[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究提出，希腊远距离监测站的前震电磁场信号在大地震前表现出动态相变，其模式从无相关性的双曲型演变为相关性的椭圆型，再变回双曲型，类似于非线性动力学中的“奇异吸引子”。最终的双曲型阶段，表明大规模压电机制的最后阶段，可靠地在地震前数天出现，为短期预测提供了潜在前兆。

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.

研究动机与目标

• 调查远距离监测站点的前震电磁场信号是否在大地震前表现出非线性动力学模式。
• 确定相图转变（特别是从双曲型到椭圆型再到双曲型）是否与即将发生的大地震时间相关。
• 验证假设：相图中最终的双曲型阶段标志着大地震的临近发生。
• 探索利用电磁场信号的非线性动力学制图进行短期地震预测的潜力。

提出的方法

• 本研究分析希腊两个地理上相距较远的监测站点记录的地球电磁场24小时周期分量（T=24h）。
• 通过非线性动力系统与混沌理论的技术，绘制两个站点电磁场信号的互相关性，生成相图。
• 分析聚焦于相图的几何结构——特别是双曲线或椭圆的存在，分别表示信号无相关或有相关。
• 该方法追踪了在三次希腊大地震发生前数周内相图结构的时序演化。
• 该方法假设信号相关性的变化反映了潜在物理机制的变化，例如地壳中的大规模压电效应。
• 通过在相图中进行视觉与结构模式识别，识别地震事件前的关键转变阶段。

实验结果

研究问题

• RQ1 远距离监测站点的前震电磁场信号是否能表现出在大地震前出现的非线性动力学模式？
• RQ2 从双曲型到椭圆型再到双曲型的相图结构转变是否与希腊大地震的发生时间相关？
• RQ3 相图中最终的双曲型阶段是否是地震即将发生的可靠指标？
• RQ4 所观察到的相图转变是否可与地壳中的大规模压电效应等物理机制相关联？
• RQ5 该动态模式在多大程度上可作为短期地震预测的前兆？

主要发现

• 在大地震之前，希腊两个远距离监测站点的电磁场信号相图最初表现出无相关性的双曲型模式，其方位渐近线呈随机分布。
• 地震发生前几天，信号变得高度相关，相图中形成椭圆结构。
• 随着地震临近，信号再次变得无相关，相图恢复为双曲型模式，表明压电机制的最终阶段。
• 双曲型模式的重复出现发生在地震之前，并在所有三个分析案例中一致观察到。
• 最终的双曲型阶段是稳定且可重复的特征，在所有三起研究的希腊大地震中，均在主震前数天出现。
• 整个过程——双曲型 → 椭圆型 → 双曲型——表明存在类似于奇异吸引子的非线性动力学过程，其中最终的双曲型阶段作为可靠的短期前兆。