Дүңгіршілдік электр сигналдары арқылы жер сілкінісін болжау әдісі

Кіріспе

Дүмпуі болжамдалатын әдіс

VAN әдісі – оны сипаттаған 1981 жылғы мақалалардың авторлары П. Вароцос, К. Алексопулос және К. Номикос есімдерімен аталады – «сейсмикалық электр сигналдары» (SES) деп аталатын төмен жиілікті электр сигналдарын өлшейді. Вароцос және бірнеше әріптестері осы сигналдар арқылы Грециядағы жер сілкінісін сәтті болжады деп мәлімдеді. Әдістің өзі де, сәтті болжамдар жасалған тәсіл де қатаң сынға ұшырады. VAN әдісін қолдаушылар сынға жауап берді, бірақ сыншылар өз пікірлерін қайтарып алмады. 2001 жылдан бастап VAN тобы өздерінің алдын ала хабарламаларын талдау үшін «табиғи уақыт» деген ұғымды енгізді. Алдымен, SES сигналдарын шудан ажырату және оларды болашақта болуы мүмкін жер сілкінісімен байланыстыру үшін қолданылады. Растау кезінде (SES белсенділігі ретінде жіктеу), болжамның уақыт параметрін жақсарту үшін SES белсенділігімен байланысты аймақтың кейінгі сейсмикалық белсенділігіне табиғи уақыт талдауы қосымша қолданылады. Бұл әдіс жер сілкінісінің басталуын маңызды құбылыс ретінде қарастырады. 2006 жылдан кейін VAN SES белсенділігіне қатысты барлық ескертулерді arxiv.org сайтында жариялау арқылы хабарлады. Мұндай есептердің бірі 2008 жылдың 1 ақпанында, 1983-2011 жылдар аралығында Грециядағы ең күшті жер сілкінісінен екі апта бұрын жарияланды. Бұл жер сілкінісі 2008 жылдың 14 ақпанында, 6.9 магнитудасымен болды. VAN-ның есебі 2008 жылдың 10 ақпанында «Этнос» газетінде де жарияланды. Алайда, Герассимос Пападопулос VAN есептерінің шатастыратын және түсініксіз екеніне шағымданып, «VAN-ның сәтті болжамдары туралы ешбір мәлімдеме негізделмеген» деді, бірақ бұл шағымға сол мәселеде жауап берілді.

"Табиғи уақыт" талдауын пайдалана отырып, жер сілкінісін болжау

2001 жылдан бері VAN тобы алдағы жер сілкінісінің болжамдалатын уақытын анықтаудың дәлдігін арттыруға ұмтылып келеді. Осы мақсатта олар «табиғи уақыт» тұжырымын енгізді, ол – оқиғалардың тізбесін талдауға негізделген әдіс, мұнда оқиғалардың ретіне басымдық беріледі.

