Αθήνα, 09/02/2018 Κωνσταντίνα Παπαδοπούλου. Τριμελής Επιτροπή: Σκορδάς Ευθύμιος (κύριος επιβλέπων) Σαρλής Νικόλαος Βαρώτσος Παναγιώτης

Transcript

1 Αθήνα, 09/02/2018 Κωνσταντίνα Παπαδοπούλου Τριμελής Επιτροπή: Σκορδάς Ευθύμιος (κύριος επιβλέπων) Σαρλής Νικόλαος Βαρώτσος Παναγιώτης 1

2 Περίληψη Τα προσεισμικά ηλεκτρικά σήματα (Seismic electric signals, SES) είναι μεταβολές του ηλεκτρικού πεδίου της γης που προηγούνται των σεισμών. Αποτελούνται από ένα μεταβατικό σήμα ή μια σειρά μεταβατικών σημάτων (δραστηριότητα SES). Στα πλαίσια της συνεργασίας με το EMSEV (Electromagnetic Studies of Earthquakes and Volcanoes) και το RS-RAS (Bishkek Research Station of the Russian Academy of Science), μελετάμε γεωηλεκτρικά δεδομένα που συλλέχθησαν στον σταθμό Issyk-Ata (ISA) στο Κιργιζστάν την χρονική περίοδο 30/6/ /6/2015 προκειμένου να βρεθούν Ανώμαλα Τελλουρικά Ρεύματα (Anomalous Telluric Currents, ATC) και, από αυτά, πιθανές δραστηριότητες SES. 2

3 Σχ. 1: Διάταξη του σταθμού ISA όπως λειτουργεί από τις 29/6/2014. CH1 και CH2 σε λειτουργία. CH3 καταγράφει με πολύ μικρό πλάτος. Συχνότητα δειγματοληψίας f s = 40 Hz. Πηγή εγχέει ρεύμα στη γη με περίοδο T=10s (αντιστρέφει πολικότητα κάθε 5s). Απόσταση πηγής-σταθμού: 22km 3

4 Μέθοδος για την αναγνώριση ATC Έστω 2 χρονοσειρές x t και y t μήκους N. Η Cross-covariance είναι η συνδιακύμανση που προκύπτει όταν η x t καθυστερεί κατά T δειγμάτα (lag). (1) Κανονικοποίηση Cross-correlation: (2) 4

5 Cross-correlation μεταξύ CH1 και CH2 του ISA: Διαιρούμε τα δεδομένα σε μη επικαλυπτόμενα παράθυρα των 300 δευτερολέπτων, δηλ δείγματα, και υπολογίζουμε την r xy για κάθε ζεύγος παραθύρων όταν η χρονοκαθυστέρηση T βρίσκεται στο διάστημα [-30,30]s. Σχεδιάζουμε έναν έγχρωμο χάρτη των τιμών r xy όπου στον οριζόντιο άξονα τρέχει ο χρόνος και στον κατακόρυφο άξονα απεικονίζεται με χρωματική κλίμακα η τιμή r xy για κάθε χρονοκαθυστέρηση Τ στο διάστημα [-30,30]s. Περιοχές με υψηλή συσχέτιση ή αντισυσχέτιση στο T=0 είναι πιθανές για ATC (τα SES καταγράφονται ταυτόχρονα σε όλα κατ αρχήν τα δίπολα του σταθμού). Μερικές περιοχές με υψηλή (αντι)συσχέτιση δεν περιέχουν ATC αλλά είτε αλλαγή κλίμακας είτε μαγνητοτελλουρικές διαταραχές (ημιτονοειδές υπόβαθρο εξαιτίας μικρών αλλαγών στο μαγνητικό πεδίο της γης που προέρχονται από το διάστημα). 5

6 Σχ. 2: Παράδειγμα του έγχρωμου χάρτη που προαναφέρθηκε και αφορά την ημέρα 8/8/2014 (άνω). Στα αριστερά, ο ATC παλμός που βρέθηκε την στιγμή υψηλής συσχέτισης. Οι εναλλασσόμενες μπλε-κίτρινες περιοχές δείχνουν την περιοδικότητα της πηγής. 6

7 Πίνακας 1: The 32 ATC που βρέθηκαν μετά την εφαρμογή της μεθόδου του συσχετισιογράμματος σε όλα τα δεδομένα της περιόδου 30/6/ /6/2015. Η τελευταία στήλη είναι ο λόγος των ηλεκτρικών πεδίων που καταγράφηκαν στα δυο κανάλια 1, 2. Τα υπογραμμισμένα είναι τα 14 ATC με ισχυρότερο καταγεγραμμένο ηλεκτρικό πεδίο. 7

8 Οι σεισμοί που σχετίζονται με πιθανά SES Κατάλογος USGS (United States Geological Survey, 30/6/2014-1/1/2016 Area: (40-44) o N (72-78) o E Ζώνη προετοιμασίας σεισμού (κύκλος με κέντρο το επίκεντρο του σεισμού) Dobrovolsky radius: IP Dobrovolsky, SI Zubkov, and VI Miachkin. Estimation of the size of earthquake preparation zones. In: Pure and Applied Geophysics (1979), pp Απόσταση σταθμού επικέντρου (Haversine): R E =6371km μέση ακτίνα Γης, φ γεωγραφικό πλάτος, θ γεωγραφικό μήκος (σε ακτίνια) (3) (4) 8

