뉴질랜드 지진 데이터에 M8 알고리즘 적용

D. Vere-Jones

(뉴질랜드 웰링턴 빅토리아 대학교 웰링턴 통계 운영 연구소)

Ma Li

(중국 지진 관리 분석 및 예측 센터, 베이징 100036)

M.Matthews

(수학과, MIT.Cambridge, MA02139-4307, 미국)

M.Matthews

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Abstract 이 논문은 뉴질랜드 지역 지진 카탈로그에 Ma Li and Vere-Jones(1997)의 M8 알고리즘을 적용하고 이를 Keilis-Borok, Kossobokov 및 Rinehart(1986), Keilis-Borok, Knopoff와 비교합니다. , Kossobokov 및 Rotvain(1990), Matthews 및 Switzer(1992)는 M8의 초기 적용을 캘리포니아 지역 지진 카탈로그와 비교했습니다.

뉴질랜드 지역 지진 카탈로그에는 NEIC 카탈로그에 포함되지 않은 소규모, 특히 중간 깊이의 지진이 많이 포함되어 있습니다. M8이 이러한 사건을 연구하는 데 사용된 것은 이번이 처음입니다. NEIC 카탈로그에 제공된 Ms 또는 mb를 지역 규모 ML로 대체하고 얕은 지진뿐만 아니라 중간 및 깊은 소스를 포함한 전체 카탈로그를 적용합니다. M8은 목표 규모 ML≥7인 지진에 대해 4개의 TIPS를 생성했는데, 하나는 성공했고 하나는 실패했으며 두 개는 진행 중이고 아직 끝나지 않았습니다. 현재 진행 중인 TIPS에 포함된 두 지역은 TIPS 시작 이후 크고 얕은 지진을 경험했는데, 하나는 ML=7 미만이고 다른 하나는 ML=7입니다.

이러한 결과는 나중에 Matthews와 Switzer(1992)에 의해 확인된 Keilis-Borok et al.(1990)의 캘리포니아 NEIC 데이터에 대한 M8 적용 결과와 매우 유사합니다. 두 경우 모두, 그들은 알고리즘이 약 10배 정도의 확률 이득을 가져온다고 믿습니다. 두 경우 모두 결과는 몇 가지 놀라운 세부 사항에 따라 달라지는 것 같습니다. Matthews와 Switzer(1992)는 캘리포니아 결과가 간헐천 지열 지역의 일련의 소규모 지진에 크게 의존하고 있으며 이는 부분적으로 인위적 활동에 의해 발생했을 수 있음을 지적했습니다. 뉴질랜드에서는 카탈로그에 중간 깊이의 지진이 포함되어 있는지 여부에 따라 결과가 달라지며, 이러한 사건이 제거되면 동일한 결과가 재현될 수 없습니다. 관찰된 효과의 적어도 일부는 향상된 네트워크 성능 및 디렉터리 보고 찾기 절차로 인한 것일 수 있습니다.

1 소개

이 기사는 Ma Li와 Vere-Jones[5]가 뉴질랜드 데이터에 적용한 M8 알고리즘의 주요 결과를 요약하고 몇 가지 두드러진 특징을 다음과 비교합니다. Keilis-Borok[2]과 Matthews 및 Switzer[6]가 제공한 캘리포니아 데이터의 M8 응용 프로그램을 비교했습니다.

M8을 인용한 최초의 전 세계 대규모 지진 연구와 비교하여 뉴질랜드와 캘리포니아의 연구는 모두 중간 정도의 지진 활동에 대한 지역 연구를 포함했습니다. 둘 다 태평양 경계에 위치해 있지만 두 지역의 구조적 환경은 매우 다릅니다. 뉴질랜드 지역에는 서로 다른 특성을 지닌 두 개의 섭입대가 있는데, 각각의 깊이는 수백 킬로미터에 달합니다. 하나는 화산지대이고 다른 하나는 천이지대입니다. 캘리포니아 지역은 San Andreas Translational Fault 및 관련 단층 시스템에 의해 통제됩니다.

