การศึกษากระบวนการเกิดแผ่นดินไหวจากมุมมองของระบาดวิทยา (Epidemic-Type aftershock sequence, ETAS)

1 กรกฎาคม 2563

 

       ณ ปัจจุบัน ไวรัส COVID-19 กำลังระบาดอย่างหนัก(pandemic) ไปทั่วทุกมุมโลกและส่งผลกระทบอย่างรุนแรงมหาศาล โดยนิยามของการระบาด คือ การแพร่กระจายของโรคจากบุคคลหนึ่งไปยังบุคคลอื่นที่ตำแหน่งต่าง ๆ การแพร่กระจายดังกล่าวทำให้มีปริมาณผู้ป่วยในแต่ละพื้นที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ซึ่งสะท้อนออกมาเป็นกราฟแสดงยอดของผู้ป่วยและผู้ติดเชื้อสะสมในแต่ละพื้นที่ ณ ช่วงเวลาที่เกิดการระบาด นอกจากทางระบาดวิทยา (epidemiology) แล้ว รูปแบบของการกระจายตัวของโรคระบาดดังกล่าวก็ได้ถูกนำมาใช้อธิบายกระบวนการเกิดแผ่นดินไหวด้วยเช่นกัน โดยเรียกว่า Epidemic type earthquake sequence (ETES) และ Epidemic type aftershock sequence (ETAS)

 

 

รูปที่ 1 กราฟแสดงปริมาณผู้ติดเชื้อ COVID-19 สะสมในแต่ละประเทศ (https://www.mhesi.go.th/home/index.php/pr/all-media/56-covid-19/covid-infostatistic/1419-covid-status-2020-04-21)

 

       ในวงการแผ่นดินไหววิทยา การแพร่กระจายของเชื้อโรคหรือการระบาด (epidemic) ได้ถูกนำมาใช้เป็นแบบจำลองเชิงสถิติในการอธิบายถึงกระบวนการเกิดแผ่นดินไหวตาม (aftershock) และถือว่าเป็นหนึ่งในโมเดลที่ได้รับการยอมรับมากที่สุดในปัจจุบัน โดยในปีพ.ศ. 2531 Prof.Yosihiko Ogata [1] ศาสตราจารย์แห่งสถาบัน The Institute of Statistical Mathematics ณ กรุง โตเกียว ได้นำเสนอโมเดล ETAS ที่เสนอว่า “แผ่นดินไหวแต่ละเหตุการณ์สามารถก่อให้เกิดแผ่นดินไหวตาม ด้วยอัตราส่วนการเกิดใหม่ที่แปรผันแบบเอกโพเนนเชี่ยล 10aMเมื่อ M คือขนาด (magnitude) ของแผ่นดินไหวตั้งต้น หมายความว่ายิ่งแผ่นดินไหวตั้งต้น (หรือแผ่นดินไหวหลัก) มีขนาดใหญ่มากขึ้นเท่าไร ยิ่งทำให้มีจำนวนของแผ่นดินไหวเกิดขึ้นตามมามากเท่านั้น ตัวอย่างเช่น แผ่นดินไหวขนาด 6 จะสามารถสร้างจำนวนแผ่นดินไหวตามได้มากกว่าแผ่นดินไหวขนาด 5 ถึง 10 เท่า ขึ้นอยู่กับสัมประสิทธิ์ a ในสมการ นอกจากนี้แต่ละแผ่นดินไหวตามก็จะสามารถสร้างแผ่นดินไหวตามของตัวเองหรือแผ่นดินไหวตามแบบทุติยภูมิ (secondary aftershock) )ได้อีก จึงทำให้ลักษณะการเกิดแผ่นดินไหวตามเป็นไปในรูปแบบของการเกิดแบบลูกโซ่ หรือ ลักษณะของการแพร่ระบาดของโรคนั่นเอง  โดยในมุมมองของแบบจำลอง ETAS จะมองว่าแผ่นดินไหวหลัก (mainshock) คือ ต้นกำเนิดของการแพร่กระจายเชื้อโรค และ แผ่นดินไหวตาม คือ ผู้ได้รับการแพร่เชื่อ ซึ่งแผ่นไหวตามเหล่านี้ ก็จะกลายเป็นผู้แพร่เชื้อต่อ ๆ ไป ทำให้เกิดแผ่นดินไหวจำนวนมากขึ้นเรื่อย ๆ ซึ่งจากการเปรียบเทียบแบบจำลอง ETAS และ ข้อมูลจริง พบว่ามีความสอดคล้องกันเป็นอย่างมาก นอกจากนี้ ETAS ยังเป็นแบบจำลองที่มีความครอบคลุมเพราะสามารถใช้อธิบายกฎพื้นฐานทางวิทยาแผ่นดินไหวในอดีต เช่น Omori’s law ที่อธิบายการลดลงของจำนวนแผ่นดินไหวตามในตัวแปรเวลา Gutenberg-Richter law ที่อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างขนาดและจำนวนของแผ่นดินไหว หรือ Bath’s law ที่อธิบายขนาดแผ่นดินไหวตามที่มีขนาดใหญ่ที่สุด [2] กล่าวได้ว่าแบบจำลองการระบาดของแผ่นดินไหว ETAS นี้เป็นแบบจำลองที่ได้รับการยอมรับสูงสุดในปัจจุบัน

