Deterministic tsunami hazard assessment of Sines - Portugal

Tese de mestrado em Ciências Geográficas, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2015Neste trabalho apresenta-se uma abordagem determinística de perigo de tsunamis considerando múltiplas fontes para a cidade costeira de Sines, Portugal. Tsunamis ou maremotos são eventos extremos, energeticamente elevados mas pouco frequentes. Normalmente são geradas por um deslocamento duma grande quantidade de água seja por erupções vulcânicas, colapso de caldeiras, deslizamentos de massa, meteorites ou terramotos submarinos. A grande maioria é causado pelos terramotos submarinos. Neste trabalho estuda-se somente efeitos causado por tsunamis gerados pelos deslocamentos de solo submarino devido a terramotos. O evento no oceano Índico em 2004 demonstrou a necessidade de um sistema de alerta operacional global. E o Tohoku terramoto em 2011 mostrou as limitações do conhecimento científico respetivamente às zonas fontes, os impactos costeiros e medidas de mitigação. A partir desta data na zona Noreste Atlantico e Mediterrâneo e mares adjacentes (NEAM) esforços foram feitos para melhorar as capacidades de avaliação de perigo de tsunamis. Em Portugal a zona considerada mais ativa é o Golfo de Cadiz. Relatos históricos antigos voltam atrás até 60 BC, mas evidências geológicas mostram eventos energeticamente elevadas até 218 BC. A costa portuguesa é altamente exposta ao perigo de um tsunami a partir de fontes tectónicas ativas locais e regionais. A zona principal tsunamigenica é o SWIM (Margem sudoeste da Península Ibérica), que inclui numerosas falhas inversas que mergulham em direcção sudeste. O evento mais rigoroso foi o 1º Novembro 1755 causado pelo famoso terramoto de Lisboa com mais do que dez mil vítimas mortais e uma magnitude estimada de 8.5. A fonte do tsunami ainda não é conhecida definitivamente, pois na altura ainda não havia instrumentos para registrar sismos. A fonte foi aproximada por diferentes autores utilizando as informações históricos e assuma-se que é localizada na zona SWIM. O impacto do tsunami ocorreu na bacia inteira do oceano Atlântico Norte com maior impacto na Ibéria e em Moroccos. No seculo 20 no dia 28 de Fevereiro 1969 um sismo de magnitude 7.9 causou um tsunami pequeno com uma amplitude de 0.5m em Lagos e Cascais. As ondas aproximaram-se da costa por volta das 3 de manha em condições maré vazia e não causaram danos significativos. O trabalho foi desenvolvido no âmbito do projeto ASTARTE [Grant 603839]. Em Sines encontra-se um dos portos mais importantes de água profunda de Portugal contendo terminais petrolíferos, petroquímicos, graneis líquidos, carvão e contentores. O porto está ligado aos centros industriais em Sines com infraestruturas frágeis como gasoduto, oleodutos, tanques de gás natural liquefeito ou cinturões industriais, quais ocorrem o risco de ser danificados. Possíveis danos geram riscos adicionais como explosões ou poluições ambientais. Na zona sul da área do estudo encontra-se a central termoelétrica da EDP que utiliza a água do mar pelo arrefecimento dos geradores. Sines também e um destino turístico com um porto de recreio e com varias praias associadas aos desportos náuticos como a pesca desportiva, a vela, o mergulho e o surf. A zona de estudo inclui o porto de recreio e as praias de Vasco da Gama e de São Torpes. O porto, a central termoelétrica e as suas infraestruturas industriais e as praias enfrentam ao Atlântico a sudoeste direcionado às zonas principais de rupturas sísmicas consideradas suficientemente fortes de causar tsunamis e por causa disso a zona de estudo escolhido é altamente exposto ao perigo dum tsunami. Foram consideradas as zonas de fontes a falha da Gloria (GF) e a zona da margem sudoeste da península Ibérica (SWIM) e cinco falhas diferentes, nomeadamente: A falha da Gloria que é uma falha de cisalhamento que defina a fronteira entre Eurásia e Núbia; a falha de Cadiz Wedge (CWF) que é considerada como uma zona de subducção e as falhas do banco de Gorringe (GBF), de Ferradura (HSF) e de Marques Pombal (MPF) que são falhas inversas que mergulham em direcção sudeste. Adicionalmente foi considerado uma combinação da falha de ferradura e da falha Marques Pombal (HSMPF) para a simulação. Um ruptura simultânea de falhas com parâmetros parecidos foi proposta por vários autores como uma possível fonte do tsunami em 1755. A zona SWIM é considerada uma zona complexa em termos geodinâmicos onde vários processos atuam simultaneamente. Para cada falha identificada e para a combinação HSMPF o pior dos cenários sísmicos foi assumido para o procedimento da modelação numérica. A abordagem determinística consiste em resolver as equações lineares e não-lineares de água pouca profunda para puder obter as elevações da superfície livre do oceano em cada passo tempo definido. As equações de água pouca profunda são válidas devido do facto que tsunamis são ondas longas. Ondas são consideradas longas quando o seu comprimento de onda λ é muito maior que a altura de coluna de água ℎ ou quando se