[论文解读] 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)|Apr 24, 2017

Earthquake Detection and Analysis参考文献 4被引用 3

一句话总结

本研究将2011年1月5日地震活动序参数波动（κ₁）的最小值识别为2011年Mw 9.0号东北地震前Seismic Electric Signals（SES）活动的开始。通过地震活动与独立的地磁数据的自然时间分析，发现κ₁在2011年3月10日08:40当地时间达到0.07，表明主震即将发生，与自1月4日起观测到的异常地磁变化一致。

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.

研究动机与目标

• 调查地震活动的自然时间分析是否能检测到2011年Mw 9.0号东北地震前的关键前兆信号。
• 利用自然时间分析，将异常地磁场变化的起始时间（Xu等人，2013年报告）与地震活动动力学相关联。
• 确定κ₁值0.07（表示临界系统行为）是否仅在主震前出现，而不在前震（2011年3月9日Mw 7.3）之前出现。
• 通过将SES活动与地震及电磁前兆联系起来，验证压应力激发极化电流（PSPC）模型的物理解释力。

提出的方法

• 对日本气象厅（JMA）目录中的地震活动数据应用自然时间分析，使用序参数κ₁ = Σpkχk² − (Σpkχk)²量化地震能量释放模式的波动。
• 使用震级阈值M_JMA > 3.4、3.9和4.8，在以东北震中为中心的3°×3°区域内计算子区域的κ₁值，以确保数据完整性。
• 追踪P(κ₁)概率分布随时间的演变，特别关注自2011年1月5日起的时期，以检测其向临界值收敛的迹象。
• 将κ₁收敛的时间与Xu等人（2013年）报告的4日至14日间在江刺站观测到的异常垂直地磁场变化的起始时间进行关联。
• 利用既定的经验规则：主震通常在κ₁达到0.07后的数天至一周内发生，以预测主震时间。
• 将2011年3月9日Mw 7.3前震前κ₁的演变与主震前的演变进行比较，以检验临界阈值是否过早达到。

实验结果

研究问题

• RQ1 地震活动的自然时间分析是否揭示了2011年Mw 9.0号东北地震前的关键前兆信号？
• RQ2 异常地磁场变化的起始时间（2011年1月4日至14日）是否与自然时间分析所指示的地震电波信号（SES）活动启动时间在时间上对齐？
• RQ3 0.07的κ₁值（表示临界系统行为）是否仅在主震前出现，而未在2011年3月9日Mw 7.3前震前出现？
• RQ4 压应力激发极化电流（PSPC）模型是否能解释地震活动动力学与电磁异常之间观察到的相关性？

主要发现

• 2011年1月5日前后，序参数κ₁的波动出现前所未有的最小值，表明地震电波信号（SES）活动的启动。
• Xu等人（2013年）在江刺站观测到的异常地磁场变化始于2011年1月4日，与自然时间分析所识别的SES启动日期高度一致。
• 2011年3月10日08:40当地时间，基于地震活动数据计算的κ₁值收敛至0.07，表明系统正接近临界点，预示主震即将发生。
• 在2011年3月9日Mw 7.3前震之前，κ₁值未达到0.07，表明当时系统尚未进入临界状态。
• 在多个震级阈值（M_JMA > 3.4、3.9、4.8）下，2011年3月10日P(κ₁)收敛至0.07的局部最大值，证实了结果的稳健性。
• κ₁临界阈值与电磁异常起始时间的一致性，支持了PSPC模型在SES生成中的物理解释基础。