 

       อย่างไรก็ตามเมื่อเปรียบเทียบกับการระบาดของโรค แบบจำลอง ETAS จะมีการควบคุมระดับพลังงานของระบบทำให้การแพร่กระจายของแผ่นดินไหวจะไม่สามารถเกิดขึ้นไปได้เรื่อย ๆ แต่จะค่อย ๆ ลดลงและหายไปเมื่อเวลาผ่านไปนานขึ้น เพราะว่าบริเวณที่เกิดแผ่นดินไหวไปแล้วจะไม่หลงเหลือพลังงานในการเกิดแผ่นดินไหวได้อีกไปอีกช่วงเวลานาน หรือ อาจเทียบได้ว่าบริเวณที่เกิดแผ่นดินไหวไปแล้วเกิดภูมิต้านทานขึ้นชั่วคราวนั่นเอง โดยการศึกษาการระบาดหรือกระจายตัวของแผ่นดินไหวตามนี้จะเป็นการวิเคราะห์เชิงสถิติของการกระจายตัวในเวลาและตำแหน่งของแผ่นดินไหว (spatio-temporal distribution) ช่วยให้นักวิทยาแผ่นดินไหวเข้าใจถึงพฤติกรรมของแผ่นดินไหวแต่ละชุดเหตุการณ์ (seismic sequence) นำไปสู่การวางแผนจัดการความเสี่ยงภัยจากแผ่นดินไหวในแต่ละบริเวณ สำหรับชุดเหตุการณ์แผ่นดินไหว จำนวนแผ่นดินไหวจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงแรก ก่อนจะค่อยๆลดลงจนมีปริมาณแผ่นดินไหวสะสมที่คงที่หรือไม่มีแผ่นดินไหวตามเกิดขึ้นอีก จากนั้นจึงเข้าสู่สถานะปกติ หวังเป็นอย่างยิ่งว่าสำหรับโรคระบาด COVID-19 จำนวนผู้ป่วยจะค่อย ๆ ลดลงและกลับสู่ภาวะปกติโดยเร็วเช่นกัน ต่างกันก็ตรงที่สำหรับแผ่นดินไหวนั้นเราไม่สามารถควบคุมอัตราการเกิดแผ่นดินไหวใหม่ ๆ ได้ แต่สำหรับ COVID-19 เราทุกคนล้วนมีส่วนสำคัญในการลดการแพร่ระบาดของโรคร้ายนี้

 

(a)

 

(b)

 

