Stochastic Simulations and Ground Motion Prediction Equation for Peak Accelerations, Peak Velocities and Response Spectra for the Ural Region
- Authors: Pavlenko V.А.1, Pavlenko О.V.1
-
Affiliations:
- Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences
- Issue: No 3 (2025)
- Pages: 171-191
- Section: Articles
- URL: https://journals.eco-vector.com/0002-3337/article/view/688403
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0002333725030136
- EDN: https://elibrary.ru/FFXFTN
- ID: 688403
Cite item
Abstract
The characteristics of radiation and propagation of seismic waves in the Ural region were refined based on stochastic modeling of the records of local earthquakes; these characteristics correspond to transient characteristics from areas of stable continental seismicity to seismically active regions with crustal seismicity. Ground motion prediction equation (GMPE) has been constructed for the Ural region, describing the dependence of peak accelerations (PGA), peak velocities (PGV) and acceleration response spectrum amplitudes (SA) on rock on magnitude and distance. The GMPE is applicable in a wide range of magnitudes (MW~4–6.5) and distances (1–250 km) and can be applied to assess seismic hazard in the design and construction of earthquake-resistant structures in the Ural region. To account for the epistemic uncertainty of the estimates of seismic impacts in probabilistic seismic hazard analysis and construct a logic tree, five alternative modern GMPEs from other regions were selected: a global model for crustal seismicity, two models developed for the mountain regions of the Swiss and French Alps, two models for regions of stable continental seismicity – eastern North America and Great Britain. These models were tested using the array of synthetic ground motion parameters; the equation for the Swiss Alps turned out to be the closest to the developed GMPE for the Urals.
Full Text

About the authors
V. А. Pavlenko
Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences
Author for correspondence.
Email: pavlenko.vasily@gmail.com
Russian Federation, Moscow
О. V. Pavlenko
Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences
Email: olga@ifz.ru
Russian Federation, Moscow
References
- Верхоланцев Ф.Г., Габсатарова И.П., Гусева Н.С., Дягилев Р.А. Среднеуральское землетрясение 18 октября 2015 г. MLрег = 4.7, I0 = 6 // Землетрясения Северной Евразии. 2021. Вып. 24 (2015 г.). C. 314–323.
- Глубинное строение Урала по геофизическим данным. Глубинное строение СССР / В. В. Белоусов (ред.). М.: Наука. 1991. 224 с.
- Глубинное строение Урала по геофизическим данным / В. М. Рыбалка, Е. М. Ананьева, С. Н. Кашубин и др. (ред.). Геология и минерагения подвижных поясов. Екатеринбург: Урал-геолком, 1997. С. 101–118.
- Глубинное строение Урала по меридиональному профилю ГСЗ Нижняя Тура–Орск / В.С. Дружинин, С. Н. Кашубин, В. И. Вальчак и др. (ред.). Советская геология. 1985. № 1. С. 74–86.
- Годзиковская А.А. Каталог сейсмических событий Уральского региона с древнейших времен по 2002 г. (Сопутствующие первичные материалы). М.: ИФЗ РАН. 2016. 258 с.
- Гуляев А. Н. Новейшая тектоника и сейсмичность Урала // Известия высших учебных заведений. 2022. №. 2. С. 77–84.
- Гусев А.А., Мельникова В.Н. Связи между магнитудами — среднемировые и для Камчатки // Вулканология и сейсмология. 1990. № 6. С. 55—63.
- Дружинин В.С., Рыбалка В.М., Соболев И.Д. Связь тектоники и магматизма с глубинным строением Среднего Урала по данным ГСЗ. Свердловск: УНЦ АН СССР. 1976. 156 с.
- Дружинин B.C., Юнусов ФФ., Парыгин Г.И. Специфика сейсмичности Уральского региона. — Глубинное строение и развитие Урала. Екатеринбург: Наука. 1996. С. 102–110.
- Дружинин В С, Гуляев А.П., Колмогорова В.В. и др. К вопросу о природе землетрясений на Урале // Уральский геофизический вестник. 2004. № 6. C. 29–42.
- Дягилев Р.А., Верхоланцев Ф.Г., Варлашова Ю.В., Шулаков Д.Ю., Габсатарова И.П., Епифанский А.Г. Катав-Ивановское землетрясение 04.09.2018 г., mb = 5.4 (Урал) // Российский сейсмологический журнал. 2020. Т. 2. № 2. C. 7–20. doi: 10.35540/2686-7907.2020.2.01 — EDN: CDITJV
- Дягилев Р.А., Скоркина А.А. Определение параметров затухания сейсмических волн для территории Урала. Cовременные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных. Материалы седьмой международной сейсмологической школы. Обнинск: ГС РАН. 2012. С. 126–129.
