VAN метод - VAN method

В VAN метод - названный в честь П. Варотсос, К. Алексопулос и К. Номикос, авторы статей 1981 г., описывающих его[1][2] - измеряет низкочастотные электрические сигналы, называемые «сейсмическими электрическими сигналами» (SES), с помощью которых Варотсос и несколько его коллег утверждали, что успешно предсказанные землетрясения в Греции.[3][4] И сам метод, и способ утверждения успешных прогнозов подвергались резкой критике.[5][6][7] Сторонники VAN ответили на критику, но критики не отказались от своей точки зрения.[8][9]

С 2001 года группа VAN ввела понятие, которое они называют «естественным временем», применительно к анализу их предшественников. Изначально применяется на СЭС, чтобы отличать их от шум и соотнесите их с возможным надвигающимся землетрясением. В случае проверки (отнесение к категории «СЭС деятельность»), анализ естественного времени дополнительно применяется к общей последующей сейсмичности области, связанной с деятельностью SES, для улучшения временного параметра прогноза. В методе наступление землетрясения рассматривается как критическое явление.[10][11][12][13]

После 2006 года VAN сообщает, что все сигналы тревоги, связанные с деятельностью SES, были опубликованы путем публикации на arxiv.org. Один такой отчет был опубликован 1 февраля 2008 года, за две недели до самого сильного землетрясения в Греции за период 1983-2011 годов. Землетрясение произошло 14 февраля 2008 г. с магнитудой (Mw) 6.9. Отчет ВАН также был описан в статье в газета Этнос 10 февраля 2008 г.[14][15][16][17] Однако Герассимос Пападополус жаловался, что отчеты VAN были запутанными и двусмысленными, и что «ни одно из утверждений об успешных прогнозах VAN не обосновано»,[18] но на эту жалобу был дан ответ по тому же вопросу[19]

Описание метода VAN

Прогнозирование землетрясений с помощью этого метода основано на обнаружении, регистрации и оценке сейсмических электрических сигналов или SES. Эти электрические сигналы имеют фундаментальную частота составляющая 1 Гц или менее и амплитуда, логарифм которой масштабируется с магнитуда землетрясения.[20] По мнению сторонников ВАН, СЭС выбрасываются горными породами под подчеркивает вызвано плито-тектоническими силами. Есть три типа сообщаемых электрических сигналов:[4]

  • Электрические сигналы, возникающие незадолго до сильного землетрясения. Сигналы этого типа были зарегистрированы за 6,5 часов до начала 1995 г., землетрясение в Кобе в Японии, например.[21]
  • Электрические сигналы, возникающие незадолго до сильного землетрясения.
  • Постепенное изменение электрического поля Земли за некоторое время до землетрясения.

Для объяснения СЭС было предложено несколько гипотез:

  • Явления, связанные со стрессом: сейсмические электрические сигналы, возможно, связаны с пьезоэлектрическое поведение некоторых минералы, особенно кварц, или к эффектам, связанным с поведением кристаллографические дефекты под стрессом или напряжением. Серии SES, называемые SES-действиями (которые регистрируются до сильных землетрясений), могут появиться за несколько недель до нескольких месяцев до землетрясения, когда механическое напряжение достигает критического значения.[2][22] Генерация электрических сигналов минералами при высоком напряжении, приводящем к разрушению, подтверждена лабораторными экспериментами.[23]
  • Термоэлектрические явления. Китайские исследователи также предложили механизм, основанный на термоэлектрическом эффекте в магнетите.[24]
  • Явление грунтовых вод: были предложены три механизма, основанные на наличии грунтовых вод при образовании SES. Электрокинетический эффект связан с движением грунтовых вод при изменении порового давления.[25] Сейсмический динамо-эффект связан с движением ионов в грунтовых водах относительно геомагнитного поля, поскольку сейсмическая волна создает смещение. Круговая поляризация была бы характерной для сейсмического динамо-эффекта, и это наблюдалось как для искусственных, так и для естественных сейсмических событий.[26] Эффект ионизации радона, вызванный выделением радона и последующей ионизацией материала в грунтовых водах, также может быть активным. Основной изотоп радона радиоактивен с периодом полураспада 3,9 дня, и известно, что ядерный распад радона оказывает ионизирующее действие на воздух. Во многих публикациях сообщается о повышении концентрации радона в окрестностях некоторых активных тектонических разломов за несколько недель до сильных сейсмических событий.[27] Однако сильной корреляции между радоновыми аномалиями и сейсмическими событиями не было продемонстрировано.[28]