이러한 차이점에도 불구하고 Ma Li와 Vere-Jones[5] 및 Keilis-Borok et al.[4]이 설명한 결과는 적어도 표면적으로는 매우 유사합니다. 매 5년 간격으로 규모 7 이상의 지진("TIPS")이 발생할 확률의 증가를 찾는 데 알고리즘이 사용됩니다. 두 지역은 중앙에 일련의 중첩되는 원형 구역(뉴질랜드 7개, 캘리포니아 8개)이 포함되어 있으며, 이 계산은 1975년부터 약 20년간의 기간을 포괄합니다. 관찰 기간 동안 해당 지역에서 발생한 MS≥7의 세 가지 지진 모두 캘리포니아를 포함하여 두 지역 모두에서 4개의 TIPS를 얻었습니다. 또한 뉴질랜드에서도 TIPS에는 관측 기간 동안 해당 지역에서 발생한 ML≥7 규모의 지진이 2건 포함되어 있습니다. 각 사례의 TIPS가 연구에서 다루는 전체 시공간 중 작은 부분(약 1/7)만을 다루고 있다는 점을 고려하면 이는 인상적인 기록입니다. 각 경우에 약 5~10 정도의 확률 이득을 나타내며, 각 원 영역의 연구 기간 TIPS가 무작위로 할당된다고 가정하면 각 영역의 확률은 약 1/50 또는 두 구역이 됩니다. 합하면 약 1/2000입니다.

그럼에도 불구하고 두 경우 모두 TIPS를 생성하는 요인을 자세히 살펴보면 몇 가지 문제가 되는 특징이 드러납니다. Matthews와 Switzer [6]는 캘리포니아 데이터의 결과가 간헐천 지열 지역의 일련의 소규모 지진 사건에 민감하다는 점을 지적했습니다. 이는 증기 생산을 증가시키기 위해 물을 주입하여 발생하는 것으로 생각됩니다. 뉴질랜드 데이터의 결과는 카탈로그에 감산판에서 발생하는 중간 깊이의 지진이 포함되어 있는지 여부에 따라 크게 달라집니다.

부분적으로 지진 네트워크의 모니터링 기능이 향상되었기 때문에 이러한 현상은 진행 중인 두 TIPS가 생성되기 전 연구 기간이 끝날 무렵 크게 개선되었습니다.

본 글은 세 부분으로 구성되어 있으며, 다음 부분에서는 M8 알고리즘의 주요 특징을 검토하고, 이를 뉴질랜드 지진 카탈로그에 적용한 개요를 정리하고, 뉴질랜드 지진 카탈로그를 비교 정리한다. 결과는 캘리포니아의 결과와 비교되고 간단한 토론으로 마무리됩니다.

2단계

뉴질랜드의 분석에서는 IASPEI 소프트웨어 시리즈 6권에서 Kossobokov 등이 처음 작성한 소프트웨어를 사용했습니다. 기본 알고리즘은 Keilis-Borok 및 Kossobokov [4]가 앞서 설명한 것과 동일합니다. 그러나 소프트웨어 프로그램 가이드는 본진 카탈로그를 생성하고 관찰 기간을 훈련 및 평가 기간으로 나누는 데 사용되는 창 서브루틴과 같은 몇 가지 더 명확한 세부 정보를 제공합니다. Mari 및 Vere-Jones [5]의 지침과 절차 가이드에 따라 알고리즘 작동과 뉴질랜드 분석에 적합한 단계를 간략하게 설명합니다.