รูปที่ 2 a) แสดงการจำนวนแผ่นดินไหวสะสมที่เกิดขึ้นหลังจากเหตุการณ์แผ่นดินไหวหลักขนาด Mw 6.0 ณ ประเทศอิตาลี สังเกตได้ว่ามีปริมาณแผ่นดินไหวเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงเวลาสั้น ๆ หลังจากการเกิดของแผ่นดินไหวหลัก (mainshock) หลังจากนั้นจำนวนแผ่นดินไหวที่เกิดขึ้นจะค่อยลดลง เส้นสีดำแสดงจำนวนแผ่นดินไหวสะสมที่วัดได้ เส้นประแสดงจำนวนแผ่นดินไหวสะสมจากการคำนวณโดยแบบจำลอง ETAS [3] b) แสดงแผ่นดินไหวสะสม(เส้นสีน้ำเงิน)จากเหตุการณ์แผ่นดินไหวขนาด 6.5 [4] ณ กลุ่มรอยเลื่อนพะเยา เมื่อวันที่ 5 พฤษภาคม 2557  วงกลมสีแดงแสดงจำนวนแผ่นดินไหวตาม (aftershock) ที่เกิดใหม่ในแต่ละวัน (เทียบเท่าผู้ป่วยใหม่)

 

       เช่นเดียวกับการตรวจวัด ‘จำนวนของผู้ป่วย’ ที่เป็นข้อจำกัดทางสถิติของการศึกษาระบาดวิทยา อาจมีผู้ป่วยที่ไม่แสดงอาการทำให้ไม่สามารถวัดจำนวนจริง ๆ ของผู้ติดเชื้อได้ ทำให้การวิเคราะห์ทางสถิติอาจมีความคลาดเคลื่อน ในการศึกษาแผ่นดินไหวก็มีข้อจำกัดเนื่องมากจากการตรวจวัด ‘จำนวนของแผ่นดินไหว’ ด้วยเช่นกัน กล่าวคือ ในบริเวณที่มีเครื่องวัดแผ่นดินไหวไม่หนาแน่นหรือมีความครอบคลุมไม่เพียงพอจะทำให้ประสิทธิภาพการตรวจวัดแผ่นดินไหวลดลง ทำให้เกิด ‘แผ่นดินไหวตกสำรวจ’ ที่เกิดขึ้นจริงในธรรมชาติแต่ไม่สามารถตรวจวัดได้ หรือ ตรวจวัดเจอแผ่นดินไหวแต่มีข้อมูลไม่เพียงพอในการระบุตำแหน่งการเกิดหรือวิเคราะห์กลไกแผ่นดินไหว เนื่องจากในการศึกษาแผ่นดินไหวแต่ละเหตุการณ์จำเป็นต้องใช้เครื่องวัดแผ่นดินไหวจำนวนหลายสถานีในการคำนวณจึงจะได้ผลที่แม่นยำ เช่น กรณีแผ่นดินไหว เมื่อวันที่ 5 พฤษภาคม 2557 ณ จังหวัดเชียงราย ขนาด ML 6.3 ซึ่งมีแผ่นดินไหวตามขนาดมากกว่า 4 จำนวน 42 เหตุการณ์ แต่สามารถทำการวิเคราะห์กลไกแผ่นดินไหวได้เพียง 29 เหตุการณ์เนื่องจากข้อจำกัดทางข้อมูล [4] แผ่นดินไหวแต่ละครั้งเปรียบเสมือนผู้ป่วยที่สามารถใช้เปรียบเทียบหรือเป็นกรณีศึกษาสำหรับแผ่นดินไหวครั้งต่อ ๆ ไปในอนาคตได้ การที่เราสามารถศึกษาแผ่นดินไหวและพฤติกรรมของรอยเลื่อนได้ จึงจะช่วยให้เราสามารถเข้าใจถึงพฤติกรรมในอนาคตของแผ่นดินไหวได้ด้วยเช่นกัน นำไปสู่การวางแผนบรรเทาและจัดการความเสี่ยงภัยจากแผ่นดินไหวอย่างเหมาะสม

 