В то время как электрокинетический эффект может соответствовать обнаружению сигнала на расстоянии в десятки или сотни километров, другие механизмы требуют второго механизма для учета распространения:

  • Передача сигналов по разломам: в одной модели сейсмические электрические сигналы распространяются с относительно низким затуханием вдоль тектонических недостатки, за счет увеличения электрическая проводимость вызванные либо проникновением грунтовых вод в зону (зоны) разлома, либо ионными характеристиками минералов.[29]
  • Цепь горной породы: в модели дефекта наличие носителей заряда и дыр можно смоделировать как образующую обширную цепь.[30]

Сейсмические электрические сигналы обнаруживаются на станциях, которые состоят из пар электродов (ориентированных NS и EW), вставленных в землю, с усилителями и фильтрами. Затем сигналы передаются ученым VAN в Афинах, где они записываются и оцениваются. В настоящее время команда VAN управляет 9 станциями, а в прошлом (до 1989 г.) они могли позволить себе до 17.[31]

Команда VAN утверждала, что они могут предсказывать землетрясения с магнитудой более 5 баллов. неуверенность 0,7 единиц величины, в радиусе 100 км и во временном окне от нескольких часов до нескольких недель. Несколько статей подтвердили этот показатель успеха, что привело к статистически значимому заключению.[32] Например, с 1 января 1984 г. по 10 сентября 1995 г. в Греции произошло восемь землетрясений с магнитудой ≥ 5,5, и сеть VAN прогнозировала шесть из них.[33]

Метод VAN также использовался в Японии,[13] но в первых попытках добиться успеха, сопоставимого с тем, который был достигнут в Греции, было «трудно».[34] Предварительное исследование сейсмических электрических сигналов во Франции дало обнадеживающие результаты.[35]

Прогноз землетрясений с использованием анализа «естественного времени»

С 2001 года команда VAN пытается повысить точность оценки времени приближающегося землетрясения. С этой целью они ввели понятие естественное время, метод анализа временных рядов, который придает значение процессу, основанному на упорядочении событий.[36] Два термина характеризуют каждое событие: «естественное время». χ, а энергия Q. χ определяется как k/N, куда k целое число ( k-е событие) и N - общее количество событий во временной последовательности данных. Родственный термин, пk, - отношение Qk / Qобщий, который описывает долю выделенной энергии. Они вводят критический термин κ, «отклонение от естественного времени», придающее дополнительный вес термину энергии пk:

куда и

Их текущий метод считает SES действительным, когда κ = 0,070. Как только SES признаны действительными, начинается второй анализ, в котором отмечаются последующие сейсмические (а не электрические) события, и область делится на диаграмму Венна, по крайней мере, с двумя сейсмическими событиями на перекрывающийся прямоугольник. Когда распределение κ для прямоугольных областей имеет максимум при κ = 0,070, критическое сейсмическое событие неизбежно, т. Е. Оно произойдет в течение от нескольких дней до одной недели или около того, и выдается отчет.[37]

Полученные результаты

Команда VAN утверждает, что из семи основных толчков с магнитудой Mw> = 6.0 с 2001 по 2010 год в районе широты от 36 ° до 41 ° северной широты и 19 ° восточной долготы до 27 ° восточной долготы, все, кроме одного, можно было классифицировать с помощью соответствующего SES. активность выявляется и сообщается заранее посредством анализа естественного времени. Кроме того, они утверждают, что время возникновения четырех из этих главных толчков с магнитудой Mw> = 6.4 было определено с точностью до «узкого диапазона, от нескольких дней до примерно одной недели или около того».[38] Эти отчеты вставляются в документы, размещенные в arXiv, и новые отчеты создаются и загружаются туда.[39] Например, отчет, предшествующий самому сильному землетрясению в Греции в период с 1983 по 2011 год, которое произошло 14 февраля 2008 года с магнитудой (Mw) 6,9, был опубликован в arXiv почти за две недели до этого, 1 февраля 2008 года.[40] Описание обновленного метода VAN было собрано в книге, опубликованной Springer в 2011 году, под названием «Анализ естественного времени: новый взгляд на время».[41]