9 Θέλουμε τις περιπτώσεις όπου r R D (ο σταθμός καταγραφής εντός της ζώνης προετοιμασίας του σεισμού). KNET earthquake catalogue Ενεργειακή κλάση K και μέγεθος M: (5) Bormann, P., Fujita, K., Mackey, K. G., Gusev, A. (2012): The Russian K-class system, its relationships to magnitudes and its potential for future development and application. - In: Bormann, P. (Ed.), New Manual of Seismological Observatory Practice 2 (NMSOP-2), Potsdam : Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, pp Πίνακας 2: Οι περιπτώσεις όπου r R D 5.2 USGS 9

10 10

11 Σχ. 3: Τα ATC του Πίνακα 1 σε χρονολογική σειρά, και το συνολικό ηλεκτρικό πεδίο που καταγράφηκε από τα δυο κανάλια. 11

12 Κατηγοριοποίηση των ATC για εύρεση πιθανών δραστηριοτήτων SES Πιο ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο (πάνω 700μV/km) έχουν 14 ATC. Κριτήριο ομαδοποίησης : Το πηλίκο των ηλεκτρικών πεδίων EW/NS να είναι σταθερό σε κάθε παλμό του ATC. (Η πηγή στην περίπτωση των SES δεν αναμένεται να αλλάζει διεύθυνση). Type 1: 9/8/2014, 1/1/2015, 27/5/2015. Type 2: 9/11/2014, 21/11/2014. Κλιμακωτή μεταβολή της τάσης. Type 3: 23/10/2014, 7/4/2015. Μη σταθερό πλάτος παλμών Το ATC της 4/11/2014 μερικώς καταγεγραμμένο από το ένα κανάλι Όχι SES Single pulses: 8/8/2014, 12/8/2014, 15/8/2014, 16/8/2014, 26/10/2014, 19/3/

13 Σχ. 4: Παράδειγμα Type 2 ATC, 9/11/

14 Σχ. 5: Παράδειγμα Type 3 ATC, 23/10/

15 Σχ. 6: Το ATC της 4/11/2014 (υψηλή αντι-συσχέτιση). 15

16 Type 1: Πιθανά SES. Μόνο 3 μπορούν να θεωρηθούν ως δραστηριότητες SES. Σχ. 7: Το ATC της 9/8/2014, σχεδόν 3 μήνες πριν τον σεισμό της 14/11/

17 Σχ. 8: Το ATC της 1/1/2015, 22 μέρες πριν τον σεισμό της 22/1/

18 Σχ. 9: Το ATC της 27/5/2015, σχεδόν 6 μήνες πριν τον σεισμό της 7/12/

19 Είναι ο λόγος των ηλεκτρικών πεδίων σταθερός σε όλους τους παλμούς; Πίνακας 3: Ο λόγος των ηλεκτρικών πεδίων για το ATC της 9/8/2014. T-test: p-value=0.79 Τα rise και decay Ε 2 /Ε 1 values προέρχονται από κατανομές με την ίδια μέση τιμή. 19

20 T-test: p-value=0.92 Τα rise και decay Ε 2 /Ε 1 values προέρχονται από κατανομές με την ίδια μέση τιμή. Πίνακας 4: Ο λόγος των ηλεκτρικών πεδίων για το ATC της 1/1/

21 Πίνακας 5: Ο λόγος των ηλεκτρικών πεδίων για το ATC της 27/5/2015. T-test: p-value=0.31 Τα rise και decay Ε 2 /Ε 1 values προέρχονται από κατανομές με την ίδια μέση τιμή. 21

22 Έλεγχος rise και decay time τ. Rise time: Ο χρόνος που χρειάζεται ο παλμός να φτάσει το 85% του μέγιστου πλάτους του, μετρώντας από την στιγμή που φτάνει το 15% του μέγιστου πλάτους του. Σχ. 10: Παράδειγμα υπολογισμού rise time. 22

23 Πίνακας 6: Οι μέσες τιμές των rise και decay times των παλμών των 3 πιθανών δραστηριοτήτων SES και της πηγής. τ CH1 (ms) τ CH2 (ms) 9/8/ ±14 39±14 1/1/ ±12 44±17 27/5/ ±58 79±47 source 68±5 70±2 27/5/2015: Μεγάλο σ και Kolmogorov-Smirnov test δείχνουν ότι δεν είναι καθορισμένος ο τ επομένως είναι απίθανο να προέρχεται από δραστηριότητα SES. τ = μr 2 /4ρ εξάρτηση από ειδική αντίσταση τ < τ source 9/8/2014 και 1/1/2015 συμβατότητα με προφίλ ειδικής αντίστασης (αύξηση της ειδικής αντίστασης στα πρώτα μερικά km βάθος νότια και νοτιοανατολικά του ISA). 23

24 Προφίλ A Προφίλ B 24

25 Προφίλ A ISA Grey: conductive, White: resistive 25

26 Προφίλ B Projection of ISA along the profile Grey: conductive, White: resistive 26

27 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Απο τη μελέτη σχεδόν ενός χρόνου (30/6/ /6/2015) πειραματικών δεδομένων, μόνο 3 ΑTC έχουν αναγνωριστεί ως πιθανές δραστηριότητες SES από τα 32 ATC που βρέθηκαν. Το γεγονός ότι μόνο μικρά δίπολα λειτουργούν στην περιοχή, δεν μας επιτρέπει να εξετάσουμε το κριτήριο ΔV/L ώστε να απαλείψουμε την πιθανότητα επιφανειακής πηγής. Μελέτη ωστόσο του χρόνου ανόδου και του λόγου των ηλεκτρικών πεδίων υποδεικνύει την πιθανότητα μια εκ των 3 περιπτώσεων να μην είναι δραστηριότητα SES. Paper under review in Earthquake Science 27

28 Ευχαριστώ! 28