จับสัญญาณเตือนแผ่นดินไหวใหญ่ จากการเปลี่ยนแปลงอัตราการเกิดแผ่นดินไหว
หลักคิด
การเปลี่ยนแปลงอัตราการเกิดแผ่นดินไหว (seismicity rate change) พัฒนามาากแนวคิด เขตช่วงว่างแผ่นดินไหว (seismic gap) ซึ่ง McCann และคณะ (1979) อธิบายว่า ทุกพื้นที่ย่อยของแหล่งกำเนิดแผ่นดินไหวจะมีพฤติกรรมหรืออัตราการเกิดแผ่นดินไหวโดยรวมใกล้เคียงกัน ดังนั้นหากพื้นที่ย่อยใดๆ ภายในแหล่งกำเนิดแผ่นดินไหวมีอัตราการเกิดแผ่นดินไหวต่ำกว่าพื้นที่ย่อยข้างเคียงหรือไม่มีกิจกรรมแผ่นดินไหว นักแผ่นดินไหวประเมินว่าพื้นที่ย่อยดังกล่าวกำลังสะสมความเค้นทางธรณีแปรสัณฐานและอาจเป็นพื้นที่เสี่ยงต่อการเกิดแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ในอนาคต (McCann และคณะ, 1979)
นอกจากนี้จากการศึกษาพฤติกรรมการเกิดแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ทั่วโลก เช่น แผ่นดินไหวสปีตัก (Spitak Earthquake) ขนาด 7.0 Mw ในปี ค.ศ. 1988 แผ่นดินไหวแลนเดอร์ (Lander Earthquake) ขนาด 7.5 Mw ในปี ค.ศ. 1992 และ แผ่นดินไหวฮอกไกโด-โทคาชิโอกิ (Hokkaido-Tokachi-Oki Earthquake) ขนาด 8.3 Mw ในปี ค.ศ. 1994 เป็นต้น บ่งชี้ว่าก่อนเกิดแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ดังกล่าวประมาณ 1-6 ปี อัตราการเกิดแผ่นดินไหวจะลดลงจากภาวะปกติประมาณ 45-90% ซึ่งสอดคล้องกับผลการศึกษาของนักแผ่นดินไหวหลายกลุ่ม (Mogi, 1969; Ohtake และคณะ, 1977; Habermann, 1983; Wyss, 1985) ดังนั้นนักแผ่นดินไหวจึงสรุปว่าก่อนเกิดแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ อัตราการเกิดแผ่นดินไหวในพื้นที่ดังกล่าวจะลดลง เรียกว่า ภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหว (seismic quiescence) ซึ่งสามารถใช้เป็นสัญญาณบอกเหตุแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ได้
ในทางวิทยาคลื่นไหวสะเทือน แสดงตัวอย่างพฤติกรรมการเกิดแผ่นดินไหวในรูปแบบของกราฟจำนวนแผ่นดินไหว (number of earthquake) และจำนวนแผ่นดินไหวสะสม (cumulative number of earthquake) ที่เกิดขึ้นในช่วงเวลา 100 วัน โดยก แสดงจำนวนแผ่นดินไหวในแต่ละช่วงเวลาที่มีอัตราการเกิดแผ่นดินไหวในภาวะปกติคงที่ 1 เหตุการณ์/วัน ดังนั้นจำนวนแผ่นดินไหวสะสมจะมีลักษณะเป็นเส้นตรงเฉียงขึ้น โดยความชันของกราฟจำนวนแผ่นดินไหวสะสมจะขึ้นอยู่กับอัตราการเกิดแผ่นดินไหวในแต่ละพื้นที่ เช่นหากเกิดแผ่นดินไหว 1 เหตุการณ์/วัน เมื่อเวลาผ่านไป 100 วัน จะมีจำนวนแผ่นดินไหวสะสมทั้งหมด 100 เหตุการณ์ อย่างไรก็ตาม ในบางช่วงเวลาเกิดภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหว เช่น ไม่มีแผ่นดินไหวเกิดขึ้นในช่วงวันที่ 40-60 กราฟจำนวนแผ่นดินไหวสะสมจะมีลักษณะเป็นแนวนอนในช่วงวันที่ 40-60 เช่นกัน ดังนั้นกราฟจำนวนแผ่นดินไหวสะสมแนวนอนดังกล่าว จึงหมายถึง ภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหว ดังที่อธิบายในข้างต้น
