[論文レビュー] On a preseismic electric field "strange attractor" like precursor observed short before large earthquakes

C. Thanassoulas, V. Klentos+1 more|ArXiv.org|Oct 1, 2008

Earthquake Detection and Analysis参考文献 24被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ギリシャの遠隔に位置するモニタリングステーションからの前震電場信号が、大規模な地震の前兆として、非線形力学における「いびつな吸引子」に類似した動的相転移を示すと提案している。この相転移は、相関のない双曲型パターンから相関のある楕円型構造へ、再び双曲型へと変化する。最終的な双曲型段階は、大規模な圧電的メカニズムの最終段階を示しており、地震発生の数日前に明確に現れ、短期的予測の可能性を示唆する。

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.

研究の動機と目的

• 遠隔に位置するモニタリング地点からの前震電場信号が、大規模地震の前兆として非線形力学的パターンを示すかどうかを調査すること。
• 特に、双曲型から楕円型へ、再び双曲型へと変化する段階的マップの遷移が、近い将来の大規模地震の発生時刻と相関するかどうかを特定すること。
• 最終的な双曲型段階が、主要な地震発生に直ちに近い状態を示すという仮説を検証すること。
• 電場信号の非線形的ダイナミクスマッピングを用いた短期的地震予測の可能性を検討すること。

提案手法

• ギリシャの2か所の地理的に離れたモニタリング地点で記録された地球電場の24時間周期成分（T=24h）を分析する。
• 非線形力学系およびカオス理論の手法を用いて、2地点の電場信号の相互相関をプロットし、位相マップを生成する。
• 分析は、位相マップの幾何的構造に焦点を当て、特に信号が非相関的であることを示す双曲型、または相関的であることを示す楕円型の存在を評価する。
• 3つのギリシャの大規模地震の発生に至る数週間の期間にわたり、位相マップ構造の時間的変化を追跡する。
• 信号相関の変化が、地中の大型圧電効果などの物理的メカニズムの変化を反映すると想定する。
• 地震発生の前兆段階としての重要な遷移を特定するために、位相マップにおける視覚的および構造的パターン認識を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遠隔に位置するモニタリング地点からの前震電場信号が、大規模地震の前兆として非線形力学的パターンを示すことができるか？
• RQ2 ギリシャの大規模地震発生に際し、位相マップの構造が双曲型から楕円型へ、再び双曲型へと変化する遷移が、地震発生時刻と相関するか？
• RQ3 位相マップにおける最終的な双曲型段階は、地震発生の直前を示す信頼できる指標であるか？
• RQ4 観察された位相マップの遷移は、地中の大型圧電効果といった物理的メカニズムと関連づけることができるか？
• RQ5 この動的パターンは、短期的地震予測にどの程度有効に機能するか？

主な発見

• 大規模地震の前には、ギリシャの2か所の遠隔モニタリング地点からの電場信号の位相マップが、初期段階でランダムな方位漸近線を示す非相関的双曲型パターンを示す。
• 地震発生の数日前に、信号同士が強く相関し始め、位相マップ上では楕円型構造が現れる。
• 地震に近づくにつれ、再び信号は非相関的となり、位相マップは再び双曲型パターンに戻り、圧電的メカニズムの最終段階を示す。
• 双曲型パターンの再出現は、地震発生の直前に発生し、解析した3件の事例すべてで一貫して観察された。
• 最終的な双曲型段階は、信頼性が高く繰り返し観測可能な特徴であり、3つの大規模ギリシャ地震のすべてで主震発生の数日前に現れた。
• 全体の遷移過程（双曲型 → 楕円型 → 双曲型）は、いびつな吸引子に類似した非線形力学的プロセスを示しており、最終的な双曲型段階が短期的予測の信頼できる前駆的兆候であると示唆される。