- Еманов А.Ф., Еманов А.А., Павленко О.В., Фатеев А.В., Куприш О.В., Подкорытова В.Г. Колыванское землетрясение 09.01.2019 с ML= 4.3 и особенности наведенной сейсмичности в условиях Горловского угольного бассейна // Вопросы инженерной сейсмологии. 2019. Т. 46. № 4. С. 29–45.
- Павленко О.В. Характеристики излучения и распространения сейсмических волн на Северном Кавказе, оцененные по записям сейсмостанций “Сочи” и “Анапа” // Вопросы инженерной сейсмологии. 2016. Т. 43. № 1. C. 49–61.
- Павленко О.В., Тубанов Ц.А. Характеристики излучения и распространения сейсмических волн в Байкальской Рифтовой зоне, оцененные моделированием акселерограмм зарегистрированных землетрясений // Физика Земли. 2017. № 1. C. 20–33.
- Павленко О.В. Записи местных землетрясений как основа для корректных оценок сейсмических воздействий (на примере трассы второго Северомуйского тоннеля) // Геология и геофизика. 2020. doi: 10.15372/GiG2020203
- Павленко В.А. Предварительные оценки характеристик излучения и распространения сейсмических волн и уравнения прогноза движений грунта для Уральского региона // Вопросы инженерной сейсмологии. 2022. Т. 49. № 2. С. 74–84. doi: 10.21455/VIS2022.2-4
- Сейсмичность и сейсмическое районирование Уральского региона / С. Н. Кашубин, В. С. Дружинин, А.Н. Гуляев, О.А. Кусонский, В.С. Ломакин, А.А. Маловичко, С.Н. Никитин, Г.И. Парыгин, Б.П. Рыжий, В.И. Уткин (ред.). УРО РАН. 2001. 126 с. ISBN: 5-7691-1212-3
- Тектоническая карта Урала масштаба 1 : 1000000 / И.Д. Соболев, С.В. Автонеев, Р.П. Белковская и др. (ред.). Свердловск: ПГО “Уралгеология”. 1986. 168 с.
- Atkinson G.M. Ground-motion prediction equations for eastern North America from a referenced empirical approach: Implications for epistemic uncertainty // Bull. Seismol. Soc. Am. 2008. V. 98. № 3. P. 1304–1318. doi: 10.1785/0120070199
- Atkinson G.M., Boore D.M. Earthquake ground-motion prediction equations for eastern North America // Bull. Seismol. Soc. Am. 2006. V. 96. № 6. P. 2181–2205. doi: 10.1785/0120050245
- Atkinson G.M., Boore D.M. ERRATUM. Earthquake ground-motion prediction equations for eastern North America // Bull. Seismol. Soc. Am. 2007. V. 97. № 3. P. 1032. doi: 10.1785/0120070023
- Boore D.M. Simulation of Ground Motion Using the Stochastic Method // Pure Appl. Geophys. 2003. V. 160. P. 635–676.
- Boore D.M., Joyner W.B. Site amplifications for Generic Rock Sites // Bull. Seismol. Soc. Am. 1997. V. 87. № 2. P. 327–341.
- Boore D.M., Stewart J.P. Seyhan E., Atkinson G.M. NGA-West2 Equations for Predicting PGA, PGV, and 5% Damped PSA for Shallow Crustal Earthquakes // Earthq. Spectra. 2014. V. 30. № 3. P. 1057–1085. doi: 10.1193/070113EQS184M
- Budnitz R.J., Apostolakis G., Boore D.M., Cluff L.S., Coppersmith K.J., Cornell C.A., Morris P.A. Recommendations for probabilistic seismic hazard analysis: guidance on uncertainty and use of experts. U.S. Nuclear Regulatory Commission Report NUREG/CR-6372. 1997.
- Campbell K.W. Prediction of strong ground motion using the hybrid empirical method and its use in the development of ground-motion (attenuation) relations in eastern North America // Bull. Seismol. Soc. Am. 2003. V. 93. № 3. P. 1012–1033.