ในภาวะปกติ แหล่งกำเนิดแผ่นดินไหวใดๆ จะมีอัตราการเกิดแผ่นดินไหวโดยรวมคงที่ อย่างไรก็ตามจากการทดสอบทั้งในห้องปฏิบัติการและพื้นที่จริงพบว่า อัตราการเกิดแผ่นดินไหวจะลดลงก่อนเกิดแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ เรียกว่า ภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหว (seismic quiescence) ดังนั้นการวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงอัตราการเกิดแผ่นดินไหวจึงสามารถประยุกต์ใช้เป็นสัญญาณบอกเหตุก่อนเกิดแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ได้
ปัญหาในการตัดสินใจ
อย่างไรก็ตามหากวิเคราะห์จำนวนแผ่นดินไหวสะสมจากฐานข้อมูลแผ่นดินไหวในพื้นที่ต่างๆ ทั่วโลก พบว่ามีภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหวหลายช่วงเวลาซึ่งมีความยาวนานแตกต่างกัน ดังนั้นการวิเคราะห์ภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหวจากการพิจารณากราฟจำนวนแผ่นดินไหวสะสมโดยตรงจึงอาจมีความคลาดเคลื่อนเนื่องจากวิจารณญาณของนักแผ่นดินไหวผู้วิเคราะห์
ค่า Z (Z value) คือ วิธีการทางสถิติซึ่งนำเสนอโดย Habermann (1983; 1987) เพื่อใช้วิเคราะห์ภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหวในช่วงหรือกรอบเวลาที่พิจารณา จากการเปรียบเทียบพฤติกรรมการเกิดแผ่นดินไหวในกรอบเวลา (window) และนอกกรอบเวลา (background) ดังแสดงในสมการด้านล่าง
กำหนดให้ Rw คือ อัตราการเกิดแผ่นดินไหวเฉลี่ยในกรอบเวลา Rbg คือ อัตราการเกิดแผ่นดินไหวเฉลี่ยนอกกรอบเวลา Sw คือ ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานของอัตราการเกิดแผ่นดินไหวในกรอบเวลา Sbg คือ ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานของอัตราการเกิดแผ่นดินไหวนอกกรอบเวลา nw คือ จำนวนแผ่นดินไหวในกรอบเวลาและ nbg คือ จำนวนแผ่นดินไหวนอกกรอบเวลา ตามลำดับ
จากสมการ ค่า Z มีค่าบวก หมายถึง อัตราการเกิดแผ่นดินไหวในกรอบเวลาต่ำกว่าอัตราการเกิดแผ่นดินไหวนอกกรอบเวลาที่พิจารณา หรือ หมายถึง ภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหว ในขณะที่ค่า Z มีค่าลบ หมายถึง อัตราการเกิดแผ่นดินไหวในกรอบเวลาสูงกว่าอัตราการเกิดแผ่นดินไหวนอกกรอบเวลาที่พิจารณา ซึ่งจากการศึกษางานวิจัยในอดีตพบว่านักแผ่นดินไหวหลายกลุ่มประยุกต์ใช้ค่า Z เพื่อวิเคราะห์ภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหวก่อนเกิดแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ในพื้นที่ต่างๆ ทั่วโลก
ภาวะเงียบสงบในสหรัฐอเมริกา
