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郝金來等-NSR:日本地震的發震時刻具有統計意義上的24小時周期
2019-12-25 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  1.研究背景和意義 

  地震是地球內部巖體受到構造應力長期作用所導致的突然斷裂和錯動。地球上平均每天發生各種震級大小的地震約上萬次,其中絕大多數都是人類無法感知的微小地震。地震的發震時刻總體而言具有很強的隨機性,沒有清晰可辨的周期性。為了更加深刻地認識地震自身的規律,很多研究人員針對 地震的發震時刻在統計學意義上是否存在周期性展開努力探索,希望找到觸發地震的關鍵因素,布置更多有針對性的科學觀測,推動震源物理模型發展,從而破解地震奧秘。然而,統計地震的周期性十分困難,原因在于缺乏齊全的地震目錄和有效的數據處理方法。 

  中科院地質與地球物理所地球與行星物理院重點實驗室郝金來副研究員、張金海研究員和姚振興院士從數據、方法和噪音影響三個方面對該問題進行了研究。 

  2.處理方法及數據完備性

  采用時頻分析和按周期疊加等技術對分選的地震目錄進行了處理,這些技術能夠從強隨機噪音背景中提取出微弱的周期信號,其基本前提是:(1)地震存在統計意義上的周期性;(2)地震目錄完備;(3)地震數量充分。為了確保研究結果的可靠性,研究人員采用包括正演模擬等在內的多種手段對方法和結果進行了驗證。 

  日本在1995年阪神地震之后建設了Hi-Net地震觀測網,從200263日至201874日,共記錄到了2,560,811個地震事件(圖1a)。該地震目錄是到目前為止研究特定地區地震周期性的最佳數據集。本研究僅保留日本本島下方30公里以上的地震目錄,得到410,642M1.0級以上的地震(圖1b),以確保數據目錄的完備性和研究結果的可靠性。 

1  日本及其鄰近地區的地震分布圖。(a200263日至201874日的全部地震目錄。(b)日本本島M1.0及以上的地震,地震的最大深度為30 km。事件總數分別為(a2,560,811和(b410,642。 符號大小代表地震震級

  3.人類活動噪音的影響分析 

  人類活動具有統計意義上的日周期性和周周期性,因此會周期性地影響地震儀器的檢測能力。必須設法排除人類活動的干擾,才能確認地震是否存在的統計意義上的周期性(特別是日周期性)。由于人類活動在午夜到凌晨六點最為平靜,因而僅僅分析該時段的地震目錄,就能夠最大限度的避免人類活動的影響。如果在該時間段能夠統計得到6個小時的周期,則可以推斷地震存在統計意義上的24小時周期。 

  4.主要結果 

  如圖2所示,時頻分析和按周期疊加等結果表明:地震存在24小時和12小時兩個主要周期,它們均比最近文獻中報道的兩周周期小得多。此外,人為忽略月球的潮汐作用以后所合成的固體潮呈現出與地震幾乎一致的周期特征(圖2e),這表明檢測到的主周期在統計意義上僅與太陽有關,而與潮汐的主控因素月球關系很弱甚至無關,意味著潮汐觸發的假設機制需要更加深入的研究。前人的研究主要關注潮汐對地震的觸發關系,但并未區分太陽和月球的作用,本文的研究則實現了較好的區分。 

2  地震,海潮和合成固體潮的統計周期對比。(a20026月至20187月每小時內的M0.5 +地震數目; b)圖a的時頻譜; c20026月至20171月油津的海潮高度變化; d)圖c的時頻譜; e)疊加對數譜的比較

  一般而言,如果地震的發震時刻是完全隨機的,則對地震目錄按周期疊加將不會呈現出明顯的變化趨勢。然而,按日疊加結果呈現出較為明顯的變化趨勢(圖3):在1:30出現疊加地震數目的最高峰,且在3:00~4:00呈現低谷。此外,M1.0M4.0各種地震震級下限的疊加曲線表現出一致的變化趨勢,并且,較大的地震在疊加結果中表現出更為明顯的變化趨勢(圖4)。此外,如果地震發震時刻完全隨機且受到人類活動噪音的影響,則按日疊加結果應該在人類活動最為平靜的3:00~4:00呈現出最高峰,然而,實際疊加結果在該時段恰恰呈現出低谷。這表明,地震的發震時刻并非完全隨機,而是具有統計意義上的日周期性,至少在人類活動的平靜期0:00-6:00該規律展現的更為明顯。 

