[論文レビュー] A probabilistic view on rupture predictability: all earthquakes evolve similarly

Jannes Münchmeyer, Ulf Leser+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2022

Seismology and Earthquake Studies参考文献 34被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、リアルタイム観測に基づくマグニチュードの時間発展する分布をモデル化することで、地震断層の破壊がいつ予測可能になるかを確率的枠組みで評価する手法を提案する。モーメントレート関数および遠距離P波到着時刻を用いて、破壊継続時間の半分を過ぎるまで、破壊サイズの信頼できる予測は不可能であることを示している。これは、破壊のピークモーメント放出後に、小規模と大規模のイベントの区別が明確に現れるためであり、普遍的な破壊開始モデルを支持するとともに、早期予測理論に疑問を呈する。

ABSTRACT

Ruptures of the largest earthquakes can last between a few seconds and several minutes. An early assessment of the final earthquake size is essential for early warning systems. However, it is still unclear when in the rupture history this final size can be predicted. Here we introduce a probabilistic view of rupture evolution - how likely is the event to become large - allowing for a clear and well-founded answer with implications for earthquake physics and early warning. We apply our approach to real time magnitude estimation based on either moment rate functions or broadband teleseismic P arrivals. In both cases, we find strong and principled evidence against early rupture predictability because differentiation between differently sized ruptures only occurs once half of the rupture has been observed. Even then, it is impossible to foresee future asperities. Our results hint towards a universal initiation behavior for small and large ruptures.

研究の動機と目的

• 地震の破壊初期段階で大規模地震を早期に予測可能かどうかという長年の論争を解決すること。
• 地震マグニチュードの時間発展する不確実性をモデル化する厳密な確率的フレームワークを構築すること。
• 破壊進化の段階的モデル（cascade model）と照らし合わせ、早期予測の仮説を検証すること。
• モーメントレート関数や広帯域遠距離P波到着時刻といったリアルタイム観測値を用いて予測可能性を評価すること。
• 非ガウス分布の不確実性を単純化せずに捉える、点推定値に依存しない原理的で包括的な予測分布を提供すること。

提案手法

• 観測値 Ot まで時刻 t におけるマグニチュード M の時間発展する分布を表す確率的モデル P(M|Ot) を提案する。
• 変分推論とガウス・ミックスチャネル・モデルを用いて P(M|Ot) を近似し、微分可能かつスケーラブルな学習を可能にする。
• 混合モデルに対して閉形式で計算可能な微分可能な損失関数として、連続ランク確率スコア（CRPS）を採用する。
• SCARDEC、USGS、Yeらのモーメントレート関数、および遠距離P波データセットの3つのデータセットを用いてモデルの学習と評価を行う。
• データタイプの違いに関わらず一貫性を確認するため、モーメントレート関数と初期P波到着時刻の両方を用いてフレームワークを適用する。
• ニューラルネットワークアーキテクチャを用いて、観測値 Ot を P(M|Ot) のガウス・ミックスチャネル近似のパrameterにマッピングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 破壊プロセスのどの段階で、地震の最終マグニチュードを信頼して予測できるようになるか？
• RQ2 小規模と大規模の地震は、破壊開始行動に本質的な違いを示すのか、それとも中間破壊段階までは破壊進化が普遍的なのか？
• RQ3 初期地震観測値（例：モーメントレート関数やP波振幅）が、最終マグニチュードに関する原理的で確率的制約を提供できるか？
• RQ4 予測分布 P(M|Ot) は時間経過とともにどのように変化するのか？これは早期警報システムにどのような意味を持つのか？
• RQ5 非ガウス分布の不確実性が、従来の点推定アプローチによってどのように予測可能性を歪めているのか？

主な発見

• 小規模と大規模の破壊の区別が、破壊継続時間の約半分が経過してから、統計的に有意に現れるようになる。
• ピークモーメント放出の前には、予測分布 P(M|Ot) はガウス＝リヒター分布（GR分布）に近く、早期予測可能性がないことを示している。
• ピークモーメント放出後に、分布はガウス分布に近づき、GRの尾部が減少するようになる。これは、将来のアスペリティの不確実性を反映している。
• 本フレームワークは、モーメントレート関数と遠距離P波到着時刻という2種類の異なるデータタイプにおいて、強い一貫性を示しており、両者ともに類似した予測可能閾値を示している。
• 本研究の結果は、早期破壊予測の非妥当性を確率的かつ原理的根拠で示しており、自己修復パルスモデルや事前ずれモデルよりも、段階的破壊モデル（cascade model）を支持する。
• 本研究は、従来の点推定アプローチが非ガウス分布の不確実性を隠蔽する可能性があり、予測可能性に関する誤った結論を導くことがあることを明らかにした。