner magnitude (mc)

Intraplate (IPL)

Continental Rift Boundary (CRB)

Continental Transform Fault (CTF) 

Continental Convergent Boundary (CCB)

Ocean Spreading Ridge (OSR)

Ocean Transform Fault (OTF)

Oceanic Convergent Boundary (OCB)

Subduction

Seismicity Rate from Strain Rate (SHIFT)

Hybrid (Strain + Smoothed Seismicity) Model

Weighted with Smoothed Seismicity (0.625) and Strain (0.375)  

From GEAR to Global Hazard …

Seismic Hazard Input Model

Global Activity Rate Model

Source Geometry

Magnitude Scaling Relation

Depth Distribution

Focal Mechanism

Upper Bound Magnitude Ground Motion 

Prediction Equations (GMPE)

GMPE Logic Tree

Probability‐Based Upper Bound on Magnitude

Upper Bound Magnitude at Annual Probability of Exceedence ≥ 10‐6

Ground Motion Prediction Equations (GMPEs)

Active Shallow Crust

Subduction

Stable Continental 

Akkar & Bommer (2010)

Chiou & Youngs (2008)

Zhao et al. (2006)

Abrahamson et al. (2013)

Atkinson & Boore (2003)

Zhao et al. (2006)

Atkinson & Boore (2006)

Silva et al (2002)

Pezeshk et al. (2011)

Global Recommendations from GEM GMPE Global Component

Ground Motion Prediction Equations (GMPEs)

Active Shallow Crust

Subduction

Stable Continental 

Akkar & Bommer (2010)

Chiou & Youngs (2008)

Zhao et al. (2006)

Abrahamson et al. (2013)

Atkinson & Boore (2003)

Zhao et al. (2006)

Atkinson & Boore (2006)

Silva et al (2002)

Pezeshk et al. (2011)

Global Recommendations from GEM GMPE Global Component

Ground Motion Prediction Equations (GMPEs)

Active Shallow Crust

Subduction

Stable Continental 

Akkar & Bommer (2010)

Chiou & Youngs (2008)

Zhao et al. (2006)

Abrahamson et al. (2013)

Atkinson & Boore (2003)

Zhao et al. (2006)

Atkinson & Boore (2006)

Silva et al (2002)

Pezeshk et al. (2011)

Global Recommendations from GEM GMPE Global Component

A Globally Uniform Seismic Hazard Map …

Peak Ground Acceleration (PGA) with a 10 % Probability of Being Exceeded in 50 years

… and model!

Peak Ground Acceleration (PGA) with a 2 % Probability of Being Exceeded in 50 years

… and model!

1‐second Spectral Acceleration with a 10 % Probability of Being Exceeded in 50 years

Where to develop? – Earthquake Catalogues

‣ Assimilate highest quality historical and instrumental catalogues‣ Account for completeness

ISC Reviewed Bulletin (M > 3)

Where to develop? – Subduction Sources

Faulted Earth/USGS Subduction Sources (Wallace et al., 2012)

Where to develop? ‐ Intraplate Regions

‣ Strain cannot resolve; catalogues too short!‣ Active research from the Powell Working Group 

Stable Continental Region Polygons (EPRI, 1994)Earthquakes from Schulte & Mooney (2005) 

Moving From Global to Regional

‣ Experimental & Provisional

‣ Missing information available at regional scales:‒ Detailed information on fault geology and activity ‒ Time‐dependence ‒ Catalogues with lower completeness magnitudes

‣ To compare global and local, consistency is desirable:‒ Calculation Implementation‒ Testing & Evaluation