3  使用1小時時間間隔進行按日疊加的地震數目的歸一化曲線(未歸一化曲線見文章附錄)。(a)時間段0:006:00;b)時間段6:0024:00

4  不同地震震級下限的互相關系數和最大變化率對比。互相關系數是按日疊加地震數目的歸一化曲線與平均曲線之間進行互相關得到的。疊加數目最大變化率是在給定時間段內按日疊加地震數量的((Max-Min))/ Min計算得到的

  采用其它周期進行疊加的結果呈現出較為混亂的模式和更低的互相關系數(圖5,圖6),這表明得到的24小時的統計周期性在其鄰域附近是唯一的。使用15分鐘為間隔對地震目錄進行重新統計,按周期疊加結果呈現出與1小時間隔基本一致的變化趨勢(圖7)。這表明,研究結果未受到統計時間窗口長度的明顯制約。 

5  0:006:00時間段地震疊加數目的歸一化曲線。疊加周期分別是5小時40分鐘(a),6小時(b)和6小時20分鐘(c

6  按日疊加地震數目的歸一化曲線的平均互相關系數。首先給定疊加周期(如5小時15分鐘)以產生歸一化曲線(類似于圖3a5b;其次,這些曲線的平均互相關系數將在給定時間段內顯示為藍點;然后,使用新的周期進行疊加(如5小時30分鐘)并重復上述過程。掃描的疊加周期為57小時,時間間隔為15分鐘 

7  使用15分鐘的時間間隔對2002年到2018年的M1.0 +地震的按日疊加數量變化曲線。曲線分別以正常樣式(a)和彩色樣式(b)顯示。(b)中使用極坐標并采用24小時制的時鐘系統。按日疊加的地震數目變化范圍為33313796,虛線是3500的參考位置 

  5.結論和討論 

  本文對日本地震目錄進行了處理和分析,發現在人類活動的平靜時間段(0:00-6:00)日本地震具有統計意義上的24小時周期。該研究有望平息自1886年以來地震周期性存在與否的學術爭論,并為探索地震成因之謎提供新的視角。 

  研究人員認為,日本地震在統計意義上與太陽存在某種內在聯系,而且,這種機制很可能不受萬有引力的支配。月球對地球影響更多的體現在萬有引力上,與月球不同的是,太陽輻照導致地面溫度的日周期變化和季節性周期變化。因此,研究人員推測,某些來自太陽的因素可能是使得地震呈現日周期的主要原因;當然,也有可能是地球內部的日變化或者地球自轉在不同時間觸發了不同數量的地震。具體是哪種機制占主導作用,還值得進一步深入研究。 

  由于微小地震在本次研究中占絕大多數,因而得到的統計性周期更多反映的是微小地震的規律。人們對大地震更加關切,但是大地震的數目過于稀少,很難利用本文提出的方法統計其周期性,因此,那些對人類影響較大的天然地震是否遵從該規律尚不得而知。本文探測到的日周期僅僅是統計意義上的,而且這種周期性十分微弱,需要對十幾年內累計的數十萬個地震事件進行按日疊加才能略微顯現,因此,針對某一次或幾次地震根本無法驗證其周期性。本文方法和結果不能對任何一次地震進行預測,也無法推測某一具體地區的地震活動性。 

  今后,需要積累更多的地震目錄以驗證其它地區是否也存在統計意義上存在24小時周期;同時,需要開發新的數據處理方法以從強背景噪聲中提取其它可能存在的弱周期,特別是與月球有關的微弱周期,這些都將為探索地震的基本規律提供有力支持。未來,將地震學、空間物理學以及地球內部物理學等聯合起來,有望破解地震的奧秘。

  研究成果發表于National Science Review。(Hao J L, Zhang J H*, Yao Z X. Evidence for Diurnal Periodicity of Earthquakes from Midnight to Daybreak [J]. National Science Review, 2019, 6(5): 1016–1023. DOI: 10.1093/nsr/nwy117)(原文鏈接 

 
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