KEM-36 Vervolg op KEM-04, de data gedreven studie naar seismische respons op 3D geologische structuren

In 2019 heeft het KEM-04-project met succes 3D-seismische modellering uitgevoerd om meer inzicht te krijgen in de kenmerken van geïnduceerde aardbevingen in het gasveld van Groningen en de 3D-voortplanting van seismische golven en hun effecten op de seismische structurele respons in het gebied rond Groningen.

De resultaten van KEM-04 hebben aanleiding gegeven tot suggesties om het Ground Motion Model (GMM) V5 te evalueren en mogelijke volgende grondbewegingsmodellen te verbeteren. Aangezien grondbewegingsmodel V7 nu beschikbaar is en de resultaten van KEM-04 betrekking hebben op grondbewegingsmodel V5, rijst de vraag of de in V5 geïdentificeerde problemen nog steeds van toepassing zijn op het nieuwste grondbewegingsmodel. De output van het project zal worden gebruikt om het grondbewegingsvoorspellingsmodel V7 van NAM te evalueren, dat is ingebouwd in het openbare gevaren- en risicomodel voor Groningen van TNO, en voor andere toepassingen op het gebied van aardbevingstechniek, bijvoorbeeld om relevante tijdreeksen af te leiden voor structurele beoordeling of om het effect te beoordelen van grotere magnitudes waarvoor geen of weinig geregistreerde gegevens beschikbaar zijn, maar die toch bepalend zijn voor de risicocijfers in de regio Groningen.

De output van het project zal worden gebruikt om het bestaande grondbewegingsvoorspellingsmodel (GMPE) van Groningen van NAM en TNO te valideren en/of te verbeteren en om relevante tijdreeksen af te leiden voor aardbevingstechnische vraagstukken, dat wil zeggen de seismische risicobeoordeling voor Groningen.

VOLLEDIGE ONDERZOEKSVRAAG

Het KEM 36-project leverde een onafhankelijke beoordeling van verschillende aspecten met betrekking tot de meest geavanceerde grondbewegingsmodellering voor Groningen, in verband met GMM V7, een van de belangrijkste componenten van de gevaren- en risicobeoordeling van de regio.

Het project werd in twee fasen uitgevoerd en gerapporteerd.

EINDRAPPORT Fase 1

EINDRAPPORT Fase 2

Het werk dat is uitgevoerd en gerapporteerd in hoofdstuk 2 van het rapport levert uiteindelijk een solide hypothese op om de onderschatting van de amplitude van hoogfrequente (en korteafstands) seismische bewegingen in het GMMV7-model te verklaren. Hoofdstuk 2 toont op overtuigende en didactische wijze aan dat de methode die wordt gebruikt om de versterkingsfactor (en meer in het bijzonder de responsspectra op basis- en oppervlaktesniveau) te berekenen, een rol speelt in het voorspelde versterkingsniveau vanwege het ongewoon hoge gehalte aan hoge frequenties op het referentieniveau NS_B (zeer lage κ0-waarde). Dit is een belangrijk resultaat, aangezien de invloed van de keuze van de berekeningsmethode (en ook de bemonsteringsfrequentie) nog nooit eerder door de NAM-deskundigengroep of ons subpanel was besproken of ter sprake was gebracht.

De op fysica gebaseerde 3D-numerieke simulaties zijn verbeterd en worden beschreven in hoofdstuk 3. Eerst wordt aangetoond dat een simulatie met een breuk op een langgerekte breuklijn die uitsluitend binnen het reservoir ligt, de waarnemingen voor een eerdere aardbeving met een magnitude van 3,4 niet reproduceert. Deze conclusie is echter afhankelijk van aannames die worden opgelegd door a) de beperkte kennis over de bronparameters van dergelijke bijzondere geometrieën (constante slip, constante lokale stijgtijd in overeenstemming met gebruikelijke schaalverhoudingen) en b) de 12 Hz-hoogfrequentiegrens van beperkingen: een veel kleinere lokale stijgtijd zou waarschijnlijk leiden tot hoekfrequentie- en spanningsdalingwaarden die beter overeenkomen met de waarnemingen. Niettemin zijn simulaties met dergelijke langgerekte breuken in het geval van een Mw4,5-gebeurtenis verenigbaar met GMMV7-modellering. In het tweede deel van hoofdstuk 3 tonen de auteurs de eerste resultaten van modellen die rekening houden met plastische niet-lineariteit in 3D-propagatiemodellen (SPEED-NLP). Een dergelijke ontwikkeling is een belangrijke prestatie op het gebied van de technische seismologie. De resultaten tonen aan dat dergelijke modellen een aanzienlijke invloed hebben op maximale hoogfrequente trillingen (20-30% vermindering) voor een aardbeving met een magnitude van 4,5. Een dergelijke afname wordt niet waargenomen wanneer conventionele modellen (Linear Equivalent) worden gebruikt in 1D-modellering, wat een belangrijk resultaat is.

Het periode-tot-periode (p2p) correlatiemodel in GMM-V7 wordt besproken en gerapporteerd in hoofdstuk 4. De auteurs analyseren de gegevens van 11 aardbevingen en evalueren de p2p-correlatie door de residuen binnen de gebeurtenis te scheiden in site-tot-site en single-site componenten. Ze tonen aan dat de huidige op fysica gebaseerde simulaties (zoals verwacht) de p2p-correlaties tussen sites overschatten. De auteurs concluderen dat de in V7 gehanteerde procedure kan worden verbeterd en stellen voor om het BJ08-model te vervangen door het model van Kotha et al. (2017) (om correlatiemodellen te gebruiken die specifiek zijn ontwikkeld voor residuen tussen gebeurtenissen en op één locatie) en de impact van deze modellen op het risico te testen. Een dergelijke suggestie is logisch, gezien het feit dat de correlatie van verschillende residucomponenten kan worden beïnvloed door verschillende fysische mechanismen.