Анализ естественного времени также утверждает, что физическая связь деятельности SES с землетрясениями выглядит следующим образом: принимая во внимание то, что возникновение землетрясения является фазовым переходом (критическое явление), где новая фаза является возникновением главного толчка, вышеупомянутый член дисперсии κ - соответствующий параметр порядка.[41] Значение κ, вычисленное для окна, содержащего ряд сейсмических событий, сравнимых со средним количеством землетрясений, происходящих в течение нескольких месяцев, колеблется, когда окно скользит по каталогу сейсмических данных. Команда VAN утверждает, что эти флуктуации κ демонстрируют минимум за несколько месяцев до возникновения главного толчка, и, кроме того, этот минимум происходит одновременно с инициированием соответствующей активности SES, и что это впервые в литературе, когда такое одновременное появление наблюдались два предшествующих явления в независимых наборах данных различных геофизических наблюдений (электрические измерения, сейсмичность).[42] Кроме того, команда VAN утверждает, что их естественный временной анализ сейсмического каталога Японии в период с 1 января 1984 г. до землетрясения Тохоку магнитудой 9,0 11 марта 2011 г. показал, что появились такие четкие минимумы колебаний κ. перед всеми крупными землетрясениями магнитудой 7,6 и более. Самый глубокий из этих минимумов произошел 5 января 2011 года, то есть почти за два месяца до землетрясения Тохоку.[43] Наконец, разделив регион Японии на небольшие области, команда VAN заявляет, что некоторые небольшие области демонстрируют минимум колебаний κ почти одновременно с большой площадью, покрывающей всю Японию, и такие небольшие области сгруппированы в пределах нескольких сотен километров от фактического эпицентра надвигающееся сильное землетрясение.[44][45]

Критика VAN

Исторически полезность метода VAN для предсказания землетрясений была предметом споров. Как положительная, так и отрицательная критика более старой концепции метода VAN резюмируется в книге 1996 г. «Критический обзор VAN» под редакцией сэра Джеймса Лайтхилла.[46] Критический обзор статистической методологии был опубликован Я. Каганом из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе в 1997 году.[47] Обратите внимание, что эта критика предшествовала методам анализа временных рядов, введенным группой VAN в 2001 году. Основными пунктами критики были:

Прогнозирующий успех

Критики говорят, что методу VAN препятствует отсутствие статистической проверки достоверности гипотезы, поскольку исследователи продолжают изменять параметры ( перемещение стоек ) техника).[48]

VAN заявила, что наблюдала на станции записи в Афинах точную запись однозначной корреляции между SES и землетрясением магнитудой ≥ 2,9, которое произошло на 7 часов позже по всей Греции.[49] Однако Макс Висс сказал, что список землетрясений, использованный для корреляции, был ложным. Хотя ВАН заявил в своей статье, что список землетрясений был приведен в Бюллетене Национальная обсерватория Афин (NOA), Висс обнаружил, что 37% землетрясений, фактически перечисленных в бюллетене, включая самое сильное, не были в списке, используемом VAN для выдачи своих претензий. Кроме того, 40% землетрясений, которые, по утверждению VAN, произошли, не попали в бюллетень NOA.[50] Изучение вероятности случайной корреляции другого набора из 22 утверждений об успешных предсказаниях VAN с M> 4,0 с 1 января 1987 г. по 30 ноября 1989 г. [51] было обнаружено, что 74% были ложными, 9% коррелировали случайно, а для 14% корреляция была неопределенной. Ни одно событие не коррелировало с вероятностью более 85%, тогда как уровень, необходимый в статистике для принятия проверки гипотезы как положительной, обычно составляет 95%.[52]

В ответ на анализ выводов NOA, проведенный Виссом, VAN заявил, что критика основана на недопонимании.[53] VAN сказал, что расчеты, предложенные Виссом, приведут к парадоксу, то есть к значениям вероятности больше единицы, когда они будут применены к идеальному методу прогнозирования землетрясений.[54] По другим независимым оценкам, VAN получил статистически значимые результаты.[32][33]

Обычных сейсмологов по-прежнему не убеждают какие-либо опровержения VAN. В 2011 году МИЭФ пришел к выводу, что возможности оптимистичного прогнозирования, заявленные VAN, не могут быть подтверждены.[55] Большинство сейсмологов считают, что VAN «решительно опровергнут».[56]

Однако Уеда и другие в 2011 году поддержали использование этой техники.[57] В 2018 году статистическая значимость метода была пересмотрена группой VAN с использованием современных методов, таких как анализ совпадений событий (ECA).[58] и рабочая характеристика приемника (ROC)[59], которые они интерпретировали, чтобы показать, что SES демонстрируют далеко не случайную информацию.[60]