verifica ℎ < 125 (Intergovernmental Oceanographic Commission, 2013). Na simulação numérica da propagação do tsunami é utilizado modelo NSWING (Non-linear Shallow Water Model with Nested Grids) (Miranda et al., 2014) que resolve as equações de água pouca profunda utilizando um esquema “leap-frog” explícito para os termos lineares e um esquema “upwind” para os termos não-lineares. Após definir o deslocamento inicial do fundo do oceano o modelo calcula as soluções para cada cenário dentro de um sistema de grelhas encastradas. Para poder calcular os deslocamentos iniciais aplicando a teoria de inelasticidade de Okada (1985) foram utilizados parâmetros presentados de campanhas e estudos recentes. Foi aplicado uma distribuição dum slip não uniforme onde o slip defina o deslocamento inicial em cada célula da grelha. Este deslocamento inicial e traduzida pela superfície livre onde o processo numérico da propagação do modelo começa e as equações de água pouca profunda são resolvidas em cada passo tempo para cada célula de sistema de grelhas ligadas. Neste estudo o sistema das grelhas encastradas ou “nested grids” consiste num conjunto de quatro grelhas ligadas. Na zona fonte e em oceano aberto utiliza-se uma grelha com células maiores. Células de 640x640m reduzindo-as para 10x10m quando se atinge a zona de estudo. Usam-se duas grelhas intermédias 160m e 40m aplicando um fator de refinamento de 4. Para puder analisar efeitos locais com essa resolução alta precisa-se um DEM (modelo digital de terreno) com informações detalhadas sobre a batimetria e a topografia da área de estudo. O DEM foi elaborado utilizando um conjunto de dados do Instituto Hidrográfico de Portugal e da Direção-geral do Território num SIG (sistema de informação geográfica). A inundação é obtida a partir dum algoritmo designado “moving boundary-percurso da linha de costa” baseado em células secas e células inundadas para conseguir seguir a linha da costa (Liu et al., 1995). Também foi considerado o efeito da maré. Os valores de maré cheia foram obtidos calculando a média das médias de todas as Preias-mar e da maré vazia a média das médias de todas as Baixas-mar de 2012 até 2014. Para cada cenário foram calculadas três condições de maré, da condição maré cheia, do nível médio do mar e da condição maré vazia. Os resultados finais são apresentados em forma de mapas integrados de perigo para cada cenário considerado e para o cenário agregado. Cada mapa integrada de perigo consiste em valores máximos de altura de onda (MWH), profundidade de fluxo (MFD), recuo (MDB), run up (MRU) e distância de inundação do cenário correspondente. Formas de ondas sintéticas foram calculadas em pontos da grelha designados por marégrafos virtuais em pontos representativos dentro e fora do porto. Os resultados finais descrevem o impacto em Sines considerando cada único cenário de nível médio do mar, o cenário agregado e a influência da maré no cenário agregado. Os resultados confirmam que o pior caso cenário é a combinação da falha de ferradura e da falha Marques Pombal HSMPF. Este cenário domina o cenário agregado com aproximadamente 60% e inunda uma área de 3.5km².This study employs a deterministic approach for multiple source tsunami hazard assessment for the city and harbour of Sines – Portugal, one the test-sites of project ASTARTE. Sines holds one of the most important deep-water ports which contains oil-bearing, petrochemical, liquid bulk, coal and container terminals. The port and its industrial infrastructures are facing the ocean southwest towards the main seismogenic sources. This work considers two different seismic zones: the Southwest Iberian Margin and the Gloria Fault. Within these two regions, we selected a total of six scenarios to assess the tsunami impact at the test site. The deterministic approach consists in solving linear and non-linear shallow water equations using an explicit leap-frog scheme to obtain water elevations in predefined grids for a defined time step. Numerical model computation process is launched after defining an initial seafloor displacement on a prepared set of nested grids. The Digital Elevation Model includes bathymetric and topographic information with 10m resolution in the study area. To do the tsunami simulations a Non-linear Shallow Water Model With Nested Grids – NSWING is used. In this study, the static effect of tides is analysed for three different tidal stages. Tsunami impact scenarios are described in terms of inundation area, maximum values of wave height, flow depth, drawback, run-up and inundation distance. Synthetic waveforms are computed for virtual tide gauges at specific locations outside and inside the harbour. The final results describe the impact at Sines test site considering the different source scenarios at mean sea level, the aggregate scenario and the influence of the tide on the aggregate scenario. The results confirm the composite source Horseshoe and Marques Pombal fault as the worst case tsunami scenario. It governs the aggregate scenario with about 60% and inundates an area of 3.5km²