관측 영역의 확률 증가 시간(TIPS)을 예측하는 것이 연구 목표입니다. 이러한 영역은 일반적으로 원으로 간주되며 그 반경은 대상 이벤트(Mo)의 크기에 따라 달라집니다. M≥7(즉, Mo=7)인 지진을 예측하려면 반경 280km가 권장되며, M≥8(Mo=8)인 지진의 경우 반경 670km가 권장됩니다. 뉴질랜드, 캘리포니아 등 중간 정도의 지진 활동이 있는 지역의 경우 Mo=7이 자연스러운 선택이며 결과에서 고려되는 유일한 값입니다. Ma Li와 Vere-Jones [5]는 뉴질랜드의 Mo=8 분석 결과를 기술했으며, 센터에서는 뉴질랜드 북동부의 한 지역에서 하나의 잘못된 TIP와 두 개의 미완성 TIPS를 생성했습니다. 연구 기간 시작부터 ML≥8의 지진까지). 각 관측지역에 대해 간단한 시공간 창잉 기법을 사용하여 여진을 제거하고 이를 통해 본진 카탈로그를 얻습니다. 프로그램 가이드는 프로그램에 대한 세부 정보를 제공합니다. 본진 카탈로그의 각 이벤트에는 원래 시간 ti, 규모 Mi 및 관련 여진 수 Ai의 세 가지 속성이 있습니다. 보다 정확하게는 Ai는 i번째 본진 후 처음 2주를 나타냅니다. . 기본 규모 임계값보다 큰 규모의 여진의 횟수입니다. 특정 관찰 영역에 대한 주 충격의 진원지 좌표는 카탈로그에 포함할 지진 수를 결정하는 데 사용되며 이후에는 사용되지 않습니다.

이 알고리즘은 원래 NEIC 지진 카탈로그를 사용했지만, 뉴질랜드에서는 소규모 지진, 특히 중간 깊이의 지진이 많이 발생하여 지역 카탈로그에는 포함되었지만 NEIC에는 나타나지 않았기 때문에 분석에 어려움을 겪었습니다. 디렉토리에. 실제로 NEIC 카탈로그에는 알고리즘을 성공적으로 실행하기 위한 뉴질랜드 데이터가 충분하지 않습니다. 이러한 이유로 뉴질랜드 분석은 NEIC 디렉토리에 나열된 mb 또는 Ms 대신 ML을 사용하여 뉴질랜드 로컬 디렉토리의 데이터를 기반으로 합니다. Ma Li와 Vere-Jones [5]는 두 지진 카탈로그의 범위와 다양한 규모 사이의 차이점을 요약했으며 Harte와 Vere-Jones [1]는 이에 대해 더 자세히 설명했습니다. M8 소프트웨어에서 제공하는 창 알고리즘은 주 알고리즘에서 사용할 본진 이벤트 및 해당 속성 목록을 준비하는 데 사용됩니다. M8 알고리즘은 처음에는 중간 깊이 지진과 깊은 근원 지진의 사용을 고려하지 않았기 때문에 얕은 근원지(d≤40km)와 깊은 근원(d>40km) 지진에 대한 추가 카탈로그가 각각 편집되었습니다.

각 원에 대해 알고리즘은 최소 절반 크기의 간격으로 크기 임계값 L1 및 L2를 선택하여 초기(훈련) 기간의 최소 평균 비율이 이벤트당 10(각각 20)개가 되도록 보장합니다. 반년(의미있는 분석을 위한 데이터가 충분하지 않으면 오류가 발생합니다). 7개의 시계열 결과 세트는 6개월마다 계산됩니다. t는 연구 기간 시작 이후의 시간(년)을 나타내고, Nj(t)는 규모가 Lj(j=1,2)를 t를 초과할 때의 본진의 누적 횟수이고, Sj(t)는 누적 합계입니다.

제30차 국제지질학회 논문집 제5권 현대 암석권 운동 지진지질

여기서 0≤ti

1. 2개 시퀀스 X1(t), X2(t) 세트 및 6년 평균 비율 부분:

제 30차 국제지질학회 회보 5권 현대 암석권 운동 지진 지질학

2. 두 시퀀스 세트 Y1(t), Y2(t) 및 t-의 연속 평균 편차. 6, t≥6 부분:

제30차 국제지질학회의 논문집 제5권 현대 암석권 운동 지진 지질학

3 두 세트의 시퀀스 Z1(t), Z2(t). 응력 방출 및 주파수의 비선형 조합:

제30회 국제 지질 회의 제5권 현대 암석권 운동 지진 지질학

4. 기록된 최대 여진 시퀀스 세트:

제30차 국제지질학회 논문집 제5권 현대 암석권 운동 지진지질

t-1≤ti

백분율은 처음 6개 시퀀스의 경우 90%이고 마지막 시퀀스의 경우 80%입니다. t-1/2 및 t에서 마지막 시퀀스와 나머지 6개 시퀀스 중 최소 5개가 임계값을 초과하는 경우 t>T1일 때 TIP가 생성됩니다. TIP가 선언되면 5년 동안 지속되며, 이 기간 동안 규모 Mo 이상의 지진이 발생하면 성공(STIP)이고, 그렇지 않으면 실패(FTIP)입니다. 여전히 유효한 TIP는 현재 TIP(CTIP)로 간주됩니다.

