Μελέτη πιθανά πρόδρομων ενός σεισμού σημάτων με συμβατικές μεθόδους και μεθόδους ανάλυσης χρονοσειρών πολύπλοκων συστημάτων

Abstract

Short-term earthquake prediction remains a major scientific challenge for the global research community, as neither theoretical and experimental approaches nor field observations have yet led to a universally accepted predictive model. Although successful short-term prediction remains a controversial and multidisciplinary subject, it continues to represent a particularly important and constantly evolving field of research, given its crucial significance for the protection of human life and infrastructure. An earthquake is a complex natural phenomenon which, including uts preparation phase, involves interactions among mechanical, thermal, electromagnetic, and geochemical processes within the Earth’s crust. During the earthquake preparation phase, numerous physical and chemical parameters may become disturbed, potentially affecting the atmospheric layers (e.g., the troposphere, stratosphere, ionosphere) of the Earth. For this reason, field observations from different types of measuring/recording systems are essential for a more thorough investigation and understanding of these processes. In the framework of this effort, the scientific community has proposed a unified model that seeks to integrate all these preseismic processes, known as the “Lithosphere–Atmosphere–Ionosphere Coupling” (LAIC). The LAIC represents a complex scientific issue characterized by nonlinearity, heterogeneity, anisotropy, and multiparametric dependence. The main objective of this Ph.D. Thesis is to investigate the LAIC model through the analysis of data derived from observables corresponding to specific coupling channels which have been formulated as hypotheses (the different channels that have been proposed are: the electromagnetic, the acoustic, the thermal, the chemical and the electrostatic channel). Both conventional methods and complex systems time-series analysis methods were applied to data obtained from both ground-based and space-based (satellite) measuring systems that provide spatiotemporal recordings of physical and chemical parameters in the field. In addition to the LAIC data, Fracture-induced Electromagnetic Emissions/Radiation (FEME/FEMR) data, acquired by ground observation stations, were also analyzed, using complex-systems time-series analysis methodology, in order to further investigate the theoretical “four-stage model of earthquake generation”. This model, developed and proposed by a specific research group, describes the stages of earthquake preparation based on FEME/FEMR data. In particular, for all types of data analyzed using complex-systems time-series methods, the analysis is related to the theory of “critical phenomena”, which represents a continuously evolving research field for the study of earthquake precursors associated with LAIC and fracture-induced electromagnetic emissions. The results achieved by this Ph.D. Thesis mainly concern, due to data availability, the investigation of three LAIC channels—specifically, the electromagnetic, acoustic, and thermal channels—as well as the study of fracture-induced electromagnetic emissions. First, for all types of data (LAIC parameters and FEME/FEMR data), anomalies and critical signatures were identified prior to earthquake occurrences. By applying a multiparametric analysis, that is by examining more than one parameter for the same coupling channel and for the same earthquake, anomalies and critical signatures were identified, reinforcing the hypothesis of LAIC through the specific channel during the seismic preparation phase. Furthermore, by investigating different LAIC channels (at least two) for a given earthquake, anomalies and/or critical signatures were also detected, providing additional support for the LAIC hypothesis, as well as for the hypothesis that the coupling channels co-exist. Although the possibility of temporal correlations between different types of anomalies belonging to different channels was examined, no obvious correlation was found, indicating the complex nature of the LAIC. Furthermore, a multi-method approach was followed for the analysis of the same observable, which revieled anomalies and/or critical signatures before the corresponding upcoming earthquake, confirming the precursory nature of the observable under analysis and further confirming the hypothesis of the existence of the examined channel in the examined LAIC layer (e.g., lower ionosphere, stratosphere, troposphere). By applying a complex-systems time-series analysis method to LAIC observables that had not previously been tested for the existence of critical dynamics, critical signatures were revealed in additional observables preceding earthquakes. Taking also into account the results of other corresponding works, which concern different observable parameters from different channels, for the same earthquakes that were studied in this PhD Thesis, the hypothesis that the LAIC operates as a unified system, which may reach a critical state prior to the occurrence of an earthquake was further supported. Moreover, through a long statistical analysis, applying a new modified methodology to in the electromagnetic channel of LAIC in the lower ionosphere, correlations were identified between preseismic anomalies and the forthcoming seismic activity (specifically for moderate and strong earthquakes), thus further supporting the hypothesis of the existence of this channel in the specific layer. Finally, regarding the FEME/FEMR data, a new complex systems time series analysis method in terms of “critical phenomena” was applied for the first time, in order to primarily identify critical signatures and subsequently enable the potential observation of the stages of seismic preparation based on the “four-stage model of earthquake generation” model.