Bachmann (2001) ศึกษาการเปลี่ยนแปลงอัตราการเกิดแผ่นดินไหวก่อนเกิดแผ่นดินไหวขนาด 5.8 Mw บริเวณทะเลสาบโคยอท (Coyote Lake) และแผ่นดินไหวขนาด 6.2 Mw บริเวณมอร์แกนฮิลล์ ประเทศสหรัฐอเมริกา โดยในกรณีของแผ่นดินไหวขนาด 5.8 Mw Bachmann (2001) วิเคราะห์ค่า Z ทุกพื้นที่ย่อยขนาด 50×50 ตารางกิโลเมตร ครอบคลุมทะเลสาบโคยอทและพื้นที่ข้างเคียง จากข้อมูลแผ่นดินไหวในช่วงปี ค.ศ. 1977.10-1979.50 ซึ่งจากก แสดงการกระจายตัวเชิงพื้นที่ของค่า Z บริเวณทะเลสาบโคยอท พบภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหวในพื้นที่ทางตะวันออกของแผ่นดินไหวขนาด 5.8 Mw
นอกจากนี้ Bachmann (2001) วิเคราะห์ค่า Z ตามแนวภาคตัดขวางของรอยเลื่อนบริเวณทะเลสาบโคยอท ซึ่งแสดงภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหว (Z = 4.0-6.5) ทางตอนเหนือของจุดศูนย์กลางแผ่นดินไหวในช่วงเวลา 2.4 ปี ก่อนเกิดแผ่นดินไหวดังกล่าว
ในกรณีของแผ่นดินไหวขนาด 6.2 Mw บริเวณมอร์แกนฮิลล์ Bachmann (2001) วิเคราะห์ค่า Z จากข้อมูลแผ่นดินไหวในช่วงปี ค.ศ. 1981.40-1984.30 ซึ่งจากข พบภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหวในพื้นที่ทางตะวันตกของแผ่นดินไหว ในขณะที่ตอนเหนือของพื้นที่พบการเพิ่มขึ้นของอัตราการเกิดแผ่นดินไหวอย่างชัดเจน หลังจากนั้น Bachmann (2001) วิเคราะห์ค่า Z ตามแนวภาคตัดขวางของรอยเลื่อนบริเวณมอร์แกนฮิลล์ พบภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหวทางตอนใต้ของรอยเลื่อนในช่วงเวลา 2.9 ปี ก่อนเกิดแผ่นดินไหวขนาด 6.2 Mw ที่มอร์แกนฮิลล์ ในขณะที่ทางตอนเหนือของระนาบรอยเลื่อนพบการเพิ่มขึ้นของอัตราการเกิดแผ่นดินไหว
จากผลการวิเคราะห์ค่า Z ดังกล่าว Bachmann (2001) สรุปว่าก่อนเกิดแผ่นดินไหวทั้ง 2 เหตุการณ์ มีการลดลงของอัตราการเกิดแผ่นดินไหวอย่างผิดปกติ แสดงถึงภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหวซึ่งสามารถใช้เป็นสัญญาณบอกเหตุแผ่นดินไหวขนาด 5.0-6.0 Mw ได้
ภาวะเงียบสงบทางตะวันตกของกรีซ
Chouliaras (2009) ศึกษาภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหวก่อนเกิดแผ่นดินไหวขนาด 6.4 Mw ทางตะวันตกของประเทศกรีซ เมื่อวันที่ 8 และวันที่ 13 เดือนธันวาคม ค.ศ. 2008 โดยใช้ฐานข้อมูลแผ่นดินไหวที่ตรวจวัดได้จากเครื่องมือตรวจวัดแผ่นดินไหวจากหน่วยงาน Institute of Geodynamics of the National Observatory of Athens จำนวน 64,344 เหตุการณ์ เพื่อวิเคราะห์ค่า Z โดยกำหนดกรอบเวลาในการวิเคราะห์ 2.5 ปี ซึ่งผลการวิเคราะห์ทั้งในเชิงเวลาและเชิงพื้นที่พบภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหวในปี ค.ศ. 2001 หรือประมาณ 7 ปี ก่อนเกิดแผ่นดินไหวขนาด 6.4 Mw
ภาวะเงียบสงบในตุรกี
