[논문 리뷰] 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)|2017. 04. 24.

Earthquake Detection and Analysis참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 2011년 1월 5일에 관측된 지진성 활동의 순서 매개변수 변동성의 최소값(κ₁)이 2011년 Mw 9.0 토호쿠 지진 이전의 지진 전기 신호(Ses) 활동의 시작을 나타낸다고 규명한다. 지진성 활동과 독립적인 지자기 데이터에 대한 자연시간 분석을 통해, 2011년 3월 10일 오전 8시 40분 현지시간에 κ₁가 0.07에 도달했음을 확인하였으며, 이는 주지진이 곧 발생할 것임을 시사한다. 이는 1월 4일부터 관측된 이상 지자기 변동과 일치한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자연시간 분석을 통해 2011년 Mw 9.0 토호쿠 지진 이전의 임계 전구호 신호를 탐지할 수 있는지 조사한다.
• 자연시간 분석을 활용해 이상 지자기장 변화의 시작 시점(서 등, 2013년 보고)을 지진성 활동의 역학과 연계한다.
• 임계 시스템 행동을 나타내는 κ₁ 값 0.07이 주지진 이전에만 나타나고, 3월 9일 Mw 7.3의 전진지진 이전에는 나타나지 않는지 확인한다.
• 압력 자극에 의한 극성 전류(PSPC) 모델의 물리적 타당성을 검증하기 위해 SES 활동을 지진 및 전자기 전구호 신호와 연결한다.

제안 방법

• 일본 기상청(JMA)의 지진자료를 활용해 자연시간 분석을 적용하였으며, 지진 에너지 방출 패tern의 변동성을 측정하기 위해 순서 매개변수 κ₁ = Σpkχk² − (Σpkχk)² 를 사용하였다.
• 토호쿠 지진의 중심을 기준으로 한 3°×3° 지역(N36.5–39.5°, E141–144°) 내의 하위 지역에 대해, 데이터 완전성을 확보하기 위해 M_JMA > 3.4, 3.9, 4.8의 진도 기준을 설정하여 κ₁ 값을 계산하였다.
• 특히 2011년 1월 5일 이후의 시간에 따른 확률분포 P(κ₁)의 변화를 추적하여, 임계 값으로 수렴하는지 여부를 분석하였다.
• 서 등(2013년)이 보고한 에사시 지점에서의 이상 수직 지자기장 변화 시점(1월 4일~14일)과 κ₁ 수렴 시점의 상관관계를 분석하였다.
• 일반적으로 κ₁가 0.07에 도달한 후 수일 내로 주지진이 발생한다는 경험적 규칙을 적용하여 주지진 발생 시기를 예측하였다.
• 주지진 이전의 κ₁ 변화와 3월 9일 Mw 7.3 전진지진 이전의 변화를 비교하여, 임계 임계값이 조기 도달했는지 여부를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지진성 활동의 자연시간 분석이 2011년 Mw 9.0 토호쿠 지진 이전에 임계 전구호 신호를 드러내는가?
• RQ2 1월 4일~14일에 관측된 이상 지자기장 변화의 시작 시점이 자연시간 분석으로 확인된 SES 활동의 시작 시점과 시간적으로 일치하는가?
• RQ3 임계 시스템 행동을 나타내는 κ₁ 값 0.07이 주지진 이전에만 나타나고, 3월 9일 Mw 7.3 전진지진 이전에는 나타나지 않는가?
• RQ4 압력 자극에 의한 극성 전류(PSPC) 모델은 지진성 활동의 역학과 전자기 이상 현상 간의 관찰된 상관관계를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 2011년 1월 5일경에 순서 매개변수 κ₁의 변동성에 있어서 사상 초유의 최소값이 관측되어, 지진 전기 신호(Ses) 활동의 시작을 시사한다.
• 서 등(2013년)이 보고한 에사시 지점에서의 이상 지자기장 변화는 1월 4일에 시작되었으며, 자연시간 분석으로 도출된 SES 활동 시작 시점과 밀접하게 일치한다.
• 지진성 자료에서 계산된 κ₁ 값은 2011년 3월 10일 오전 8시 40분 현지시간에 0.07로 수렴하여, 시스템이 임계점에 접근하고 있음을 시사하며 주지진 발생을 예측한다.
• 3월 9일 Mw 7.3 전진지진 이전에는 κ₁ 값 0.07에 도달하지 못하여, 이 시점에 시스템이 아직 임계 영역에 진입하지 않았음을 확인한다.
• M_JMA > 3.4, 3.9, 4.8의 다양한 진도 기준에서 P(κ₁)가 2011년 3월 10일에 0.07 근처 지역 최댓값으로 수렴하는 것이 관측되어 결과의 강건성을 확인한다.
• κ₁의 임계 임계값과 전자기 이상 현상의 시작 시점 간의 일치는 PSPC 모델이 SES 생성에 있어 물리적 기반을 지닌다는 것을 뒷받침한다.