Tsunamis from source to coast

Tsunami disasters pose a significant threat to coastal communities. In the last decades, tsunamis caused enormous destruction and exceeding 250000 fatalities. International efforts led to sig-nificant advances in tsunami science and research, but recent events demonstrated some limi-tations. Thus, it is essential to increase our knowledge of the source to coast tsunami phenom-enon. A better understanding of potential tectonic structures and other generation mechanisms is needed, especially in complex geologic domains or where sources are unknown. Furthermore, we need to improve Tsunami Warning Systems (TWSs) to provide timely alerts for communi-ties in the near field. Therefore, potential tsunamigenic sources in the diffuse plate boundary setting and the near field of the southwest Iberian margin (SWIM) are investigated. For the March 31, 1761, trans-atlantic tsunami, numerical modelling has been used to propose a structure that agrees with tsunami travel times, tsunami observations, macroseismic data, and kinematic plate modelling. Since there exists a description of a tsunami for the November 11, 1858, Sétubal earthquake, its source has been investigated using macroseismic analysis. The analysis suggests a local structure in a compressive regime with weak to moderate tsunamigenic potential. Future tsu-nami hazard assessments need to include the sources of the investigated events. To quickly estimate the tsunami impact, the Tsunami Runup Predictor (TRP), an empirical source-to-coast method to instantly provide first-order estimates of the tsunami runup based on waveform parameters has been developed. The TRP is helpful for emergency managers and evacuation planning for near-field events. Moreover, the author of this thesis contributed to the tsunami impact assessment of September 28, 2018, Palu tsunami, where tsunamis generated by multiple sources caused runup heights up to 9.2 m. However, for local sources, tsunami warning remains challenging; thus, communities need to be prepared how to respond appropriately to earthquakes and tsunamis with or without warning

On the construction and use of a Paleo-DEM to reproduce tsunami inundation in a historical urban environment – the case of the 1755 Lisbon tsunami in Cascais

In this study, we present a methodology to reconstruct a Paleo Digital Elevation Model (PDEM) to simulate the propagation of a tsunami similar to the one that occurred on the 1st November 1755 in Cascais, Portugal. The method combines historical data, GPS-measurements, and present-day topographic data to build the PDEM. Antique maps were geo-referenced and altitudinal information was reconstructed using historic descriptions. We used old documents to estimate the original landscape of several sites. Analyses and interpretation of these sources of information served to attribute and approximate elevations of both geomorphologic landforms and building features. We used antique maps to rebuild the boundaries of old river mouths and water courses. Finally, we use GPS-RTK to implement obtained elevation data along creek mouths to interpolate in channelled areas to get their slope. Using this methodology and a numerical tsunami simulation code, we reproduced a 1st November 1755-like flooding in Cascais, Portugal. Our results show that using the PDEM, we can reproduce the inundation described in all of the historical accounts

