مقدمة إلى تنبؤات الأرض

وتأتي هذه الكوارث الطبيعية الأكثر تدميراً، التي يمكن أن تطمس مدن بأكملها وتتسبب في مخاطر ثانوية مثل التسونامي والانهيالات الأرضية والحريقات، وتكشف عن هذه الأحداث الزلزالية بدقة، مع معلومات دقيقة عن التوقيت والموقع والحجم، وما زالت تشكل تحدياً رئيسياً في علم الزلازل لأكثر من قرن، وفي حين أن خطوات كبيرة قد تحققت في رصد الزلازل وتحليل البيانات، والتنب المبكر،

فيزياء الأرض المعقدة

وتنشأ الزلازل عندما تتعدى الطاقة المتراكمة في قشرة الأرض القوة الاحتكاكية التي تحمل خطأ ما، مما يتسبب في تمزق مفاجئ في الطاقة وإطلاقها، وتنطوي عملية التمزق هذه على ظواهر بدنية غير خطية وثابتة، بما في ذلك إعادة توزيع الإجهاد، وتغيرات الضغط المفاجئة داخل المناطق المعطلة، وممتلكات الصخور المتغيرة، مما يجعل التنبؤات المتأصلة بالزلية أمرا صعبا.

ويُعتقد أن بدء التمزق يتوقف على التغيرات الخفية وغير القابلة للكشف في الإجهاد المحلي وممتلكات الصخور بعمق، لأن الأخطاء تعمل عند حافة الفشل، بل إن الاضطرابات التي تحدث في دقيقة يمكن أن تؤدي إلى زلزال كبير، ولكن هذه الاضطرابات مخفية بالفعل عن المراقبة المباشرة، وبالإضافة إلى ذلك، فإن السلوك الفوضوي للشبكات الخاطئة يعني أن الاختلافات الصغيرة جدا في الظروف الأولية يمكن أن تؤدي إلى نتائج ساوثة مختلفة تماما، وهو مفهوم يتذكر قرون.

التكترونيات والتصنيع الافتراضي

وتوفر نظرية التكتون الحديثة للطبقات إطارا واسعا لتحديد المناطق المعرضة للزلازل الكبيرة، وتركز الزلازل الكبرى على طول حدود الصفائح، بما في ذلك المناطق الفرعية )حيث تغطس صفيحة واحدة أسفل أخرى(، وتتحول الأخطاء )حيث تنزلق الصفائح بعضها البعض(، ومناطق الاصطدام القارية، مثلا، فإن " حريق النار " المحيط الهادئ هو نقطة ساخنة من النشاط الاهتزازي بسبب العديد من مناطق الاقتصاد.

وتنتج منظمات مثل U.S. Geological Survey (USGS) خرائط مخاطر زلزالية توضح احتمال هز الأرض على مدى فترات طويلة (من 30 إلى 50 سنة على نحو ما) وهذه الخرائط المحتملة أساسية للتخطيط الحضري، ومدونات البناء، والتأمين، ولكنها لا تقدم توقعات محددة بشأن متى أو أين تحدث الزلازل.

:: وصف مفصل للأخطاء الفردية - بما في ذلك قياس معدلات الانزلاق، والفترات المتكررة، وتقييمات المخاطر التي تنجم عن التجزؤ - زيادة على الشرائح، مثلاً، دراسات التشحيم التي تُعدّل في أخطاء تاريخية سابقة، غير أن الشكوك لا تزال قائمة فيما يتعلق بالتوقيت الدقيق لتمزقات المستقبل لأن السلوك يمكن أن يكون غير منتظم وأن تتأثر بالتفاعلات المعقدة مع الجيران.

التطورات الأخيرة في علم الاهتزاز

وفي العقدين الماضيين، استحدث علماء السيزميات تكنولوجيات وأساليب جديدة توفر معلومات محدودة ولكنها قيمة عن التنبؤ بالزلازل، وتركز هذه التطورات على ثلاثة مجالات رئيسية هي: تعزيز شبكات الرصد، ونظم الإنذار المبكر بالزلازل، والبحث عن سلائف مادية أو إحصائية في أحداث سيزمية.

