[论文解读] Scale-free and small-world properties of earthquake network in Chile

Denisse Pastén, Sumiyoshi Abe+2 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2010

Complex Network Analysis Techniques参考文献 16被引用 3

一句话总结

本研究利用智利的地震数据构建并分析了一个地震网络，以探究其无标度和小世界特性。研究发现，与加利福尼亚、日本和伊朗等地类似，智利地震网络在粗粒度空间尺度下表现出普遍的无标度行为（γ ≈ 1）和高聚类性（C ≈ 0.85），表明地震活动网络中存在普遍的潜在物理机制。

ABSTRACT

The properties of earthquake networks have been studied so far mainly for the seismic data sets taken from California, Japan and Iran, and features common in these regions have been reported in the literature. Here, an earthquake network is constructed and analyzed for the Chilean data to examine if the scale-free and small-world properties of the earthquake networks constructed in the other geographical regions can also be found in seismicity in Chile. It is shown that the result is affirmative: in all the regions both the exponent "gamma" of the power-law connectivity distribution and the clustering coefficient C take the universal invariant values "gamma ~1" and "C~0.85", respectively, as the cell size becomes larger than a certain value, which is the scale of coarse graining needed for constructing earthquake network. An interpretation for this remarkable result is presented based on physical considerations.

研究动机与目标

• 确定智利的地震网络是否表现出与加利福尼亚、日本和伊朗相似的无标度和小世界特性。
• 探究网络参数（如幂律指数 γ 和聚类系数 C）在不同构造区域的地震网络中是否具有普适性。
• 探讨智利观测到的网络特性是否源于地震相互作用的共同物理机制。
• 评估这些网络特性在不同空间粗粒度尺度下的鲁棒性。

提出的方法

• 通过将智利区域划分为空间单元，并连接至少包含一次地震事件的单元来构建地震网络。
• 每个单元的连通性由也包含地震事件的相邻单元数量定义，从而形成复杂的网络结构。
• 使用统计力学工具分析网络的拓扑特性，包括通过度分布 P(k) ∝ k^−γ 检测无标度行为。
• 计算聚类系数 C 以量化连接的局部密度，表明小世界特性。
• 在不同单元尺寸下重复分析，以确定 γ 和 C 呈现普适值的粗粒度尺度。
• 基于 γ ≈ 1 和 C ≈ 0.85 在大尺度下保持不变的观测结果，发展物理解释。

实验结果

研究问题

• RQ1 智利地震网络是否表现出无标度特性，表现为幂律度分布且指数 γ ≈ 1？
• RQ2 智利地震网络中的聚类系数 C 是否始终较高（≈ 0.85），表明具有小世界特性？
• RQ3 在何种空间粗粒度尺度下，网络参数 γ 和 C 在不同区域中变得不变且具有普适性？
• RQ4 智利地震网络中观测到的 γ ≈ 1 和 C ≈ 0.85 是否与加利福尼亚、日本和伊朗等其他构造活跃区域报告的数值一致？
• RQ5 何种物理机制可解释这些网络参数在不同地震区域中的普适性？

主要发现

• 智利地震网络的度分布符合幂律分布，幂律指数 γ ≈ 1，证实了无标度行为。
• 当单元尺寸大于临界粗粒度尺度时，聚类系数 C 稳定在约 0.85，表明具有强烈的小世界特性。
• γ ≈ 1 和 C ≈ 0.85 在智利、加利福尼亚、日本和伊朗均具有普适性，表明地震网络中存在共同的潜在物理机制。
• γ 和 C 在较大空间尺度下的不变性表明，网络结构对粗粒度处理具有鲁棒性，暗示地震活动具有类似自组织临界性的行为。
• 结果支持地震网络受独立于区域构造差异的普遍拓扑原理支配的假设。