Предлагаемый механизм распространения SES

Анализ характеристик распространения SES в земной коре показал, что невозможно, чтобы сигналы с амплитудой, сообщаемой VAN, могли генерироваться небольшими землетрясениями и передаваться на расстояние в несколько сотен километров между эпицентром и приемной станцией.[61] Фактически, если механизм основан на пьезоэлектричестве или электрическом заряде деформаций кристаллов с сигналом, распространяющимся по разломам, то ни одно из землетрясений, которые, по утверждению VAN, не предшествовали SES, не генерировало SES. VAN ответил, что такой анализ свойств распространения SES основан на упрощенной модели горизонтально-слоистой Земли и что это сильно отличается от реальной ситуации, поскольку земная кора содержит неоднородности. Если принять во внимание последнее, например, учитывая, что разломы электрически значительно более проводимы, чем окружающая среда, VAN считает, что электрические сигналы, передаваемые на расстояниях порядка ста километров между эпицентром и приемной станцией, имеют сопоставимые амплитуды. тем, о которых сообщил ВАН.[29]

Проблемы с электромагнитной совместимостью

Публикации VAN еще больше ослаблены из-за того, что не решена проблема устранения множества сильных источников изменения измеряемого ими магнитоэлектрического поля, таких как теллурические токи от погоды и электромагнитная интерференция (EMI) от искусственных сигналов.[нужна цитата ] В одной критической статье (Pham et al 1998) четко коррелирует SES, используемую группой VAN, с цифровыми радиопередачами, сделанными с военной базы.[62] В последующем документе VAN сказал, что такой шум, исходящий от цифровых радиопередатчиков военной базы данных, четко отличается от истинного SES, следуя критериям, разработанным VAN.[63] Дальнейшая работа Фама и др. В Греции в 2002 году позволила проследить «аномальные переходные электрические сигналы», подобные SES, обратно к конкретным человеческим источникам, и обнаружила, что такие сигналы не исключаются критериями, используемыми VAN для определения SES.[64]

В 2003 г. появились современные методы статистической физики, т. Е. анализ колебаний без тренда (DFA), мультифрактальный DFA и вейвлет-преобразование показали, что SES четко отличаются от сигналов, производимых людьми, поскольку первые сигналы демонстрируют очень сильные корреляции дальнего действия, а вторые - нет.[65][66] Работа опубликована в 2020 году[67] исследовали статистическую значимость минимумов колебаний параметра порядка κ1 сейсмичности с помощью анализа совпадений событий как возможного предвестника сильных землетрясений как на региональном, так и на глобальном уровне. Результаты показывают, что эти минимумы действительно являются статистически значимыми предвестниками землетрясений. В частности, в региональных исследованиях временной лаг оказался полностью совместимым с выводом.[68] что эти мимимы происходят одновременно с инициированием активности SES, таким образом, отличие последних сигналов-предшественников от сигналов, производимых человеческими источниками, очевидно.