شبكات الزلازل ذات الحساسية العالية والبيانات المتعلقة بالتوقيت الحقيقي

وتستضيف الآن مناطق نشطة زلزالية مثل اليابان وكاليفورنيا ونيوزيلندا صفائف سيزمية كثيفة تتألف من آلاف الأدوات الحساسة القادرة على كشف الميكروبات، التي تقل في كثير من الأحيان عن 3، وكانت هذه الميكرويكات غير قابلة للكشف سابقا ولكنها حاسمة في فهم ديناميات الأخطاء وتغيرات الإجهاد، وعلى سبيل المثال، فإن الشبكة العشرية لكاليفورنيا الجنوبية للزمالات تكشف عن آلاف الأحداث السيزمية.

ويمكن لتحليل التغيرات في سرعة موجات السيزمية في هذه الشبكات أن يكشف عن تغيرات طفيفة في القشرة، مثل التسرب أو الهجرة السائلة على طول الأخطاء، التي تسبق أحيانا حدوث زلازل أكبر، ومع أنها واعدة، فإن هذه الإشارات لم تولد بعد سلائف زلازل موثوقة عالميا، وذلك جزئيا بسبب التباين الطبيعي والضوضاء في البيانات.

نظم الإنذار المبكر بالزلزال

وقد برزت نظم الإنذار المبكر بالزلزال كتقنية عملية وإنقاذ للحياة، وإن لم تكن تتوقّع حدوث زلازل قبل ذلك، بل إن نظم الإنذار المبكر بالزلازل تكتشف بسرعة موجات أولية أقل تدميراً من الموجات الأولية التي تولدها الزلازل وترسل إنذارات قبل وصول موجات ثانوية أكثر تضرراً، وهذا الإشعار المتقدم الذي يمتد من بضع ثوان إلى عشرات من الثوانيات.

  • ومن الأمثلة على ذلك تنبيه " شكا ألرت " في الولايات المتحدة، الذي بدأ عمله منذ عام 2019، ويغطي كاليفورنيا وأوريغون وواشنطن.
  • ونظام الوكالة اليابانية للأرصاد الجوية، الذي كان قائما منذ أوائل العقد الأول من القرن الماضي، يوفر إنذارات على الصعيد الوطني ويدمج في الهياكل الأساسية العامة.
  • نظام المكسيك الخاص ب " SASMEX " ، الذي يوفر إنذارات مبكرة لكبار سكان المدن في مكسيكو ومناطق أخرى.

ويمكن لنظم EEW أن توقف تلقائياً القطارات، وفتح أبواب المصعد، وأن ترسل تنبيهات هاتفية ذكية، مما يقلل كثيراً من الإصابات والخسائر الاقتصادية أثناء الزلازل، وفي حين أن EEW هي خطوة رئيسية إلى الأمام في مجال التخفيف من مخاطر الزلازل، فإن ذلك يختلف اختلافاً جوهرياً عن التنبؤ بالزلازل، حيث يتطلب حدوث زلزال.

البحث في السلائف المادية

وقد استطلع العلماء مجموعة متنوعة من الظواهر المادية التي قد تكون سلائف للزلازل الكبيرة، وتشمل هذه الظواهر التقلبات في مستويات المياه الجوفية، وإطلاق غاز الرادون، والأورام الكهرومغنطيسية، وحتى السلوك الحيواني غير العادي، والافتراض الأساسي هو أن الإجهاد الشديد والتكرار الجزئي اللذين ينتجان إشارات قابلة للقياس.

