[論文レビュー] On the anomalous {changes of seismicity and} geomagnetic field prior to the 2011 $M_w$ 9.0 Tohoku earthquake

E. S. Skordas, N. V. Sarlis|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2017

Earthquake Detection and Analysis参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、2011年1月5日に地震活動の順序パラメータの揺らぎ（κ₁）に観察された最小値が、2011年Mw 9.0の東北地震に先行する地震電気信号（SES）活動の開始を示していると特定した。地震活動と独立した地磁気データの自然時間解析により、2011年3月10日08:40 LT時点でκ₁が0.07に達したことが判明した—これは直近の主震を示唆するものであり、2011年1月4日以降に観測された異常な地磁気変動と整合的であることを確認した。

ABSTRACT

Xu et al. [J. Asian Earth Sci. {\bf 77}, 59-65 (2013)] It has just been reported that approximately 2 months prior to the $M_w$9.0 Tohoku earthquake that occurred in Japan on 11 March 2011 anomalous variations of the geomagnetic field have been observed in the vertical component at a measuring station about 135 km from the epicenter for about 10 days (4 to 14 January 2011). Here, we show that this observation is in striking agreement with independent recent results obtained from natural time analysis of seismicity in Japan. In particular, this analysis has revealed that an unprecedented minimum of the order parameter fluctuations of seismicity was observed around 5 January 2011, thus pointing to the initiation at that date of a strong precursory Seismic Electric Signals activity accompanied by the anomalous geomagnetic field variations. Starting from this date, natural time analysis of the subsequent seismicity indicates that a strong mainshock was expected in a few days to one week after 08:40 LT on 10 March 2011.

研究の動機と目的

• 自然時間解析を用いた地震活動の分析が、2011年Mw 9.0東北地震に先行する臨界的予兆信号を検出できるかどうかを調査すること。
• 自然時間解析を用いて、徐らららら（Xu et al., 2013）が報告した異常な地磁気場変動の開始時期と地震活動のダイナミクスを関連付けること。
• κ₁値が0.07（臨界的システム行動を示す）となるのは主震の直前であり、前震の直前には現れないかどうかを特定すること。
• 圧力刺激による極化電流（PSPC）モデルの物理的妥当性を、SES活動と地震・電磁気的予兆の関連性を結びつけることで検証すること。

提案手法

• 日本気象庁（JMA）のカタログから得た地震活動データに自然時間解析を適用し、地震エネルギー放出パターンの揺らぎを定量化するための順序パラメータκ₁ = Σpkχk² − (Σpkχk)²を用いた。
• 東北地震の震源中心部（N36.5–39.5°, E141–144°）を含む3°×3°の領域内におけるサブエリアについて、マグニチュード閾値M_JMA > 3.4, 3.9, 4.8を用いてデータの完全性を確保した。
• 時間経過に伴う確率分布P(κ₁)の変化を追跡し、特に2011年1月5日以降の期間に注目し、臨界値への収束を検出することを目的とした。
• 徐らららら（Xu et al., 2013）が報告した、2011年1月4日から14日までにEsashi地点で観測された異常な垂直地磁気場変動の開始時期と、κ₁の収束時期を照合した。
• 通常、κ₁が0.07に達した後数日から1週間以内に主震が発生することを示す経験則を用い、主震の発生時刻を予測した。
• 2011年3月9日Mw 7.3の前震の直前におけるκ₁の変化と主震直前の変化を比較し、臨界閾値が過剰に早期に達していないかを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地震活動の自然時間解析は、2011年Mw 9.0東北地震に先行する臨界的予兆信号を明らかにできるか？
• RQ2 2011年1月4日から14日までに観測された異常な地磁気場変動（Xu et al., 2013）の開始時期は、自然時間解析が示す地震電気信号（SES）活動の開始時期と時間的に整合しているか？
• RQ3 κ₁値が0.07（臨界的システム行動を示す）となるのは、主震の直前であり、2011年3月9日Mw 7.3の前震の直前には現れないか？
• RQ4 圧力刺激による極化電流（PSPC）モデルは、地震活動のダイナミクスと電磁気異常の観察結果の相関を説明できるか？

主な発見

• 2011年1月5日前後、順序パラメータκ₁の揺らぎに前例のない最小値が観察され、地震電気信号（SES）活動の開始を示唆した。
• Xuら（2013）がEsashi地点で観測した異常な地磁気場変動は2011年1月4日に開始され、自然時間解析が特定したSES開始日と密接に一致した。
• 地震活動データから算出したκ₁値は、2011年3月10日08:40 LT時点で0.07に収束した。これはシステムが臨界点に近づき、主震が近いことを示唆する。
• 2011年3月9日Mw 7.3の前震の直前にはκ₁値0.07に達していなかったため、その時点でシステムはまだ臨界状態に移行していなかったことが示された。
• 複数のマグニチュード閾値（M_JMA > 3.4, 3.9, 4.8）において、2011年3月10日にP(κ₁)が0.07に局所的最大値に収束する傾向が観察された。これは結果の堅牢性を裏付けた。
• κ₁の臨界閾値と電磁気異常の開始時期との整合性は、SES生成のPSPCモデルの物理的根拠を支持するものであった。