Ozturk และ Bayrak (2009) ศึกษาภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหวก่อนเกิดแผ่นดินไหวขนาด 6.4 Mw ในประเทศตุรกี โดยใช้ข้อมูลแผ่นดินไหวจากหน่วยงาน Kandilli Observatory and Earthquake Research Institute จำนวน 522 เหตุการณ์ เพื่อวิเคราะห์ค่า Z โดยกำหนดกรอบเวลาวิเคราะห์ 5 ปี และจำนวนแผ่นดินไหวที่ใช้ในการวิเคราะห์ในแต่ละพื้นที่ย่อย ≥ 50 เหตุการณ์ ผลการวิเคราะห์ พบภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหวห่างจากจุดศูนย์กลางแผ่นดินไหวประมาณ 8 กิโลเมตร นับตั้งแต่ปี ค.ศ. 1997 โดยประเมินจากค่า Z สูงที่สุด (Zmax = 2.5) และหลังจากนั้น 6 ปี จึงเกิดแผ่นดินไหวขนาด 6.4 Mw ในพื้นที่ดังกล่าว
ภาวะเงียบสงบในเม็กซิโก
Rudolf-Navarro และคณะ (2010) ศึกษาจำนวนแผ่นดินไหวสะสมจากข้อมูลแผ่นดินไหวบริเวณนอกชายฝั่งมหาสมุทรแปซิฟิกของประเทศเม็กซิโก พบภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหวอย่างมีนัยสำคัญก่อนเกิดแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ เช่น แผ่นดินไหวขนาด 8.0 Mw เมื่อวันที่ 9 เดือนตุลาคม ค.ศ. 1995 และแผ่นดินไหวขนาด 7.6 Mw เมื่อวันที่ 23 เดือนมกราคม ค.ศ. 2003 เป็นต้น
ภาวะเงียบสงบในญี่ปุ่น
Katsumata (2011a) ศึกษาภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหวก่อนเกิดแผ่นดินไหวขนาด 8.3 Mw ที่เกิดในปี ค.ศ. 2003 บริเวณเมืองโทคาชิโอกิ (Tokachi-Oki) ประเทศญี่ปุ่น โดยใช้ข้อมูลแผ่นดินไหวในช่วงปี ค.ศ. 1994-2003 จำนวน 2,000 เหตุการณ์ เพื่อวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงค่า Z เชิงเวลา ซึ่งผลการวิเคราะห์พบว่านับตั้งแต่ปี ค.ศ. 1999 เริ่มมีการลดลงของอัตราการเกิดแผ่นดินไหวอย่างผิดปกติใน 2 พื้นที่ใกล้จุดศูนย์กลางแผ่นดินไหว (Zmax = 3.9-4.0) หลังจากนั้นประมาณ 5 ปี จึงเกิดแผ่นดินไหวขนาด 8.3 Mw ที่เกิดตามมาในพื้นที่ดังกล่าว
Katsumata (2011b) ศึกษาภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหวก่อนเกิดแผ่นดินไหวขนาด 8.9 Mw บริเวณนอกชายฝั่งมหาสมุทรแปซิฟิกของประเทศญี่ปุ่น ที่เกิดในปี ค.ศ. 2011 โดยใช้ข้อมูลแผ่นดินไหวในช่วงปี ค.ศ. 1965-2010 จำนวน 5,770 เหตุการณ์ เพื่อวิเคราะห์การกระจายตัวเชิงพื้นที่ของค่า Z โดยผลการวิเคราะห์พบว่าเริ่มมีการลดลงของอัตราการเกิดแผ่นดินไหวอย่างผิดปกติ (Zmax = 4.9) ในบริเวณใกล้จุดศูนย์กลางแผ่นดินไหวนับตั้งแต่ปี ค.ศ. 1988 และต่อเนื่องไปถึงปี ค.ศ. 1992 และ ค.ศ. 1996 ตามลำดับ หลังจากนั้น 23.4 ปี จึงเกิดแผ่นดินไหวขนาด 8.9 Mw ในพื้นที่ดังกล่าว
ภาวะเงียบสงบในอิหร่าน