뉴질랜드 분석은 그림 1과 같이 일련의 7개 중첩 지역에 대해 수행되었습니다. 전체 관찰기간은 (1963~1995)로 취하며, 그 중 (1963~1975)이 훈련기간이고 후기 기간이 조사기간이다. 세 가지 분석이 수행되었는데, 하나는 모든 지진 사건을 포함하고 다른 두 개는 지진을 얕은 근원과 깊은 근원으로 분류했습니다. 그림 1에는 조사기간(1976~1995) 동안 관측지역에서 발생한 주요 지진현황도 나와 있다. 이러한 이벤트는 표 1에 나열되어 있습니다.

8개의 겹치는 원이 있는 캘리포니아 지진 데이터(얕은 소스만)를 사용하여 대략적인 분석을 수행하는 데 동일한 단계가 사용되었습니다. 자세한 내용은 Keilis-Borok et al. [3], Matthews 및 Switzer [6]의 기사를 참조하세요.

3 결과

표 2는 뉴질랜드 지역 지진 카탈로그 및 Mo=7의 요약 결과를 보여줍니다. 원본 기사에서는 NEIC 카탈로그 및 Mo=8에 대한 추가 결과를 제공합니다.

그림 1 뉴질랜드 지진 카탈로그의 관측 지역 및 주요 지진 현상

지진 A~Q는 표 1에 표시되어 있으며 음영 처리된 부분은 현재 TIPS를 나타냅니다.

표 1 1976년부터 1995년까지 뉴질랜드에서 발생한 주요 지진 사건(ML ≥ 6.4)

표 2 뉴질랜드 지역 지진 목록 요약 결과

참고: NA는 충분하지 않음을 의미합니다. M8을 성공적으로 실행하기 위한 원의 데이터 — 관찰 기간 동안 이 원 내에 TIPS가 없음을 나타냅니다.

지역 1에 대한 종합 분석에서 성공적인 TIP에는 뉴질랜드 북동부의 얕은 지진 G(ML=7.0)가 포함되었습니다. 영역 3의 현재 TIP에는 동해안에서 가장 최근의 얕은 지진 Q(ML=6.9)가 포함되어 있으며 알고리즘 성능을 평가하는 데 성공적인 TIP로 간주됩니다. 현재 지역 4의 TIP에는 남섬 북부 지역의 Arthur's Pass 지진 P(ML=6.5)가 포함되어 있습니다. 이는 대규모 지진이지만 규모에 대해서는 여전히 논란이 있지만, 1번 지진으로 분류되지는 않습니다. 평가. 성공을 위한 팁. 지역 6의 실패한 TIP에는 관측 기간 동안 피오르드랜드 지역에서 발생한 최대 규모의 지진인 Event O(ML=6.7)가 포함되어 있습니다. 비록 이것이 아직 성공적인 TIP로 간주되지는 않지만, 이는 TIPS 및 후속 지진을 촉발한 요인을 심화시킵니다. 큰 지진과 관련이 있습니다.