فعلى سبيل المثال، تُحاكي التجارب المختبرية فشل الصخور وتُظهر أن التعقب الدقيق يمكن أن يولد إشارات كهربائية أو غازات إطلاق محصورة في أماكن للزراعة.() وقد حددت الدراسات الميدانية، مثل التحقيق في زلزال توهوكو ، انخفاضاً طفيفاً في سرعة الزلازل قبل حلول العمود الفقري، مما يشير إلى تآكل المنطقة أو حركة السوائل.

غير أن هذه السلائف المحتملة محجوبة بمصادر عديدة من الضوضاء البيئية، بما في ذلك التغيرات في الضغط الجوي، وطول المحيطات، والنشاط البشري، وعدم وجود إشارات متسقة ومكررة عبر الزلازل والمناطق المختلفة يحد من استخدامها عمليا في التنبؤ.

حدود أساليب الافتراض الحالية

وعلى الرغم من البحوث التي أجريت على مدى عقود من الزمن والنجاحات المتعددة المبلغ عنها، لم تستوف بعد طريقة التنبؤ بالزلازل المعايير العلمية الدقيقة المطلوبة للتنبؤات الروتينية الموثوقة، وتنشأ القيود عن الطبيعة الجوهرية للزلازل والقيود العملية في مجالي المراقبة والاتصال.

عدم وجود أجهزة تصفية وأجهزة تطهير

ولكي يكون سلائف الزلازل مفيداً، يجب أن تحدث باستمرار قبل وقوع زلازل كبيرة وأن يكون لديها معدل منخفض من الإنذارات الكاذبة، وحتى الآن، لا تستوفي أي بارامتر واحد يمكن رصده هذه المعايير على الصعيد العالمي أو حتى على الصعيد الإقليمي، وتؤكد استعراضات منظمات مثل مؤسسات البحوث المشتركة لعلم الاهتزاز (IRIS) أن معظم السلائف المزعومة ليست لها أهمية إحصائية إلا في ضوء أو.

وكثيرا ما يُذكر زلزال هايشنج في الصين في عام 1975 كمثال نادر على التنبؤ الناجح القصير الأجل، استنادا إلى نشاط الصخرة وسلوك حيواني غير عادي، غير أن هاتشنغ لا يزال أفقا؛ وزلزال تانغشان في عام 1976، الذي تسبب في خسائر فادحة، حدث دون أي إنذار، وقد فشلت محاولات أخرى كثيرة لإصدار توقعات أو أسفرت عن حدوث انذارات كاذبة، مما يبرز صعوبة التنبؤ باختصار قصير الأجل.

The Chaos of Fault Systems

إن ديناميات تمزق الكواكب الأرضية تظهر سمات للنظم الفوضوية، مما يعني أن التنبؤ الطويل الأجل على وجه الدقة مستحيل نظرياً خارج الأفق المحدد، فمفهوم " الأهمية الذاتية التنظيم " يصف نظم الخطأ بأنها قريبة دائماً من دولة حرجة، حيث يمكن أن تؤدي الاضطرابات الطفيفة إلى أحداث كبيرة لا يمكن التنبؤ بها، وهذا الوضع مماثل لمفهوم الرمل الذي يمكن أن يؤدي أحياناً إلى نشوء حبة واحدة ضخمة.

ونظراً إلى عدم القدرة على التنبؤ بهذه الصفة، فإن التنبؤات المحددة التي تحدد التوقيت الدقيق والموقع وأيام أو أسابيع الحجم سلفاً تعتبر على نطاق واسع غير قابلة للاستمرار بفهم علمي وتكنولوجيا علميين حاليين.

التحديات الأخلاقية والاجتماعية

وحتى إذا أظهرت أساليب التنبؤ بعض المهارات، فإن إصدار إنذارات الزلازل العامة يثير تحديات أخلاقية واجتماعية عميقة، وقد تسبب الإنذارات الفارغة في الذعر، والاضطرابات الاقتصادية، وفقدان ثقة الجمهور في السلطات، وعلى العكس من ذلك، فإن التنبؤات المفقودة يمكن أن تؤدي إلى اتهامات بالإهمال والمسؤولية القانونية.