Η βραχυπρόθεσμη πρόγνωση σεισμών αποτελεί μια μείζονα επιστημονική πρόκληση για την παγκόσμια ερευνητική κοινότητα, καθώς ούτε οι θεωρητικές και πειραματικές προσεγγίσεις ούτε και οι παρατηρήσεις πεδίου δεν έχουν ακόμη οδηγήσει σε ένα καθολικά αποδεκτό μοντέλο πρόγνωσης. Παρότι η επιτυχής βραχυπρόθεσμη πρόγνωση παραμένει ένα αμφιλεγόμενο και διεπιστημονικό θέμα, εξακολουθεί να αποτελεί ένα ιδιαίτερα σημαντικό και συνεχώς εξελισσόμενο πεδίο έρευνας, δεδομένης της καθοριστικής σημασίας του για την προστασία της ανθρώπινης ζωής και των υποδομών. Ένας σεισμός είναι ένα πολύπλοκο φυσικό φαινόμενο το οποίο, συμπεριλαμβανομένης και της φάσης προετοιμασίας του, περιλαμβάνει αλληλεπιδράσεις μεταξύ μηχανικών, θερμικών, ηλεκτρομαγνητικών και γεωχημικών διεργασιών στον φλοιό της Γης. Κατά τη φάση προετοιμασίας ενός σεισμού, πλήθος φυσικών και χημικών παραμέτρων μπορούν να διαταραχθούν, επηρεάζοντας δυνητικά τα ατμοσφαιρικά στρώματα (π.χ. τροπόσφαιρα, στρατόσφαιρα, ιονόσφαιρα) της Γης. Για τον λόγο αυτό, οι παρατηρήσεις πεδίου από διαφορετικής φύσεως μετρητικά/καταγραφικά συστήματα είναι ουσιώδους σημασίας για την καλύτερη διερεύνηση και κατανόηση αυτών των διεργασιών. Στο πλαίσιο αυτής της προσπάθειας, έχει προταθεί από την επιστημονική κοινότητα ένα ενιαίο μοντέλο που επιχειρεί να ενοποιήσει όλες αυτές τις προσεισμικές διεργασίες, γνωστό ως «Σύζευξη Λιθόσφαιρας–Ατμόσφαιρας–Ιονόσφαιρας» (Lithosphere–Atmosphere–Ionosphere Coupling, LAIC). Το LAIC γενικά είναι ένα σύνθετο επιστημονικό ζήτημα, το οποίο χαρακτηρίζεται από πολυπλοκότητα, ανομοιογένεια, ανισοτροπία, μη γραμμικότητα και πολυπαραμετρική εξάρτηση. Βασικός σκοπός αυτής της διδακτορικής διατριβής (Δ.Δ.) είναι να κάνει διερεύνηση του μοντέλου LAIC, μέσω ανάλυσης δεδομένων από παρατηρήσιμα μεγέθη που ανήκουν σε συγκεκριμένα κανάλια σύζευξης που έχουν διατυπωθεί ως υποθέσεις (το σύνολο των καναλιών που έχουν προταθεί είναι: το ηλεκτρομαγνητικό, το ακουστικό, το θερμικό, το χημικό και το ηλεκτροστατικό κανάλι). Για την ανάλυση των πιο πάνω δεδομένων, αξιοποιήθηκαν τόσο συμβατικές μέθοδοι, όσο και μέθοδοι ανάλυσης χρονοσειρών πολύπλοκων συστημάτων. Οι μέθοδοι αυτές εφαρμόστηκαν τόσο σε δεδομένα από επίγεια και όσο και από μη επίγεια (δορυφορικά) μετρητικά συστήματα που κάνουν χωροχρονική καταγραφή φυσικών και χημικών παραμέτρων στο πεδίο. Επιπρόσθετα των δεδομένων που σχετίζονται με το LAIC, αναλύθηκαν και δεδομένα θραπτο-ηλεκτρομαγνητικών εκπομπών (Fracture-induced Electromagnetic Emissions/Radiation, FEME/FEMR) από επίγειους σταθμούς παρατήρησης με μεθοδολογία ανάλυσης χρονοσειρών πολύπλοκων συστημάτων, ώστε να γίνει περαιτέρω διερεύνηση του θεωρητικού «μοντέλου των τεσσάρων σταδίων για τη γένεση ενός σεισμού», το οποίο έχει αναπτυχθεί και προταθεί από συγκεκριμένη ερευνητική ομάδα και περιγράφει τα στάδια προετοιμασίας ενός σεισμού με βάση δεδομένα FEME/FEMR. Ιδιαίτερα, για όλα τα είδη των δεδομένων που αναλύθηκαν με μεθόδους ανάλυσης χρονοσειρών πολύπλοκων συστημάτων, αυτές σχετίζονται με την θεωρία των «κρισίμων φαινομένων», η οποία αποτελεί ένα συνεχώς εξελισσόμενο ερευνητικό πεδίο για τη μελέτη πρόδρομων σεισμικών φαινομένων που αφορούν το LAIC και τις θραπτο-ηλεκτρομαγνητικές εκπομπές. Τα αποτελέσματα τα οποία επιτεύχθηκαν από αυτήν την Δ.