Hoofdstuk 5 vat de belangrijkste resultaten van het KEM36-onderzoek samen in relatie tot de belangrijkste oorspronkelijke verzoeken. De conclusies zijn deugdelijk met betrekking tot alle bevindingen van KEM-36 en het wordt aanbevolen om deze in aanmerking te nemen voor elke verdere toepassing en/of evolutie van het GMMV7-model.

Het project werd geëvalueerd door het KEM-subpanel.

KEM-PROJECT EVALUATIE

Net als het KEM-04-project was KEM36 een succesvol project dat resultaten opleverde die nuttig zijn om een beter inzicht te krijgen in de huidige mogelijkheden en beperkingen van de seismische gevaren- en risicobeoordeling voor Groningen, en om kwesties aan te kaarten die verdere aandacht behoeven. De kwaliteit van het product is zodanig hoog dat ten minste onderwerp 2 en mogelijk ook onderwerp 3 of 4 in aanmerking komen voor publicatie in een internationaal wetenschappelijk tijdschrift.

De beoordelaars hebben de volgende aanbevelingen of opmerkingen voor toekomstig werk:

2..1 De waarde van de door NAM gebruikte bemonsteringsfrequentie moet worden geverifieerd door contact op te nemen met de auteurs van het GMMV7-model.

2.2 Sommige details of toelichtingen ontbreken nog of kunnen op sommige plaatsen in het rapport worden verbeterd, maar hebben geen invloed op de belangrijkste conclusies.

3.1 Het gebruik van dit nieuwe niet-lineaire plastische model heeft een sterke invloed op de amplitude van hoogfrequente bewegingen bij een matige aardbeving (Mw=4,5). Voor zover wij weten, zijn dergelijke niet-lineariteiten (nog) niet waargenomen/gedetecteerd bij dergelijke matige aardbevingen. Dit betekent ook dat er nog grotere effecten worden verwacht voor sterke aardbevingen (M=5,5). Een test van de methode op recente aardbevingen zou zeer belangrijk zijn om deze berekeningen te valideren.

3.2 Het feit dat de methode leidt tot grotere afnames in 3D in vergelijking met 1D-berekeningen (verschil tussen figuur 3.18 en 3.17) is een intrigerend, potentieel zeer belangrijk resultaat. Dit toont de beperkingen van 1D-berekeningen (ongeacht de methode) aan en dat de belangrijkste keuze niet alleen ligt in de methode (of de constitutieve wet) die wordt gekozen voor de niet-lineaire berekening, maar eerder in de mogelijkheid om NL 3D-berekeningen uit te voeren. Het zou ook nuttig zijn om de oorsprong van dergelijke grotere NL-effecten in 3D-simulaties te begrijpen.

4.1 Deze analyse moet worden gepresenteerd/besproken met TNO, om de mogelijkheid te overwegen om een “Groningen-specifiek” p2p-correlatiemodel te ontwikkelen op basis van de beschikbare registraties.

5.1 Als er een bron-/gevaren-/gevolg-/risicomodel moet worden ontwikkeld voor soortgelijke doeleinden op het gebied van geïnduceerde seismische activiteit, wordt aanbevolen om gebruik te maken van de ervaring met KEM-36 en NAM om zorgvuldig na te denken over enkele belangrijke initiële opties voor deze modellen:

- Definitie van gevaar: responsspectra of Fourier-domein? De gevoeligheid (en in sommige gevallen onnauwkeurigheid) van de locatieversterkingsfactor (AF) die moet worden toegepast op responsspectra, voor de berekeningsmethode in geval van hoogfrequente invoerbewegingen, en hun gevoeligheid voor het aardbevingsscenario is een bron van extra complexiteit in het gevarenmodel. Het afleiden van het gevarenmodel in het Fourier-domein zou kunnen helpen om een aantal van deze complexiteiten te vermijden (uiteraard niet allemaal...).

- De kwesties met betrekking tot de p2p-correlatiemodellen zijn vrij complex en moeilijk op te lossen wanneer lokale gegevens relatief zeldzaam zijn. De gevolgen van p2p-modellen zijn vooral belangrijk wanneer het uiteindelijke gevaar wordt gespecificeerd in een enkele scalaire term (hier SAavg). Ook hier kunnen sommige complexiteiten worden vermeden door een vectoriale beschrijving van het gevaar te behouden en de kwetsbaarheid/fragiliteit te specificeren als een functie van de spectrale inhoud bij de trillingsperiode van de beschouwde structuur. Dit zou ook het voordeel bieden dat beter rekening kan worden gehouden met de werkelijke versterking van de locatie bij de beschouwde periode, in plaats van deze te middelen over een breed periodebereik.

Concluderend kan worden gesteld dat het project alle onderzoeksvragen met succes heeft behandeld, met uitzondering van de consistentie van de periode-tot-periode correlatie tussen gevaren- en kwetsbaarheidsmodellering. De resultaten zullen naar verwachting een aanzienlijke impact hebben op SHRA in termen van een mogelijke herziening van GMM V7, periode-tot-periode correlatie en bronlocatie. De kwaliteit van sommige resultaten is zodanig dat publicaties in internationale wetenschappelijke tijdschriften worden verwacht. De kwaliteit van sommige resultaten is zodanig dat publicaties in internationale wetenschappelijke tijdschriften worden verwacht.