OpenQuake Modeller: A Collec3on of Tools for Developing PSHA Input Models 

15th World Conference on Earthquake Engineering, Lisbon, Portugal, 24th – 28th September 2012 

 Graeme Weatherill1, Marco Pagani2, Damiano Monelli3  

1GEM Model Facility, Pavia, Italy 2GEM Founda3on, Pavia, Italy 3GEM Model Facility, ETH, Zurich, Switzerland 

Overview 

•  Development of PSHA models: The need for consistency and transparency 

•  Catalogue Homogenisa3on Tool (OQ‐EQCATALOG) 

•  The Modeller’sToolkit (OQ‐MODELLER) 

•  Challenges and future direc3ons 

With thanks to Giuseppe Vallarelli, Luigi Panzeri and the          GEM Model Facility IT development team! 

 

The Prac3cal Need for a Hazard Modeller’s Toolkit 

•  Current status: different soXware languages, different I/O formats, different data requirements. 

•  Reproducibility? Global consistency and quality control? (Lees, 2012) •  Framework to maximise use of available data 

•  Convenience and compa3bility with the GEM Hazard Engine 

Seismogenic Source Model 

Ground Mo3on Predic3on Equa3on Strong Mo3on Data  SEISMIC HAZARD 

ANALYSIS 

ANALYSIS TOOLS •  Seismicity ‐ Harmonising and processing 

earthquake catalogues •  Geological ‐ Faults sources and ac3vity rates 

calculated  from geological data •  GeodeLc – Ac3vity rates from geode3c strain 

The Theore3cal Need for a Modeller’s Toolkit 

Paleoseismic/Long‐Term Geological Slip 

Geode3c Strain 

Source Geometry [Point| Polyline | Polygon|Surface] 

Observed Seismicity [Instrumental + Historical] 

Uncertain3es (Aleatory & Epistemic) 

Uncertain3es (Aleatory & Epistemic) 

Uncertain3es (Aleatory & Epistemic) 

Seismogenic Source Model 

Integra3ng Ac3ve Faults, Seismicity & Geodesy 

1)  Faults and uniform area zones 

–  Beier constraint of G‐R model 

–  Moment budge6ng: how to distribute ac3vity rates between faults and zones 

–  Mmax in area zone 2)  Faults and smoothed 

seismicity –  Exclude events on faults      

(a priori)? –  Adjust of seismicity rate for 

cells close to faults (a posteriori)? 

Strain Rate: ‐ Constraints on ac3vity/moment  

Tools for Preparing Earthquake Catalogues 

•  Origins and magnitudes in the GEM‐ISC catalogue are the preferred representa3on of the events found in the catalogue! 

•  Reloca3on and re‐analysis of the magnitudes from waveform data is the op3mum way to homogenise a catalogue. 

•  Huge investment of effort – results in high completeness magnitudes (M > 5.5 for 1960 – present)  

•  Seismicity data is available in regions – should be used! 

•  How to merge and harmonise global/local catalogues 

A Toolkit for Merging Global & Regional Catalogues 

•  Free and Open Source Python Applica3on Programming Interface for homogenisa3on  

•  “Automa3c” selec3on can be performed by a user‐defined hierarchy  •  In development: Source code (hips://github.com/gem/oq‐eqcatalogue‐tool)  

and documenta3on (hip://docs.openquake.org/eqcatalogue)  

INPUT:  Mul3ple Catalogues 

MERGING: 1.  Duplicate Iden3fica3on 2.  User‐defined Selec3on (Automa3c and/or judgement‐

based approaches) 

MAGNITUDE COMPARISON: 1.  Querying & Selec3on 2.  Orthogonal Regression 3.  Model Firng 