Sorbi และคณะ (2012) ศึกษาพฤติกรรมการเกิดแผ่นดินไหวโดยรวมก่อนเกิดแผ่นดินไหวขนาด 6.1 Mw ที่เกิดในปี ค.ศ. 2008 ทางตอนใต้ของประเทศอิหร่าน โดยใช้ฐานข้อมูลแผ่นดินไหวจากหน่วยงาน USGS ในช่วงปี ค.ศ. 2005-2011 เพื่อวิเคราะห์การกระจายตัวเชิงพื้นที่ของค่า Z พบการลดลงของอัตราการเกิดแผ่นดินไหวอย่างผิดปกติ (Zmax = 3.0) ในบริเวณใกล้จุดศูนย์กลางแผ่นดินไหวนับตั้งแต่ปี ค.ศ. 2007 นอกจากนี้ Sorbi และคณะ (2012) วิเคราะห์การกระจายตัวเชิงพื้นที่ของค่า b จากข้อมูลแผ่นดินไหวชุดเดียวกันและพบค่า b ต่ำ ในบริเวณใกล้จุดศูนย์กลางแผ่นดินไหวเช่นกัน Sorbi และคณะ (2012) จึงสรุปว่าพื้นที่โดยรอบจุดศูนย์กลางแผ่นดินไหวมีการสะสมความเค้นทางธรณีแปรสัณฐานและแสดงภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหว ซึ่งหลังจากเกิดความผิดปกติของทั้งค่า Z และค่า b ประมาณ 1 ปี จึงเกิดแผ่นดินไหวขนาด 6.1 Mw ในพื้นที่ดังกล่าว
สรุปการพบภาวะเงียบสงบทั่วโลก
จากการประมวลผลงานวิจัยในอดีต ดังที่อธิบายในข้างต้น Puangjaktha และ Pailoplee (2017a) สรุปช่วงเวลาระหว่างภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหวที่ตรวจพบและแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ที่เกิดตามมา พบว่ามีเพียงกรณีศึกษาแผ่นดินไหวขนาด 8.9 Mw ที่เกิดในปี ค.ศ. 2011 บริเวณนอกชายฝั่งมหาสมุทรแปซิฟิกของประเทศญี่ปุ่น ที่ตรวจพบภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหวเกิดก่อนแผ่นดินไหวดังกล่าวยาวนาน 23.4 ปี (; Katsumata, 2011b) ในขณะที่กรณีศึกษาแผ่นดินไหวขนาดใหญ่อื่นๆ พบภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหวที่ได้จากการวิเคราะห์ค่า Z ก่อนเกิดแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ประมาณ 0.8-7 ปี เช่น Katsumata และ Sakai (2013) ตรวจพบภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหว 2.4 ปี ก่อนเกิดแผ่นดินไหวขนาด 7.0 Mw ที่เกิดในปี ค.ศ. 2008 ในประเทศญี่ปุ่น Wu และ Chiao (2006) ตรวจพบภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหว 0.8 ปี ก่อนเกิดแผ่นดินไหวขนาด 7.6 Mw ที่เกิดในปี ค.ศ. 2008 ในประเทศไต้หวัน Chouliaras และ Stavrakakis (2001) ตรวจพบภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหว 6.0 ปี ก่อนเกิดแผ่นดินไหวขนาด 6.2 Mw ที่เกิดในปี ค.ศ. 1983 ในประเทศกรีซ และ Ozturk และ Bayrak (2009) ตรวจพบภาวะเงียบสงบแผ่นดินไหว 6.0 ปี ก่อนเกิดแผ่นดินไหวขนาด 6.4 Mw ที่เกิดในปี ค.ศ. 1983 ในประเทศตุรกี เป็นต้น
ดังนั้น Puangjaktha และ Pailoplee (2017a) จึงสรุปว่าการวิเคราะห์ค่า Z สามารถใช้วิเคราะห์สัญญาณบอกเหตุแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ได้ และเป็นวิธีการพยากรณ์แผ่นดินไหวในระยะกลาง (intermediate-term earthquake forecasting) ซึ่งมีประสิทธิภาพในการพยากรณ์การเกิดแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ที่มีโอกาสเกิดขึ้นในช่วง 1-3 เดือน ถึง 10 ปี
. . .
บทความล่าสุด : www.mitrearth.org
เยี่ยมชม facebook : มิตรเอิร์ธ – mitrearth