A new tsunami runup predictor

We introduce a new parameter, tsunami runup predictor (TRP), relating the accelerating phase of the wave to the length of the beach slope over which the wave is travelling. We show the existence of a relationship between the TRP and the runup for different initial waveforms, i.e. leading elevation N-waves (LENs) and leading depression N-waves (LDNs). Then, we use the TRP to estimate tsunami runup for past tsunami events. The comparison of the runup estimates against field data gives promising results. Thus, the TRP provides first-order estimates of tsunami runup once the offshore waveform is known or estimated and, therefore, it could be beneficial to be implemented in tsunami early warning systems.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Reevaluation of the 11 november 1858 earthquake and tsunami in Setubal: a contribution to the seismic and tsunami hazard assessment in Southwest Iberia

The southwest Iberian Margin (SWIM) hosted a series of tsunamigenic earthquakes. However, strong magnitude earthquakes M > 7.0 are scarce and geological and geophysical evidence suggest that slow deformation occurs on a large area without a discrete plate boundary. The reanalysis of this event is crucial because of its location in a possible transition zone between the diffuse plate boundary and the stable continent regime. The 11 November 1858 earthquake in Setubal, Portugal, with an estimated M similar to 7, ruined a large part of the city and was felt all over Portugal and large parts of the Iberian Peninsula. Earlier studies suggest an epicentre close to the shore, less than 50 km away, and there exists a description of a tsunami in Setubal. We use macroseismic intensities and present a reevaluation of the event parameters: depth, epicentre, magnitude, and fault orientation. We select the candidate faults according to the epicentral area and plate kinematics and use scaling laws for the magnitude range. We use tsunami numerical modelling to check the tsunamigenic potential of the event. Finally, we compute the tsunami propagation and inundation for Setubal for seven candidate scenarios and analyze waveform data obtained at virtual tide gauges. Our results favour an offshore inverse fault compatible with the tsunami observation corresponding to a reverse fault with a 40 degrees strike angle at 13 km depth and a magnitude range of 6.8 +/- 0.3.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Reanalysis of the 1761 transatlantic tsunami

The segment of the Africa-Eurasia plate boundary between the Gloria Fault and the Strait of Gibraltar has been the setting of significant tsunamigenic earthquakes. However, their precise location and rupture mechanism remain poorly understood. The investigation of each event contributes to a better understanding of the structure of this diffuse plate boundary and ultimately leads to a better evaluation of the seismic and tsunami hazard. The 31 March 1761 event is one of the few known transatlantic tsunamis. Macroseismic data and tsunami travel times were used in previous studies to assess its source area. However, no one discussed the geological source of this event. In this study, we present a reappraisal of tsunami data to show that the observations data set is compatible with a geological source close to Coral Patch and Ampere seamounts. We constrain the rupture mechanism with plate kinematics and the tectonic setting of the area. This study favours the hypothesis that the 1761 event occurred in the southwest of the likely location of the 1 November 1755 earthquake in a slow deforming compressive regime driven by the dextral transpressive collision between Africa and Eurasia.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

The September 28th, 2018, Tsunami In Palu-Sulawesi, Indonesia: A Post-Event Field Survey

On September 28th, 2018, a powerful earthquake (Mw 7.5) struck the Island of Sulawesi in Indonesia. The earthquake was followed by a destructive and deadly tsunami that hit the Bay of Palu. A UNESCO international tsunami survey team responded to the disaster and surveyed 125 km of coastline along the Palu Bay up to the earthquake epicentre region. The team performed 78 tsunami runup and inundation height measurements throughout the surveyed coastline. Measured values reached 9.1 m for the runup height and 8.7 m for the inundation height, both at Benteng village. The survey team also identified ten large coastal sectors that collapsed into the sea of Palu Bay after the earthquake. The distribution of the measured tsunami data within Palu Bay exhibits a clear localised impact suggesting the contribution of secondary non-seismic local sources to the generation of the tsunami. Findings of the field reconnaissance are discussed to provide an insight into the remaining debated source of the Palu tsunami.JRC.E.1-Disaster Risk Managemen