MAGNITUDE CONVERSION: 1.  Apply conversion models 2.  Propagate Uncertainty 

... Output Catalogue 

OQ‐Modeller: Building Seismogenic Input Models for PSHA 

Global Instrumental Catalogue 

Metadata 

Diffuse seismicity sources  Fault sources 

... To Modeller’s Toolkit Geology 

Global Earthquake History 

Analysis Tools: i)  Declustering ii)  Completeness (Sta6s6cal) iii)  Recurrence iv)  MMAX (sta6s6cally inferred) 

OQ‐Modeller: The Seismicity Analysis Workflow 

Command‐Line Modeller’s Toolkit: Current Version 

Declustering •  Gardner & Knopoff (1974) •  Reasenberg (1985) •  AFTERAN (Musson, 1999) 

Completeness •  Stepp (1971) •  Assumed MFD 

  Wiemer & Wyss (2000)   Woessner & Wiemer (2005) 

•  Alborello et al (2001) – in development 

Recurrence •  Maximum Likelihood  •  Wiechert (1980) •  Kijko & Smit (2012) 

Mmax (Instrumental) •  Kijko (2004) •  Cumula3ve Moment  •  Open‐Source Python SoXware – Command Line Driven 

•  Code available from  (hip://github.com/gem/oq‐modeller)                [bleeding edge version from hip://github.com/g‐weatherill] 

•  Documenta3on at hip://docs.openquake.org/mtoolkit    

OQ‐Modeller: The Geological Analysis Workflow 

Ac6ve Faults (output from Faulted Earth Tool or other file 

formats) 

Ac6vity Rate Calcula6on 

Moment Rate 

APribute Uncertain6es (e.g. Slip rate, geometry, 

regional info) 

Global Strain Rate Model 

Sampling and Uncertainty Propaga3on 

Seismicity Workflows (e.g. Recurrence model, 

historical events, airibu3on etc.) 

Fault sources 

Moving Towards the State‐of‐the‐Art 

Fault Geometry: •   Alterna3ve representa3ons (sec3ons/segmenta3on) 

•   Seismogenic Coupling Depth •  Area 

Fault slip: •  Site observa3ons → Segment slip rates 

•  Aseismic slip •  Slip uncertainty distribu3on 

Recurrence: •   Model Type (Char/G‐R) •   Time‐dependence •   MMAX (and MMIN) 

Fault Source Geometry

Magnitude Frequency

Epistemic Uncertainty Analysis

Uncertainty PropagaLon 

OQ‐Modeller: The Geode3c Analysis Workflow 

Global Strain Rate Model  (Strain vectors on a 0.2°×0.25° grid) 

Tectonic Regionalisa6on (Working Group) 

Uncertain6es 

Geode6c Moment Rate (SHIFT, Bird & 

Liu, 2007) 

Instrumental Catalogue: 1)  Ac3vity rates/

recurrence 2)  Seismicity Depth 

Distribu3on 

Ac6ve Faults (Geological Data) 

Diffuse seismicity sources 

Fault sources 

OpenQuake SoXware: The Scien3fic Architecture Earthquake Catalogue Tool 

(oq‐eqcatalogue‐tool) 

Hazard Modeller’s Toolkit  (oq‐hazard‐modeller) 

Faulted Earth Tool 

New Hazard Library (nhlib) 

Risk Modeller’s Toolkit  (oq‐risk‐modeller) 

Released/ Imminent Release 

Advanced Development (End‐2012) 

Early Development (Expected 2013) 

Benefit‐Cost Ra6o Calculator 

Loss Maps/Curves: i)  Classical ii)  Event‐Based iii) Scenario 

i)  Hazard Maps/Curves/UHS ii)  Stochas6c Event Sets iii) Disaggrega6on 

Socio‐economic Vulnerability Tools 

OQ‐Modeller: Direc3ons for the Future 

‣  Integra3on of the different “workflows” – expanding the func3onali3es available for comparison of geological seismological and geode3c data 

‣  Compa3bility with the tes3ng framework  

‣  Integra3on within the OpenQuake architecture and implementa3on as a stand‐alone set of tools 

‣  Further implementa3on of scien3fic func3onali3es – guidance from the OpenQuake user comminity