- Cauzzi C., Edwards B., Fah D., Clinton J., Wiemer S., Kastli P., Cua G., Giardini D. New predictive equations and site amplification estimates for the next-generation Swiss ShakeMaps // Geophys. J. Int. 2015. V. 200. № 1. P. 421–438. doi: 10.1093/gji/ggu404
- Chen Y.-S., Weatherill G., Pagani M., Cotton F. A transparent and data-driven global tectonic regionalization model for seismic hazard assessment // Geophys. J. Int. 2018. V. 213. № 2. P. 1263–1280. doi: 10.1093/gji/ggy005
- Cornell C. A. Engineering seismic risk analysis // Bull. Seismol. Soc. Am. 1968. V. 58. № 5. P. 1583–1606.
- Costa G., Panza G.F., Suhadolc P., Vaccari F. Zoning of the Italian territory in terms of expected peak ground acceleration derived from complete synthetic seismograms // J. Appl. Geophys. 1993. V. 30(1–2). P. 149–160. doi: 10.1016/0926-9851(93)90023-R
- Douglas J. Ground motion prediction equations 1964-2021. Department of Civil and Environmental Engineering. University of Strathclyde. 2021. http://www.gmpe.org.uk/ gmpereport2014.pdf
- Drouet S., Cotton F. Regional stochastic GMPEs in low-seismicity areas: scaling and aleatory variability analysis — application to the French Alps // Bull. Seismol. Soc. Am. 2015. V. 105. № 4. P. 1883–1902. doi: 10.1785/0120140240
- Flinn E.A., Engdahl E.R., Hill A.R. Seismic and geographical regionalization // Bull. Seismol. Soc. Am. 1974. V. 64. № 3–2. P. 771–993.
- Hanks T.C., McGuire R.K. The character of high frequency strong ground motion // Bull. Seism. Soc. Am. 1981. V. 71. P. 2071–2095.
- Joyner W.B., Boore D.M. Methods for regression analysis of strong motion data // Bull. Seismol. Soc. Am. 1993.V. 83. № 2. P. 469–487.
- Joyner W.B., Boore D.M. Methods for regression analysis of strong motion data. ERRATA // Bull. Seismol. Soc. Am. 1994. V. 84. № 3. P. 955–956.
- Orozova I. M., Suhadolc P. A deterministic-probabilistic approach for seismic hazard assessment // Tectonophys. 1999. V. 312. № 2–4. P. 191–202. doi: 10.1016/s0040-1951(99)00162-6
- Pavlenko O.V. Simulation of ground motion from strong earthquakes of Kamchatka region (1992–1993) at rock and soil sites // Pure Appl. Geoph. 2013. V. 170. № 4. P. 571–595.
- Pavlenko O., Kozlovskaya E. Characteristics of radiation and propagation of seismic waves in the Northern Finland estimated based on records of local earthquakes // Pure Appl. Geoph. 2018. V. 175. № 12. P. 4197–4223 https://doi.org/10.1007/s00024-018-1919-5
- Rietbrock A., Strasser F., Edwards B. A stochastic ground-motion prediction model for the United Kingdom // Bull. Seismol. Soc. Am. 2013. V. 103. № 1. P. 57–77. doi: 10.1785/0120110231
- Ryzhiy B.P., Druzhinin V.S., Yunusov F.F., Ananyin I.V. Deep structure of the Urals region and its seismicity // Physics of the Earth and Planetary Interios. 1992. V. 75. P. 185–191.
- Scherbaum F., Delavaud E., Riggelsen C. Model selection in seismic hazard analysis: an information-theoretic perspective // Bull. Seismol. Soc. Am. 2009. V. 99. № 6. P. 3234–3247. doi: 10.1785/0120080347
- Tavakoli B., Pezeshk S. Empirical-stochastic ground-motion prediction for eastern North America // Bull. Seismol. Soc. Am. 2005. V. 95. № 6. P. 2283–2296. doi: 10.1785/0120050030
- Toro G. R., Abrahamson N. A., Schneider J. F. Model of strong ground motions from earthquakes in central and eastern North America: Best estimates and uncertainties // Seismol. Res. Lett. 1997. V. 68. № 1. P. 41–57.
- Young J.B., Presgrave B.W., Aichele H., Wiens D.A., Flinn E.A. The Flinn-Engdahl regionalisation scheme: the 1995 revision // Phys. Earth Planet Int. 1996. V. 96. № 4. P. 223–297. doi: 10.1016/0031-9201(96)03141-X
Supplementary files