분석된 불안한 지형은 얕은 지진과 깊은 지진과 관련이 있습니다. 얕은 지진 카탈로그에 적용된 알고리즘은 완전히 실패했으며 TIPS와 대규모 지진 사이의 명확한 연관성을 생성하지 못했습니다. 심층지진 카탈로그를 적용하면 중앙 지역에 세 개의 TIPS가 생성되며, 각각은 하나 또는 다른 크고 얕은 지진 P와 Q를 포함합니다. 1980년대 후반 이후 세 지역 모두에서 심지진이 증가했는데, 이는 의심할 여지 없이 TIPS를 유발하는 데 어느 정도 역할을 했습니다. 그러나 이러한 심층 소스 활동의 증가가 물리적 변화에 기인하는지 여부는 완전히 명확하지 않습니다. 대부분의 관측소가 디지털화되자 1987년에 지진 네트워크의 품질이 상당히 향상되었습니다. 관찰 기간 초기에 이러한 사건이 감지 가능한 범위 내에 있는 경우에도 더 깊은 지진을 모니터링하고 기록하는 데 있어 일부 개선이 이루어졌습니다. 지진이 증가하는 지역은 네트워크 커버리지가 좋은 지역에 위치하고 있고 깊이가 한계에 도달하지 않았기 때문에 이것은 아마도 단순한 도구 효과가 아닐 것입니다. 그림 2~4는 깊이 범위가 0~40km, 40~100km, 100~400km인 3, 4, 5 지역의 지진 활동에 대한 일련의 통계 지표를 보여줍니다. 각 그림의 첫 번째 부분은 지진의 규모와 시간 다이어그램이고, 두 번째 부분은 6개월 동안 임계값 ML=4.5보다 큰 지진의 수입니다. 세 번째 부분은 규모 분포의 lgN과 규모 다이어그램입니다. 직선에서 시스템의 편차는 무결성 질문을 나타냅니다. 네 번째 부분은 가장 최근 기간(1988-1993)의 데이터에서 얻은 평균 크기 값을 표시합니다. ) 초기 지진 기록이 불완전하여 낮은 크기의 데이터가 누락되었습니다. 오른쪽에서 왼쪽 부분은 수평 하향 경사 변화 추세를 보여 주며, 마지막 부분은 유사한 지진 빈도의 누적 합계입니다. 지진 증가는 거의 전적으로 두 번째 깊이 범위로 제한되며 이는 특별한 의미가 있을 수 있습니다. 이 깊이 범위에 대한 평균 규모의 누적 합계 곡선은 시간이 지남에 따라 초기 지진 기록 누락으로 인한 불완전성의 단순한 형태로 감소하여 예상되는 것과 반대됩니다. 이 기능은 또한 변경이 실제이고 백엔드 네트워크 개선의 아티팩트가 아니라는 아이디어를 뒷받침하지만 후자의 가능성을 완전히 제거하기는 어렵습니다.

앞서 언급했듯이 Keilis-Borok et al.의 원래 분석은 M8 적용과 흥미로운 유사점이 있습니다. 연구 기간 동안 캘리포니아에서 발생한 3대 지진(멘도시노 지진, 임페리얼 밸리 지진, 로마 프리에타 지진) 중 하나를 포함하여 4개의 TIPS가 보고되었습니다.

여기에는 심해 지진의 합병증이 없지만 나중에 Matthews와 Switzer의 연구[6]에서 몇 가지 다른 충격적인 특성이 밝혀졌습니다. 그들은 분석이 시작 날짜 선택과 정의된 관찰 영역의 정확한 반경에 민감하다는 것을 발견했습니다. 가장 안정적인 결과는 로마 프리에타(Loma Prieta) 지진과 관련이 있지만 여기서는 관측 영역을 조금만 수정해도 결과가 변경될 수 있습니다. 예를 들어, 원의 경계에 위치한 Long Valley/Mammoth Lakes 화산 지진 떼가 중요한 역할을 합니다. 더욱 문제가 되는 것은 증기량을 늘리기 위해 물을 주입하여 발생하는 것으로 생각되는 간헐천 지열 지역에서 소규모 지진 그룹을 제거하는 것만으로도 TIP를 억제하기에 충분할 것이라는 사실입니다. 캘리포니아의 성공적인 TIPS는 아마도 실질적인 물리적 의미가 없는 일련의 우연의 결과일 것이라는 인상을 받습니다. 완전히 분리된 두 지리적 영역의 경우 이는 동시에 발생하여 우연의 일치가 더 커지지만 여전히 가능성의 영역을 벗어나지는 않습니다.

그림 2: 3, 4, 5 지역의 천층 지진(d≤40km)에 대한 데이터 무결성 연구. 자세한 설명은 텍스트를 참조하세요.

그림 3: 중간 및 5 영역 3, 4, 5의 심층 소스 지진(40

그림 4. 데이터 무결성 연구에 대한 추가 설명 지역 3, 4, 5의 심원지진(d>120km)에 대한 내용은 텍스트를 참조하세요.