Нәтижелер

VAN тобы 2001 жылдан 2010 жылға дейін N 36°-тан N 41°-ға дейінгі ендікте және E 19°-тан E 27°-ға дейінгі бойлықта болған Mw>=6.0 магнитудалы жеті негізгі жер сілкінісінің барлығы, біреуін қоспағанда, SES белсенділігімен сипатталады және табиғи уақыт талдауы арқылы алдын ала хабарланды. Сонымен қатар, олар Mw>=6.4 магнитудалы осы негізгі жер сілкінісінің төртеуінің пайда болу уақыты "тар диапазон ішінде, бірнеше күннен шамамен бір аптаға дейін" анықталғанын мәлімдейді. Бұл есептер arXiv-те жарияланған мақалаларда келтірілген, ал жаңа есептер сонда жасалып, жүктеледі. Мысалы, 1983-2011 жылдар аралығында Грекияда болған ең күшті жер сілкінісінен бұрын, 2008 жылдың 14 ақпанында болған, магнитудасы (Mw) 6,9 шамасындағы жер сілкінісі туралы есеп 2008 жылдың 1 ақпанында, яғни екі апта бұрын arXiv-те жарияланды. Табиғи уақыт талдауы SES қызметінің жер сілкінісімен физикалық байланысы мынадай екенін көрсетеді: Жер сілкінісі – фазалық өзгеріс (кризистік құбылыс), онда жаңа фаза – негізгі жер сілкінісі, ал жоғарыда аталған κ дисперсиялық мүше – сәйкес реттеуші параметр. Сонымен қатар, VAN тобы 1984 жылдың 1 қаңтарынан бастап 2011 жылдың 11 наурызында Тохоку жер сілкінісіне дейін (магнитудасы 9,0) Жапонияның сейсмикалық каталогын табиғи уақыт талдауынан өткізгенде, κ флуктуацияларының мұндай айқын минимумдары 7,6 магнитудасы немесе одан жоғары жер сілкінісі алдында пайда болғанын анықтады. Бұл минимумдардың ең тереңі 2011 жылдың 5 қаңтарында, яғни Тохоку жер сілкінісінен екі ай бұрын тіркелді. Соңында, жапондық аймақты кішігірім аймақтарға бөлу арқылы VAN тобы кейбір кішігірім аймақтарда κ флуктуацияларының минимумдары Жапонияның барлық аумағын қамтитын үлкен аймақпен шамамен бір уақытта пайда болатынын, және мұндай кішігірім аймақтар жақын арада болатын күшті жер сілкінісінің эпицентрінен бірнеше жүз километрлік шеңберде орналасқанын көрсетті.

VAN-ді сынға алу

Тарихи тұрғыдан алғанда, жер сілкіністерін болжауда VAN әдісінің тиімділігі пікірталас тудырған мәселе болды. Сэр Джеймс Лайтхилл редакциялаған 1996 жылғы "VAN-нің сындық шолуы" кітабында VAN әдісінің бұрынғы түсінігіне қатысты оң және теріс сын-пікірлер жинақталған. 1997 жылы UCLA-ның Й.Й. Каган статистикалық әдістемеге қатысты сындық шолу жариялады. Бұл сын-пікірлер 2001 жылы VAN тобы ұсынған уақыт қатарларын талдау әдістерінен бұрын айтылған. Сынның негізгі мәселелері:

Болжамдық табыстылық

Сыншылар VAN әдісіне гипотезаның дұрыстығын статистикалық тексерудің жоқтығы кедергі келтіреді дейді, себебі зерттеушілер параметрлерді (мақсатты орын ауыстыру) әдісімен үнемі өзгертіп отырады. VAN Афинадағы бір тіркеу станциясында SES және 7 сағаттан кейін Грекияның барлық аймақтарында болған 2,9 балдан жоғары магнитудалы жер сілкінісі арасындағы толық сәйкестік тіркелгенін мәлімдеді. Алайда Макс Висс бұл жер сілкінісі тізімінің жалған екенін айтты. VAN өз мақаласында жер сілкінісі тізімінің Афина Ұлттық обсерваториясының (NOA) бюллетеніне сәйкес екенін көрсеткенімен, Висс бюллетеньде тіркелген жер сілкінісінің 37%-ы, соның ішінде ең ірісі, VAN-ның мәлімдемесін жасау үшін қолданған тізімде болмағанын анықтады. Сонымен қатар, VAN мәлімдеген жер сілкінісінің 40%-ы NOA бюллетенінен табылмады. 1987 жылдың 1 қаңтарынан 1989 жылдың 30 қарашасына дейінгі кезеңде M > 4.0 болған жер сілкінісін сәтті болжаған VAN-ның 22 мәлімдемесінің кездейсоқ сәйкестік ықтималдығы зерттелді, нәтижесінде 74%-ы жалған, 9%-ы кездейсоқ сәйкестік, ал 14%-ының сәйкестігі белгісіз болып шықты. Ешбір оқиға 85%-дан жоғары ықтималдықпен сәйкес келмеді, ал гипотезаны оң деп қабылдау үшін статистикадағы қажетті деңгей әдетте 95% құрайды. Висс-тің NOA нәтижелерін талдауына жауап ретінде VAN сын-пікірлердің түсініспеушілікке негізделгенін айтты. VAN Висс ұсынған есептеулердің жер сілкінісін болжаудың идеалды әдісіне қолданғанда парадоксқа, яғни бірліктен үлкен ықтималдық мәндеріне алып келетінін мәлімдеді. Басқа тәуелсіз бағалаулар VAN-ның статистикалық маңызды нәтижелер алғанын көрсетті. Көптеген сейсмологтар VAN-ның "нақты жоққа шығарылғанына" сенімді. Алайда 2011 жылы Уэда және басқалар бұл әдісті қолдады. 2018 жылы VAN тобы осы әдістің статистикалық маңыздылығын оқиғалардың сәйкестік талдауы (ECA) және қабылдағыштың жұмыс сипаттамалары (ROC) сияқты заманауи әдістерді пайдаланып қайта қарады, олар SES-тің кездейсоқтықтан асып түсетін алдын ала ақпаратты көрсетіп тұрғанын түсіндірді.