ولهذه الأسباب، تعطي معظم الوكالات السيزمية الأولوية لتقييمات المخاطر المحتملة الطويلة الأجل ونظم الإنذار المبكر على التنبؤات المحددة القصيرة الأجل، وتقول مجموعة الوسائين صراحة إنها لا تتوقع أبداً حدوث زلزال كبير ولا أي مؤسسة علمية أخرى، وتدعو إلى الإبلاغ عن الاحتمالات بدلاً من التيقن.

دور التعلم في مجال زلزال الأرض

وتتيح عمليات الانجاز الأخيرة في مجال التعلم الآلاتي والاستخبارات الاصطناعية سبلا جديدة لتحليل البيانات السيزمية وربما تحسين التنبؤ بالزلازل.

الاعتراف بالبضات السيزمية

وقد تم تدريب الشبكات العصبية المتقدمة، بما في ذلك الهياكل الملتوية والمتكررة، على كشف تسلسلات الصخور، والإشارات السيزمية الخفية، والتغييرات الموجية الخفية التي تسبق الطوق الرئيسية، وقد استخدمت دراسة بارزة قام بها الباحثون في ستانفورد وغوغل تعلما عميقا من حجم الهزات الأرضية الملوحة في كاليفورنيا في عام ٢٠١٩، حيث كشفت أن الأصداف تتضمن معلومات متوقعة عن الحجم الكبير القادم.

غير أن نماذج التعلم الآلات كثيرا ما تكافح من أجل التعميم خارج المناطق المحددة ومجموعات البيانات التي تم تدريبها عليها، مما يؤدي إلى زيادة في الملاءمة، وتتناقص مهاراتها التنبؤية عند تطبيقها على مختلف البيئات التي تكتونية أو الفترات الزمنية، مما يحد من فائدتها التشغيلية الحالية.

نماذج تكامل البيانات والتنبؤ بها

وقد أظهرت شبكات الظواهر العصبية التي تتضمن قوانين معروفة من تراكم الضلالات، والاحتكاك، ونقل الإجهاد، وعوداً بإعادة ظهور السلوك المعقد، وذلك من خلال إدماج مختلف البيانات الجيوفيزيائية - الملوحة - السيزمية، وقياسات النظام الجيوديسي، والملاحظات الجيوكيميائية، والقابلية الهيدرولوجي للبيانات، والقابلات الهيدرولوجيولوجية.

ومع ذلك، يظل التحدي الأساسي قائما: فالزلازل الكبيرة نادرة، حيث لم تسجل سوى بضعة أحداث هامة في كل قرن في أي منطقة معينة، وهذا النقص في البيانات التدريبية يجعل من الصعب التمييز بين الأنماط التنبؤية الحقيقية والترابطات المتزامنة.() وقد أبرزت المادة المتعلقة بالتنبؤ بالزلازل () أنه في حين أن تقنيات الحد الأدنى من الكوارث تحسن التنبؤات بالزلازل القصيرة الأجل، فإن توسيع هذه الأساليب يتطلب تنبؤات.

الاتجاهات المستقبلية في علم الكائنات الحية

ونظرا للتعقيد المتأصل للزلازل وعدم إمكانية التنبؤ بها، يعتمد مستقبل التنبؤ بالزلازل على نُهج متعددة التخصصات تصقل النماذج المحتملة، وتوسّع البنية التحتية للمراقبة، وتعميق البحوث الأساسية.

تعزيز رصد الهياكل الأساسية

وتزداد شبكات الاستشعار الكثيفة على الأرض وتحت قاع المحيط أهمية حاسمة في استخلاص إشارات زلزالية خفيفة وحدثات بطيئة الشحوم مرتبطة بالزلازل الكبيرة. وكانت المراصد التي كانت تُرصد في اليابان، مثل منطقة S-Net، ومرصدات الولايات المتحدة

وتوفر أدوات إضافية مثل أجهزة قياس الثقوب المغلقة وقياس ضغط المياه الجوفية درجة عالية من الحساسية من خلال قياس التشوهات القشرية وتغيرات السوائل في العمق، واستكمالاً للسيزم السطحي، وتتمثل الرؤية في نشر شبكات رصد مكثفة وواقعية تباعد مقياس مقياس مقياس مقياس دون مقياس في المناطق الحرجة، وهو ما يماثل شبكات الرادار الكثيفة المستخدمة في التنبؤ بالطقس.