Δ. αφορούν, λόγω διαθεσιμότητας δεδομένων, κυρίως τη διερεύνηση τριών καναλιών του LAIC και συγκεκριμένα του ηλεκτρομαγνητικού, του ακουστικού και του θερμικού καναλιού, καθώς και τη μελέτη των θραπτο-ηλεκτρομαγνητικών εκπομπών. Πρώτον, για όλα τα είδη των δεδομένων (παράμετροι του LAIC και FEME/FEMR) βρέθηκαν ανωμαλίες και κρίσιμες υπογραφές πριν από την εκδήλωση σεισμών. Eφαρμόζοντας πολυπαραμετρική ανάλυση, δηλαδή εξετάζοντας παραπάνω από μία παράμετρο για το ίδιο κανάλι της σύζευξης και για τον ίδιο σεισμό, εντοπίστηκαν ανωμαλίες και κρίσιμες υπογραφές, ενισχύοντας την υπόθεση της σύζευξης LAIC δια του καναλιού αυτού κατά την σεισμική προετοιμασία. Επιπλέον, διερευνώντας διαφορετικά κανάλια (τουλάχιστον 2) του LAIC και για έναν σεισμό βρέθηκαν ανωμαλίες ή/ και κρίσιμες υπογραφές, υποστηρίζοντας περισσότερο την υπόθεσή του LAIC αλλά και την υπόθεση ότι τα κανάλια σύζευξης του συνυπάρχουν. Αν και εξετάστηκε η πιθανότητα ύπαρξης χρονικών συσχετίσεων μεταξύ διαφορετικού είδους ανωμαλιών ή κρίσιμων υπογραφών που ανήκουν σε διαφορετικά κανάλια, δεν βρέθηκε καμία προφανής συσχέτιση, υποδηλώνοντας την πολύπλοκη φύση του LAIC. Ακόμα ακολουθήθηκε πολυμεθοδική προσέγγιση ανάλυσης του ίδιου παρατηρήσιμου μεγέθους η οποία εντόπισε ανωμαλίες ή/ και κρίσιμες υπογραφές πριν τον αντίστοιχο επερχόμενο σεισμό, επιβεβαιώνοντας τον πρόδρομο χαρακτήρα του αναλυόμενου μεγέθους και ενισχύοντας περισσότερο την υπόθεση της ύπαρξης του εξεταζόμενου καναλιού στο εξεταζόμενο στρώμα (π.χ. χαμηλότερη ιονόσφαιρα, στρατόσφαιρα, τροπόσφαιρα) του LAIC. Από την εφαρμογή μιας μεθόδου ανάλυσης χρονοσειρών πολύπλοκων συστημάτων σε παρατηρήσιμα μεγέθη του LAIC που δεν είχαν προηγουμένως ελεγχθεί για ύπαρξη κρίσιμης δυναμικής, αποκαλύφθηκαν κρίσιμες υπογραφές σε επιπλέον παρατηρήσιμα μεγέθη πριν από σεισμούς. Συνυπολογίζοντας και τα αποτελέσματα άλλων αντίστοιχων εργασιών, που αφορούν άλλα παρατηρήσιμα μεγέθη που ανήκουν σε διαφορετικά κανάλια, για τους ίδιους σεισμούς που μελετήθηκαν και στη Δ.Δ., υποστηρίχθηκε περαιτέρω η υπόθεση ότι το LAIC λειτουργεί ως ένα ενιαίο σύστημα, το οποίο μπορεί να βρίσκεται σε κρίσιμη κατάσταση πριν από την εκδήλωση ενός σεισμού. Επίσης από μια μακρά στατιστική ανάλυση, εφαρμόζοντας μια νέα τροποποιημένη μεθοδολογία, στο ηλεκτρομαγνητικό κανάλι του LAIC στη χαμηλότερη ιονόσφαιρα εντοπίστηκαν συσχετίσεις μεταξύ των προσεισμικών ανωμαλιών και της επερχόμενης σεισμικότητας (συγκεκριμένα με μέτριους και ισχυρούς σεισμούς), ενισχύοντας έτσι περαιτέρω την υπόθεση της ύπαρξης του καναλιού αυτού στο συγκεκριμένο στρώμα. Τέλος, όσον αφορά τα FEME/FEMR δεδομένα εφαρμόστηκε για πρώτη φορά μια νέα μέθοδος ανάλυσης χρονοσειρών πολύπλοκων συστημάτων σε όρους «κρισίμων φαινομένων», ώστε πρωταρχικά να βρεθούν κρίσιμες υπογραφές και στη συνέχεια να γίνει πιθανή παρατήρηση των σταδίων της σεισμικής προετοιμασίας με βάση το «μοντέλο των τεσσάρων σταδίων για την γένεση ενός σεισμού».