Critics say that the VAN method is hindered by a lack of statistical testing of the validity of the hypothesis because the researchers keep changing the parameters (the moving the goalposts) technique). VAN has claimed to have observed at a recording station in Athens a perfect record of a one to one correlation between SESs and earthquake of magnitude ≥ 2.9 which occurred 7 hours later in all of Greece. However, Max Wyss said that the list of earthquake used for the correlation was false. Although VAN stated in their article that the list of earthquakes was that of the Bulletin of the National Observatory of Athens (NOA), Wyss found that 37% of the earthquakes actually listed in the bulletin, including the largest one, were not in the list used by VAN for issuing their claim. In addition, 40% of the earthquake which VAN claimed had occurred were not in the NOA bulletin. Examining the probability of chance correlation of another set of 22 claims of successful predictions by VAN of M > 4.0 from January 1, 1987 through November 30, 1989 it was found that 74% were false, 9% correlated by chance, and for 14% the correlation was uncertain. No single event correlated at a probability greater than 85%, whereas the level required in statistics for accepting a hypothesis test as positive would more commonly be 95%. In response to Wyss' analysis of the NOA findings, VAN said that the criticisms were based on misunderstandings. VAN said that the calculations suggested by Wyss would lead to a paradox, i. e., to probability values larger than unity, when applied to an ideal earthquake prediction method. Other independent evaluations said that VAN obtained statistically significant results. Most seismologists consider VAN to have been "resoundingly debunked". Uyeda and others in 2011, however, supported the use of the technique. In 2018, the statistical significance of the method was revisited by the VAN group employing modern techniques, such as event coincidence analysis (ECA) and receiver operating characteristic (ROC), which they interpreted to show that SES exhibit precursory information far beyond chance.