       ภายใต้โครงการสำรวจรอยเลื่อนมีพลังด้วยธรณีฟิสิกส์สมัยใหม่ มีเป้าหมายในการตรวจสอบและศึกษาพฤติกรรมของแผ่นดินไหวบริเวณรอยเลื่อนมีพลังอย่างใกล้ชิด โดยหนึ่งในภารกิจที่ได้ดำเนินการคือการติดตั้งเครือข่ายเครื่องวัดคลื่นสั่นสะเทือน(seismic waves) จากแผ่นดินไหวบริเวณรอยเลื่อนแม่จัน ซึ่งเป็นรอยเลื่อนที่ยาวที่สุดและเป็นที่คาดการณ์ว่าน่าจะทำให้เกิดแผ่นดินไหวได้ขนาดใหญ่กว่า 7.5 อย่างไรก็ดีพบว่าปัจจุบันมีแผ่นดินไหวที่บริเวณรอยเลื่อนแม่จันน้อยกว่าที่คาดการณ์โดยข้อมูลเชิงธรณีวิทยา ซึ่งเป็นไปได้ว่าเนื่องมาจากรอยเลื่อนแม่จันอยู่บริเวณชายแดนทำให้จำนวนสถานีวัดคลื่นจากแผ่นดินไหวไม่เพียงพอทำให้ไม่สามารถวัดแผ่นดินไหวขนาดเล็ก ๆ ได้ ดังนั้นการติดตั้งเครื่องวัดแผ่นดินไหวเพิ่มเติมบริเวณรอยเลื่อนจึงมีความจำเป็นต่อความเข้าใจของกลศาสตร์ในพื้นที่อย่างแท้จริง (ground truth, [5]) โดยคณะผู้วิจัยจะทำการประยุกต์ใช้ข้อมูลจากเครื่องวัดคลื่นไหวสะเทือนนี้ในการหาแผ่นดินไหวขนาดเล็กที่อาจ “ตกสำรวจ” เครือข่ายภาพรวมของภาครัฐได้ หรือใช้ในการวิเคราะห์กลไกการเคลื่อนที่ของแผ่นดินไหวในบริเวณกลุ่มรอยเลื่อนแม่จัน นอกจากนี้เครื่องวัดคลื่นแผ่นดินไหวยังสามารถประยุกต์ใช้ในลักษณะเดียวกับการทำ ultrasound ทางการแพทย์เพื่อใช้ในการสร้างภาพจำลอง (imaging) ของโครงสร้างเปลือกโลกภายใต้สถานีวัดคลื่นได้อีกด้วย

 

       นอกจากนี้ยังมีการสำรวจทางคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแมกนีโตเทลรูริกซ์ (Magnetotelluric, รูปที่ 3) ที่เปรียบเสมือนการทำ CT-scan ทางการแพทย์เพื่อทำการศึกษาโครงสร้างระดับเปลือกโลกของรอยเลื่อน และช่วยให้เราเข้าใจถึงกระบวนการเกิดแผ่นดินไหวในรอยเลื่อนเพิ่มมากขึ้น ยกตัวอย่างเช่นการศึกษาโครงสร้างของกลุ่มรอยเลื่อนพะเยา (รูปที่ 4) ที่คณะผู้วิจัยได้ตรวจพบว่าบริเวณที่เกิดแผ่นดินไหวจำนวนมากมีความสัมพันธ์กับบริเวณที่มีของเหลวอยู่ภายในเปลือกโลก (crustal fluid) มากกว่าปกติ ซึ่งของเหลวเหล่านี้จะสร้างแรงดัน (pore-fluid pressure) ที่จะทำให้แรงเสียดทานของรอยเลื่อนลดลงและเกิดแผ่นดินไหวได้ง่ายกว่าบริเวณข้างเคียง การศึกษาความเหมือนและแตกต่างของรอยเลื่อนพะเยาและรอยเลื่อนแม่จันซึ่งอยู่ใกล้กัน และมีโครงสร้างทางธรณีวิทยาต่อเนื่องกันจะช่วยให้เราเข้าใจกระบวนการเกิดแผ่นดินไหวในภูมิภาคได้มากขึ้น

