[论文解读] "Short-term time prediction" of large EQs by the use of "Large Scale Piezoelectricity" generated by the focal areas loaded with excess stress load

C. Thanassoulas|ArXiv.org|Jun 2, 2008

Advanced MEMS and NEMS Technologies参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文提出了一种通过检测破裂前应力加载震源区产生的大规模压电效应信号，实现对大地震的短期预测方法。通过测量地表电极获取的震前电势梯度的时间导数，并结合岩石断裂力学，作者对希腊和土耳其四次重大地震的地震发生时间进行了高精度预测，验证了该模型的预测能力。

ABSTRACT

In this work, it is demonstrated that the Earth's preseismic electric field, which is registered by a pair of electrodes in contact to the ground surface at certain distance from the epicentral area, corresponds to the gradient of the total field generated in the focal area as a function of time and distance from it. The original form of the generated preseismic field follows closely the theoretical piezoelectric potential form. The later is obtained after integration in time of the original registered potential grad data values. Consequently, the time of occurrence of the imminent earthquake (collapsing of the rock formation) is estimated by the classical laws of rock fracturing based on theoretical Rock Mechanics. The methodology has been tested on the grad potential data, registered in Greece, before four large EQs which took place in the regional area as follows: Izmit, Turkey EQ (M = 7.8R, 17th August, 1999), Milos, Greece EQ (M = 5.6R, 21st May, 2002), Kythira Greece EQ (M = 6.9R, 8th January, 2006) and Methoni, Greece EQ (M = 6.7R, 14th February, 2008). The obtained results prove the validity of the postulated methodology.

研究动机与目标

• 开发一种利用震前电信号进行大地震短期预测的方法。
• 研究应力岩石构造中的大规模压电效应是否可作为地震破裂的可靠前兆。
• 检验假设：测量的电势梯度时间导数是否与断层即将破裂的时间相关。
• 应用经典岩石力学定律，基于观测到的压电势演化估计破裂时间。
• 利用东地中海地区四次重大历史地震的实测数据验证预测模型。

提出的方法

• 在距震中区一定距离的地表，通过成对电极测量震前电势梯度。
• 记录电势信号的时间导数（梯度），该值理论上反映震源区应力诱导压电荷生成的速率。
• 假设电势梯度随时间与距离的变化符合应力加载下压电势的理论形式，对观测到的电势梯度进行建模。
• 对测量得到的电势梯度数据进行时间积分，重建总压电势，并与理论预期进行比对。
• 应用经典岩石断裂力学原理，基于重建的压电势数据估计破裂时间。
• 通过将估计的破裂时间与已知大地震的实际发生时间进行比较，验证预测结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将应力岩石构造中产生的大规模压电效应信号用作大地震的可靠前兆？
• RQ2 测量的震前电势梯度的时间导数是否与断层即将破裂的时间相关？
• RQ3 重建的压电势在多大程度上符合基于岩石力学和压电效应原理推导出的理论预测？
• RQ4 当将经典岩石断裂力学应用于观测到的压电势数据时，能否准确预测破裂时间？
• RQ5 该方法在预测实际大地震发生时间方面表现如何？

主要发现

• 地表测量的震前电场与震源区应力加载下产生的理论压电势形式高度吻合。
• 测量的电势梯度时间导数与理论压电势变化速率一致，证实了该信号的物理解释基础。
• 对电势梯度数据进行时间积分后重建的总压电势与理论预期相符。
• 基于重建压电势数据并应用岩石断裂力学原理估算的破裂时间，与实际地震发生时间高度一致。
• 该方法成功预测了四次重大地震的发震时间：伊兹密特（M=7.8）、米洛斯（M=5.6）、基西拉（M=6.9）和梅索尼（M=6.7），具有高度时间精度。
• 结果表明，利用大规模压电效应作为短期地震预测的物理机制具有有效性。