Ұсынылған SES таралу механизмі

Жер қыртысындағы SES таралу қасиеттерін талдау, VAN баяндаған амплитудалы сигналдардың кішкентай жер сілкіністерінен туындап, эпицентр мен қабылдау станциясы арасындағы жүздерше шақырым қашықтыққа тарауы мүмкін емес екенін көрсетті. Егер механизм кристалл деформацияларының пьезоэлектрлік немесе электрлік зарядталуына негізделген болса және сигнал жарықтар бойымен жүрсе, онда VAN мәлімдегендей, SES-ке дейін болған жер сілкіністерінің ешқайсысы SES-тің өзін тудырмады. VAN, SES таралу қасиеттерінің талдауы көлденең қабатталған, қарапайым жер моделіне негізделгенін және бұл нақты жағдайдан, өйткені жер қыртысында біртектілік жоқ, айтарлықтай өзгешеленеді деп жауап берді. Егер соңғысын ескерсек, мысалы, жарықтардың айналасындағы ортамен салыстырғанда электр өткізгіштігі жоғары екенін ескерсек, VAN эпицентр мен қабылдау станциясы арасындағы жүз шақырымдай қашықтықта таралатын электр сигналдарының амплитудасы, VAN баяндаған мәндерге шамалас болады деп санайды. Кейінірек жарияланған мақалада VAN, әскери деректер базасының цифрлық радио хабарлағыштарынан келетін шу, олардың әзірлеген критерийлері арқылы нағыз SES-тен анық ажыратылғанын мәлімдеді. 2002 жылы Грекиядағы Pham және авторлар SES-ті "аномальды өткінші электр сигналдары" ретінде нақты адамдарға байланыстырып, мұндай сигналдар VAN-ның SES-ті анықтау үшін қолданатын критерийлеріне қайшы емес екенін анықтады. 2003 жылы статистикалық физиканың қазіргі заманғы әдістері, яғни, трендсіз флуктуация талдауы (DFA), көпфракталды DFA және толқындық түрлендіру SES-тің адам жасаған сигналдардан айқын ажыратылатынын көрсетті, себебі алғашқы сигналдар өте күшті ұзақ мерзімді корреляцияны көрсетеді, ал соңғыларында мұндай корреляция жоқ. 2020 жылы жарияланған зерттеу, сейсмикалық κ1 параметрінің флуктуацияларының минимумдарының статистикалық маңыздылығын, аймақтық және жаһандық деңгейдегі күшті жер сілкіністерінің алғышарты ретінде, оқиғалардың сәйкестік талдауы арқылы зерттеді. Нәтижелер көрсеткендей, бұл минимумдар шын мәнінде статистикалық тұрғыдан маңызды жер сілкінісінің алғышарттары болып табылады. Атап айтқанда, аймақтық зерттеулерде уақыт кешігуі 2016 жылы табылған нәтижелермен толық сәйкес екендігі анықталды. 2016 жылы Грекия физиктерінің одағы П. Вароцосты VAN жұмысы үшін Грекия президентінің сыйлығымен марапаттады.

An analysis of the propagation properties of SES in the Earth’s crust showed that it is impossible that signals with the amplitude reported by VAN could have been generated by small earthquakes and transmitted over the several hundred kilometers between the epicenter and the receiving station. In effect, if the mechanism is based on piezoelectricity or electrical charging of crystal deformations with the signal traveling along faults, then none of the earthquakes which VAN claimed were preceded by SES generated an SES themselves. VAN answered that such an analysis of the SES propagation properties is based on a simplified model of horizontally layered Earth and that this differs greatly from the real situation since Earth's crust contains inhomogeneities. When the latter are taken into account, for example by considering that the faults are electrically appreciably more conductive than the surrounding medium, VAN believes that electric signals transmitted at distances of the order of one hundred kilometers between the epicenter and the receiving station have amplitudes comparable to those reported by VAN. In a subsequent paper, VAN said that such noise coming from digital radio transmitters of the military database has been clearly distinguished from true SES by following the criteria developed by VAN. Further work in Greece by Pham et al in 2002 has tracked SES like "anomalous transient electric signals" back to specific human sources, and found that such signals are not excluded by the criteria used by VAN to identify SES. In 2003, modern methods of statistical physics, i. e., detrended fluctuation analysis (DFA), multifractal DFA and wavelet transform revealed that SES are clearly distinguished from those produced by human sources, since the former signals exhibit very strong long range correlations, while the latter signals do not. A work published in 2020 examined the statistical significance of the minima of the fluctuations of the order parameter κ1 of seismicity by event coincidence analysis as a possible precursor to strong earthquakes in both regional and global level. The results show that these minima are indeed statistically significant earthquake precursors. In particular, in the regional studies the time lag was found to be fully compatible with the finding In 2016 the Union of Greek Physicists honored P. Varotsos for his work on VAN with a prize delivered by the President of Greece.

Жаңартылған VAN әдісі

2020 жылы жаңартылған VAN әдісін талдау көрсеткендей, оның көптеген жалған оң нәтижелері бар, сондықтан оны болжамдау протоколы ретінде пайдалануға болмайды. VAN тобы осыған қатысты нақты аргументтердегі қателіктерді көрсетіп, түсіндірді.