 

 

รูปที่ 3 แสดงตำแหน่งสถานีเครื่องวัดแผ่นดินไหว และ สถานีสำรวจแมกนีโตเทลรูลิกซ์ บริเวณรอยเลื่อนแม่จัน

 

 

รูปที่ 4 โครงสร้างสภาพต้านทานไฟฟ้า (Resistivity structure) ภายในกลุ่มรอยเลื่อนพะเยา จากการศึกษาด้วยวิธีแมกนีโตเทลลูริกซ์ โดยโครงสร้างที่มีสภาพความนำไฟฟ้าสูง ML(สีแดง) คือบริเวณที่มีของเหลวภายในเปลือกโลกมากกว่าปกติ และเป็นบริเวณที่เปราะบางและเสี่ยงต่อการเกิดแผ่นดินไหว [6]

 

       นอกจากนี้ กรณีแผ่นดินไหวขนาด 6.4 ณ ประเทศลาว เมื่อวันที่ 21 พฤศจิกายน 2562 คณะผู้วิจัยได้ทำการเดินทางออกติดตั้งเครื่องวัดแผ่นดินไหวกรณีเร่งด่วน (rapid response) ภายใน 24 ชั่วโมง บริเวณ อ.บ่อเกลือ และ อ.เฉลิมพระเกียรติ จ.น่าน  จำนวน 3 สถานี (รูปที่ 5) เพื่อติดตามพฤติกรรมการเกิดแผ่นดินไหวและซักซ้อมเตรียมพร้อมต่อสถานการณ์ที่อาจเกิดขึ้นในประเทศไทยได้ในอนาคต

 

โดยภาพรวมของการออกภาคสนามเพื่อสำรวจและเก็บข้อมูลในโครงการได้แก่

 

       1. การออกภาคสนามเพื่อสำรวจ Magnetotellurics บริเวณรอยเลื่อนแม่จัน

 

       2. การออกภาคสนาม Magnetotellurics เพื่อสำรวจโครงสร้างบริเวณรอยเลื่อนพะเยาส่วนวังเหนือสืบเนื่องมาจากแผ่นดินไหววังเหนือขนาด 4.1 เมื่อวันที่ 14 มีนาคม 2562

 

       3. การติดตั้งเครือข่ายเครื่องวัดคลื่นไหวสะเทือนบริเวณรอยเลื่อนแม่จันจำนวน 4 สถานี และจะดำเนินติดตั้งเพิ่มอีก 3 สถานี (ย้ายจาก สถานีในจังหวัดน่านในข้อ 4.)

 

       4. การติดตั้งเครื่องวัดแผ่นดินไหวแบบเร่งด่วนจำนวน 3 สถานี บริเวณจังหวัดน่านเพื่อติดตามพฤติกรรมแผ่นดินไหวตาม เนื่องจากแผ่นดินไหว ณ ประเทศลาว ขนาด 6.4 เมื่อวันที่ 21 พฤศจิกายน 2562

 

       5. การรื้อถอนและความรวบรวมข้อมูลจากเครือข่ายเครื่องวัดแผ่นดินไหวบริเวณกลุ่มรอยเลื่อนภาคตะวันตก (รอยเลื่อนเจดีย์สามองค์และรอยเลื่อนศรีสวัสดิ์) ก่อนดำเนินการเคลื่อนย้ายไปติดตั้ง ณ รอยเลื่อนแม่จัน

 

 

รูปที่ 5 แสดงสถานีเครื่องวัดแผ่นดินไหวของกรมอุตุนิยมวิทยา (วงกลมสีแดง) และ สถานีเครื่องวัดแผ่นดินไหวที่ติดตั้งชั่วคราว(สามเหลี่ยมฟ้า) เพื่อติดตามพฤติกรรมแผ่นดินไหวตาม เหตุการณ์แผ่นดินไหวขนาด 6.4 ณ ประเทศลาว เมื่อวันที่ 21 พฤศจิกายน 2562

 

