[논문 리뷰] On a preseismic electric field "strange attractor" like precursor observed short before large earthquakes

C. Thanassoulas, V. Klentos외 1명|ArXiv.org|2008. 10. 01.

Earthquake Detection and Analysis참고 문헌 24인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 그리스의 거리에 있는 모니터링 지점들에서 기록된 전기장 신호가 큰 지진 전에 동적 위상 전이를 보이며, 비상관적인 하이퍼볼릭 패턴에서 상관관계 있는 타원형 구조로 전환되고 다시 하이퍼볼릭 형태로 돌아오는 것을 제안한다. 이는 비선형 역학에서 '기묘한 길잡이(strange attractor)'와 유사하다. 마지막 하이퍼볼릭 단계는 대규모 피에조전기 메커니즘의 최종 단계를 나타내며, 지진 발생 수 일 전에 안정적으로 나타나므로 단기 예측을 위한 잠재적 전조 신호로 기능할 수 있다.

ABSTRACT

The Earth's electric field, recorded by two different and distant monitoring sites located in Greece, is analyzed in terms of monochromatic signals (T=24h). The analysis is based on the mapping procedures borrowed from the study of non-linear dynamic systems and chaos. The specific analysis applied on the electric field recorded for some weeks before the occurrence of 3 large EQs which occurred in Greece shows some very interesting results. Long before the EQ occurrence the phase map generated by the uncorrelated each other signals recorded by a pair of distant monitoring sites is characterized by pairs of hyperbolas of random azimuth asymptotes. Some days before the occurrence of the earthquake the recorded signals are strongly correlated and therefore the phase map is characterized by ellipses. A couple of days before the EQ occurrence the electric signals become again uncorrelated due to the fact that their generating mechanism (large scale piezoelectricity) approaches its final stage and therefore hyperbolas characterize again the phase map. When this stage is observed the pending EQ shortly (in terms of days) takes place. Three detailed examples from large Greek EQs are presented towards the validation of this mechanism.

연구 동기 및 목표

• 멀리 떨어진 모니터링 지점들에서 기록된 지진 전기장 신호가 큰 지진 전에 비선형 역학적 패턴을 보이는지 조사하는 것.
• 특히 하이퍼볼릭 → 타원형 → 하이퍼볼릭 패턴으로의 위상도 전이가 예정된 큰 지진의 시기와 관련이 있는지 확인하는 것.
• 최종 하이퍼볼릭 단계가 주요 지진 발생의 즉각적인 전조임을 검증하는 것.
• 비선형 역학적 맵핑을 통한 전기장 신호 분석이 단기 지진 예측에 활용될 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 연구는 그리스 내 두 지리적으로 떨어진 모니터링 지점에서 기록된 지구 전기장의 24시간 주기 성분(T=24h)을 분석한다.
• 비선형 역학 시스템과 혼돈 이론 기법을 활용해 두 지점의 전기장 신호 간의 교차상관을 이용해 위상도를 생성한다.
• 분석은 주로 위상도의 기하학적 구조—특히 비상관 신호를 나타내는 하이퍼볼라 또는 상관 신호를 나타내는 타원형—에 중점을 둔다.
• 연구는 세 차례의 주요 그리스 지진 발생 전 주에 위상도의 기하학적 변화를 추적한다.
• 이 방법은 신호 상관관계의 변화가 지각대 내 대규모 피에조전기 현상과 같은 물리적 메커니즘의 변화를 반영한다는 가정을 한다.
• 지진 사건 전의 임계 전이 단계를 식별하기 위해 위상도의 시각적 및 구조적 패턴 인식 기법을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 멀리 떨어진 모니터링 지점에서의 지진 전기장 신호가 큰 지진 전에 비선형 역학적 패턴을 보일 수 있는가?
• RQ2 그리스의 큰 지진 발생 시점과 관련해 하이퍼볼릭 → 타원형 → 하이퍼볼릭 위상도 패턴 전이가 관찰되는가?
• RQ3 위상도에서의 최종 하이퍼볼릭 단계는 곧 다가올 지진 발생의 신뢰할 수 있는 지표인가?
• RQ4 관측된 위상도 전이가 지각 내 대규모 피에조전기 현상과 같은 물리적 메커니즘과 연결될 수 있는가?
• RQ5 이 동적 패턴이 단기 지진 예측에 얼마나 효과적으로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 큰 지진 발생 전, 두 그리스 모니터링 지점의 전기장 신호 위상도는 초기에는 무작위 방향의 점 渐진선을 가지는 비상관 하이퍼볼릭 패턴을 나타낸다.
• 지진 발생 수 일 전, 신호들은 강하게 상관관계를 가지며 위상도 상에 타원형 구조가 나타난다.
• 지진이 다가올수록 신호들은 再차 비상관 상태로 전환되며, 위상도는 다시 하이퍼볼릭 패턴으로 복귀하여 피에조전기 메커니즘의 최종 단계를 나타낸다.
• 지진 발생 직전에 하이퍼볼릭 패턴이 반복되며, 분석한 세 사례 모두에서 일관되게 관찰된다.
• 최종 하이퍼볼릭 단계는 강력하고 반복 가능한 특징이며, 연구된 세 차례의 주요 그리스 지진 모두에서 메인쇼크 발생 수 일 전에 나타난다.
• 전체 과정인 하이퍼볼릭 → 타원형 → 하이퍼볼릭은 기묘한 길잡이와 유사한 비선형 역학적 과정을 시사하며, 최종 하이퍼볼릭 단계는 신뢰할 수 있는 단기 전조로 기능한다.