عمليات البحث والاختبار المختبرية المتعددة التخصصات

وتحفز الدراسات المختبرية التجريبية التي تستخدم عينات من الجانط أو غيرها من العينات الصخرية في ظروف الإجهاد المتحكم بها عمليات التعقب والزللة التي تؤدي إلى التمزق، وتوفر هذه التجارب نظرة ثاقبة على قوانين الاحتكاك الخاطئ وتسلسل الأحداث السابقة للفشل، ورغم أن رفع هذه النتائج المختبرية إلى عيوب طبيعية تمتد على الكيلومترات، فإن النماذج الفيزيائية التي تتضمن قوانين الاحتكاك بالمعدلات والولاة آخذة في التطور المتزايد.

A Nature article on laboratoryزل prediction] demonstrated that machine learning can predict laboratory ti timing and magnitude with high accuracy, offering a controlled environment to test and refine predicting algorithms before applying them to field data.

Probabilistic Operational Earthquake Forecasting

وبدلا من التركيز على التنبؤات الثنائية، تصدر وكالات عديدة الآن توقعات للزلازل التشغيلية التي تبلغ احتمالات وقوع الزلازل المدمرة في إطار نوافذ زمنية محددة تتراوح بين ساعات وأسابيع، وعلى سبيل المثال، فإن توقعات التي وضعها فريق الخبراء الحكومي الدولي المعني بسواتل الملاحة فيما يتعلق بالظواهر الجوية اللاحقة للطبيعة، التي تستكمل في الوقت الحقيقي.

إن التوسع في التنبؤات الاحتمالية لتغطية الطهاة الرئيسية من خلال إدراج عوامل مثل الإجهاد، والظواهر البطيئة التي تصيب الاضطرابات، والخطر المفاجئ، هو مجال نشط من مجالات البحث، بل إن المهارات المتواضعة في التنبؤات الاحتمالية يمكن أن تيسر جهود التأهب المستهدفة، مثل تحديد أولويات عمليات التفتيش على الهياكل الأساسية الحيوية، وتعزيز الاستعداد للاستجابة لحالات الطوارئ، أو تفعيل خطط الإجلاء الطوعي.

خاتمة

ولا يزال التنبؤ بزلزال الأرض أحد أكثر التحديات التي يمكن أن تواجه علم الأرض، ومع ذلك، فإن الفيزياء الفوضى لتمزق العيوب، وظهور أحداث كبيرة، وصعوبة عزل السلائف الموثوقة من الضوضاء الخلفية تفرض قيودا أساسية على التنبؤات المحددة، ومع ذلك، فإن التقدم المحرز في رصد الزلازل، ونظم الإنذار المبكر، والتعلم الآلي، والبحوث المتعددة التخصصات قد انتقلت إلى الميدان من التحليل التفاعلي إلى مجرد النظر.

فبدلا من السعي إلى تحقيق تنبؤ واحد ب " الرصاصة الفوضوية " ، يكمن مستقبل علم الزلازل في تحسين النماذج المحتملة، وتوسيع شبكات الاستشعار الكثيفة، وتعبئة الاستخبارات الاصطناعية، وتعميق فهم ميكانيكيي الأخطاء من خلال الدراسات المختبرية والميدانية، وتزيد هذه الجهود مجتمعة من قدرة المجتمع على مواجهة المخاطر السيزمية من خلال التمكين من وضع استراتيجيات أكثر فعالية للتأهب والإنذار المبكر والتخفيف من المخاطر.