       โดยระหว่างการออกภาคสนามของคณะผู้วิจัย เราได้มีโอกาสพบปะประชาชนในท้องถิ่นอย่างหลากหลาย อีกหนึ่งภารกิจที่คณะผู้วิจัยได้ทำควบคู่ไปกับการดำเนินการสำรวจทางธรณีฟิสิกส์ คือการพูดคุยกับผู้นำชุมชน ครูในโรงเรียน และ การจัดอบรมเบื้องต้นเกี่ยวกับแผ่นดินไหวให้กับนักเรียนเพื่อสร้างความรู้พื้นฐานแก่ชุมชน ในขณะที่การแพร่กระจายของโรคระบาดอย่าง COVID-19 นั้นสามารถลดการกระจายและอัตราการเกิดได้ด้วยนโยบายและการวางแผน แผ่นดินไหวเป็นภัยธรรมชาติที่ควบคุมการเกิดไม่ได้ แต่ความเข้าใจเกี่ยวกับพฤติกรรมและกระบวนการเกิดของแผ่นดินไหวจะช่วยในการวางแผนนโยบายการป้องกันและบรรเทาผลกระทบที่อาจตามมา เป็นการเตรียมพร้อม หรือ ‘วัคซีนแผ่นดินไหว’ ให้กับประชาชนที่อาศัยอยู่ในพื้นที่เสี่ยงภัยอย่างยั่งยืน

 

 

รูปที่ 6  กิจกรรมให้ความรู้แก่นักเรียนในพื้นที่ และ การพูดคุยแลกเปลี่ยนข้อมูลและองค์ความรู้กับผู้นำท้องถิ่น และ ประชาชนในพื้นที่

 

คณะผู้วิจัย

 

รศ. ดร. วีระชัย สิริพันธ์วราภรณ์, อ. ดร. ทรงคุณ บุญชัยสุข, อ. ดร. ภูวิศ อมาตยกุล และ อ. ดร. สุทธิพงษ์ น้อยสกุล

กลุ่มวิจัยธรณีฟิสิกส์ ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล

 

เอกสารอ้างอิง

 

[1] Ogata, Y. (1988), “Statistical Models for Earthquake Occurrences and Residual Analysis for Point Processes”, J. Amer. Statist. Assoc. 83, 401, 9-27.

[2] Hainzl, S. (2016), “Apparent Triggering Function of Aftershock Resulting from Rate Dependent Incompleteness of Earthquake Catalogs”, Journal of Geophysical Research 121, 6499 – 6509.

[3] Gospodinov, D. and Rotondi, R., (2006), “Statistical Analysis of Triggered Seismicity in the Kresna Region of SW Bulgaria (1904) and the Unbria-Marche Region of Central Italy (1997)”, Pure and Applied Geophysics, 163, 1597 – 1615.

[4] Noisagool, S., Boonchaisuk, S., Pornsopin, P., and Siripunvaraporn, W., 2016, “The Regional Moment Tensor of the 5 May 2014 Chiang Rai Earthquake (Mw = 6.5) and Its Aftershocks and Implication of Stress and Instability of Phayao Fault Zone”, Journal of Asian Earth Science, Vol. 127, P. 231-245.

[5] Bondar, I., and McLaughlin, K. L., 2009,  “A New Ground Truth Data Set for Seismic Studies”, Seismological Research Letters, Vol. 80, p. 465-472.

[6] Boonchaisuk, S., Amatayakul, P., Rung-Arunwan, T., Vachiratianchai, C., Noisagool, S., Siripunvaraporn, W., (2017), “3-D Magnetotelluric Imaging of the Phayao Fault Zone, Northern Thailand:  Evidence for Fluid in the Source Region of the 2014 Chiang Rai Earthquake”, Journal of Asian Earth Science, Vol 127, p. 210-221.

 

รายงานโดย

 

รศ. ดร. วีระชัย สิริพันธ์วราภรณ์

กลุ่มวิจัยธรณีฟิสิกส์ ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล กรุงเทพมหานคร - 10400

E-mail: wsiripun@gmail.com