Публичная политика

Наконец, одним из требований к любому методу прогнозирования землетрясений является то, что для того, чтобы любой прогноз был полезным, он должен прогнозировать приближающееся землетрясение в разумных временных рамках, эпицентре и магнитуде. Если прогноз слишком расплывчатый, невозможно принять какое-либо практическое решение (например, эвакуировать население из определенной области на определенный период времени). На практике группа ВАН выпустила серию телеграмм в 1980-х годах. В течение того же периода времени этот метод также пропустил крупные землетрясения в том смысле, что[69] "для землетрясений с Mb ≥ 5,0 отношение прогнозируемого к общему количеству землетрясений составляет 6/12 (50%), а вероятность успеха прогнозирования также составляет 6/12 (50%) с коэффициентом увеличения вероятности из 4. При уровне достоверности 99,8% возможность объяснения этой успешности случайной моделью возникновения землетрясения с учетом регионального фактора, включающего высокую сейсмичность в области прогноза, может быть отклонена ». В этом исследовании делается вывод о том, что «статистическая экспертиза прогнозов SES подтвердила высокие показатели успешности предсказания и предсказанные события с высокой вероятностью увеличения. Это предполагает физическую связь между SES и последующими землетрясениями, по крайней мере, для события магнитудой Ms≥5».[70] Прогнозы, сделанные на основе раннего метода VAN, вызвали общественную критику, а затраты, связанные с ложными тревогами, вызвали недоброжелательность.[71] Основными противниками VAN были греческие сейсмологи. Василис Папазачос и Г. Ставракакис. Спор между Папазачосом и командой VAN неоднократно привлекал внимание общественности в их родной стране. Греция и широко обсуждалась в греческих СМИ.[нужна цитата ]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Варотсос, Алексопулос и Номикос1981a, 1981b
  2. ^ а б Варотсос и Алексопулос 1984
  3. ^ Варотсос и Кухланек 1993 (предисловие к спецвыпуску о ВАН)
  4. ^ а б Варотсос, Алексопулос и Лазариду 1993
  5. ^ Муларджа и Гасперини 1992
  6. ^ Геллер 1997, §4.5
  7. ^ МИЭФ 2011, п. 335
  8. ^ Лайтхилл 1996 (материалы конференции, на которой рассматривался VAN)
  9. ^ двадцать статей в специальном выпуске журнала Письма о геофизических исследованиях (оглавление )
  10. ^ Варотсос, Сарлис и Скордас, 2002 г.; Варотсос 2006.
  11. ^ Rundle et al. 2012 г..
  12. ^ Хуанг 2015.
  13. ^ а б Уеда, Камогава и Танака, 2009 г.
  14. ^ Уеда и Камогава, 2008 г.
  15. ^ Уеда 2010
  16. ^ Апостолидис 2008.
  17. ^ Chouliaras 2009
  18. ^ Пападопулос 2010
  19. ^ Уеда и Камогава 2010
  20. ^ Варотсос, Алексопулос и Номикос 1981a;Varotsos et al. 1981; Варотсос, Алексопулос и Номикос 1982.
  21. ^ Мацумото, Икея и Яманака, 1998 г..
  22. ^ Varotsos et al. 1986 г., п. 120.
  23. ^ Hadjicontis et al. 2007 г.
  24. ^ Шен и др. 2011 г..
  25. ^ Гершензон, Гохберг и Юнга 1993.
  26. ^ Honkura et al. 2009 г..
  27. ^ Пулинец 2007.
  28. ^ МИЭФ 2011, п. 334.
  29. ^ а б Varotsos et al. 1998 г..
  30. ^ Фройнд 1998.
  31. ^ Варотсос и Лазариду 1991
  32. ^ а б Хамада 1993
  33. ^ а б Уеда 1996
  34. ^ Утада 1993, п. 153
  35. ^ Maron et al. 1993 г.
  36. ^ Варотсос, Сарлис и Скордас, 2002 г.; Варотсос 2006.
  37. ^ Варотсос, Сарлис и Скордас 2011, Глава 7.
  38. ^ Варотсос, Сарлис и Скордас 2011, п. 326
  39. ^ Лазариду-Варотсос 2013, стр. 169–170
  40. ^ Уеда и Камогава, 2008 г.
  41. ^ а б Варотсос, Сарлис и Скордас 2011
  42. ^ Varotsos et al. 2013
  43. ^ Sarlis et al. 2013
  44. ^ Sarlis et al. 2015 г.
  45. ^ Хуанг 2015
  46. ^ Лайтхилл 1996.
  47. ^ Каган 1997, п. 512.
  48. ^ Муларджа и Гасперини 1992; Муларджа и Гасперини 1996; Wyss 1996b.
  49. ^ Варотсос, Алексопулос и Номикос 1981b.
  50. ^ Wyss 1996a.
  51. ^ Варотсос и Лазариду 1991.
  52. ^ Wyss & Allmann 1996.
  53. ^ Varotsos et al. 1996a
  54. ^ Varotsos et al. 1996b
  55. ^ МИЭФ 2011 С. 335–336.
  56. ^ Hough 2010, п. 195
  57. ^ Uyeda et al. 2011 г.
  58. ^ Donges et al. 2016 г.
  59. ^ Фосетт 2006
  60. ^ Сарлис 2018
  61. ^ Бернар 1992; Бернар и ЛеМуэль 1996.
  62. ^ Pham et al. 1998 г..
  63. ^ Sarlis et al. 1999 г.
  64. ^ Pham et al. 2002 г..
  65. ^ Варотсос, Сарлис и Скордас 2003a
  66. ^ Варотсос, Сарлис и Скордас, 2003b
  67. ^ Христопулос, Скордас и Сарлис 2020
  68. ^ Varotsos et al. 2013
  69. ^ Хамада 1993
  70. ^ Хамада 1993
  71. ^ Муларджа и Геллер 2003, п. 318.

Рекомендации

внешняя ссылка