4 토론

제기된 문제를 명확히 하기 위해 수행할 수 있는 연구가 많이 있습니다. 이러한 초기 분석을 통해 이전 연구에서 Matthews와 Switzer는 결과의 민감도를 시작 날짜, 관측원의 위치 및 반경과 같은 특성의 작은 변화에 기인했습니다. 뉴질랜드 데이터에서도 유사한 연구가 수행되었습니다. 그들은 M8에 사용된 7개 시계열 세트가 서로 밀접하게 관련되어 있다는 점을 지적하고 판별 분석과 같은 표준 통계 방법이 후속 대규모 지진과 관련된 이러한 시계열의 포괄적인 특성을 더 잘 반영할 수 있다고 지적했습니다. 원래 알고리즘의 엄격한 경계를 제거하는 것이 매우 바람직해 보입니다. 특히 그 자체로 많은 불확실성이 있는 크기와 같은 일부 관련 수량의 경우 더욱 그렇습니다. 더 중요한 것은 알고리즘에 사용되는 정보가 확률 모델, 즉 일반적인 선형 패턴으로 결합된다는 것입니다. 각 기간에 대한 과거의 함수로 대지진의 확률을 제공하고 시퀀스에 대해 7세트의 값을 제공하여 제한된 범위를 기반으로 하더라도 성능을 보다 포괄적으로 평가할 수 있도록 하는 것이 바람직할 수 있습니다. 데이터.

이전 섹션에서 언급한 해석의 불확실성, 즉 TIPS가 실제 물리적 사건에 의해 촉발되었는지 아니면 지진 기록 과정의 인공물에 의해 촉발되었는지는 어떠한 경우에도 추가 분석을 통해 완전히 제거할 수 없습니다. 이에 대한 근본적인 이유는 지역 또는 지역 수준의 대규모 지진 데이터가 부족하기 때문이며, 이는 이러한 유형의 연구가 가까운 미래에 유지될 특징일 가능성이 높습니다. 본 연구에서 제안한 것처럼 여러 지역의 연구를 결합하면 이 문제를 완화할 수 있지만 각 지역에는 조정 데이터의 공동 해석을 용이하게 하지 않는 고유한 특성이 있기 때문에 부분적으로만 가능합니다.

감사의 글 자료 사용을 허락해주신 Willie Lee와 IASPEI PC 소프트웨어 시리즈 6권의 저자, ​​데이터 준비에 도움을 주신 David Harte, 그림 그리기에 도움을 주신 Zhuang Jiancang에게 감사드립니다. 이 작업은 NZFRST 자금의 VIC 309 및 VIC 406 프로젝트의 자금 지원으로 시작되었으며 현재 뉴질랜드 아시아 2000 기금과 중국 국가 지진청 간의 공동 연구 프로젝트의 일환으로 진행되고 있습니다.

(Zhou Qing 번역, Ye Hong 편집)

참고자료

[1] D.Harte와 D.Vere-Jones. NEIC 및 현지 뉴질랜드 카탈로그. 기술 보고서, 웰링곤 빅토리아 대학교, 1995.

[2]V.Keilis-Borok, V.Kossobokov 및 W.Rinehart. 알고리즘 M8 서부 미국 테스트 .Academy of Sciences of 소련,모스크바,1986,51~52.

[3]V.Keilis-Borok,L.Knopoff,V.Kossobokov 및 I.Rotvain. Loma Prieta 지진.Geophys,Res.Lett.,1990,8:1461~1464.

[4]V.Keilis-Borok 및 V.Kossobokov.지진 흐름의 사전 활성화:알고리즘 M8.물리학 of the Earth and Planetary Interiors,1990,61:73~83.

[5]Ma Li 및 D.Vere-Jones.뉴질랜드 지진 데이터에 M8 및 lin-lin 알고리즘 적용.뉴질랜드 Journal of Geology and Geophysics, 1997, 40.

[6]M.Matthews 및 P.Switzer. 캘리포니아의 지진 예측 알고리즘 M8 평가. 기술 보고서, 수학과, MIT, 1992.