مقدمة إلى تنبؤات الأرض

وتأتي هذه الكوارث الطبيعية الأكثر تدميراً، التي يمكن أن تُطمس مدن بأكملها وتُحدث مخاطر ثانوية مثل التسونامي والانهيالات الأرضية والحريقات، وتُكشف عن هذه الأحداث الزلزالية بدقة، مع وجود 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 وقيود التنبؤ في الآونة الأخيرة.

فيزياء الأرض المعقدة

وتنشأ الزلازل عندما تتعدى الطاقة المتراكمة في قشرة الأرض على القوة الاحتكاكية التي تلحق ضرراً، مما يتسبب في تمزق مفاجئ في الطاقة وإطلاقها، وتنطوي هذه العملية على ظواهر بدنية غير خطية وثابتة، بما في ذلك إعادة توزيع الإجهاد، وتغيرات الضغط المفاجئة داخل المناطق المعطلة، وممتلكات الصخور المتغيرة، مما يولد تعقيداً هائلاً يجعل التنبؤ الدقيق بالزل.

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 تحدث نتائج ساوثة مختلفة إلى حد كبير، وهو مفهوم يتذكر قرون.

التكترونيات والتجهيزات الافتراضية

وتوفر نظرية التكتون الحديثة للطبقات إطارا واسعا لتحديد المناطق المعرضة للزلازل الكبيرة، إذ تركز 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، على سبيل المثال، فإن " حريق النار " المحيط الهادئ هو نقطة ساخنة من النشاط الاهتزازي بسبب العديد من مناطق الاقتصاد.

وتُنتج منظمات مثل U.S. Geological Survey (USGS) خرائط مخاطر زلزالية تبين 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 الشر، مثلاً، دراسات التشحيم التي تُعدّل في أخطاء تاريخ التمزق الماضي، غير أن الشكوك لا تزال قائمة فيما يتعلق بالتوقيت الدقيق للالتمزقات المقبلة لأن السلوك يمكن أن يكون غير منتظم وأن يتأثر بالتفاعلات المعقدة مع الجيران.

التطورات الأخيرة في علم الاهتزاز

وفي العقدين الماضيين، استحدث علماء الاهتزازات 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 اكتشاف الميكرويكات، 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 للزميات تكشف عن وجود آلاف من 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، وفي حين أن هذه الإشارات واعدة، فإنها لم تولد بعد سلائف زلازل موثوقة عالميا، وذلك جزئيا بسبب التباين الطبيعي والضوضاء في البيانات.

نظم الإنذار المبكر بالزلازل

وقد برزت نظم الإنذار المبكر بالزلازل كتقنية عملية وإنقاذ للحياة، وإن لم تكن تتوقّع حدوث زلازل في وقت مبكر، 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، وتستغرق هذه الإشعارات المتقدمة من بضع ثوان إلى عشرات من الثوانيات.

  • ومن الأمثلة على ذلك تنبيه " شكا ألير " في الولايات المتحدة، الذي بدأ عمله منذ عام 2019، ويغطي كاليفورنيا وأوريجون وواشنطن.
  • إن نظام 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 الحضر في مكسيكو سيتي ومناطق أخرى.

ويمكن لنظم EEW أن توقف تلقائياً القطارات، وفتح أبواب المصعد، وترسل 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 هذا الوضع يختلف اختلافاً جوهرياً عن التنبؤ بالزلازل، حيث أنه 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، بل والسلوك الحيواني غير العادي، والافتراض الأساسي هو أن الإجهاد الشديد وتكاثر الجراثيم الذي ينتج عنه تمزق الرادفات إشارات قابلة للقياس.

فعلى سبيل المثال، تُحاكي التجارب المختبرية إخفاقات الصخور وتُظهر أن التعقب الدقيق يمكن أن يولد إشارات كهربائية أو غازات إطلاق محاصرة في أماكن للزراعة.() وقد حددت الدراسات الميدانية، مثل التحقيق في زلزال توهوكو ، انخفاضاً طفيفاً في سرعة الزلازل السيزمية قبل ظهور الكوك، مما يوحي بانخفاض المنطقة أو حركة السوائل.

غير أن هذه السلائف المحتملة تُثبطها مصادر عديدة للضوضاء البيئية، بما في ذلك تغيرات الضغط الجوي، وتوابع المحيطات، والنشاط الإنساني، 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، والنجاحات المتعددة التي أُبلغ عنها، لم تستوف بعد أي طريقة للتنبؤ بالزلازل المعايير العلمية الدقيقة اللازمة للتنبؤات الروتينية الموثوقة، وتنشأ القيود عن الطابع المتأصل 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 يفي أي بارامتر واحد يمكن رصده بهذه المعايير على الصعيد العالمي أو حتى على الصعيد الإقليمي، وتؤكد استعراضات منظمات مثل مؤسسات البحوث المشتركة لعلم الاهتزاز (IRIS) أن معظم السلائف المزعومة ليست واضحة إلا في ضوء أو.

وكثيرا ما يُشار إلى زلزال هايشنج في الصين في عام 1975 كمثال نادر على التنبؤ الناجح القصير الأجل، على أساس نشاط الصخر وسلوك حيواني غير عادي، غير أن هاتشنغ لا يزال أفقا؛ وزلزال تانجشان في عام 1976، الذي تسبب في وقوع خسائر فادحة، قد حدث دون أي إنذار، كما أن العديد من المحاولات الأخرى لإصدار توقعات قد أخفقت أو أسفرت عن حدوث انذارات كاذبة، مما يبرز صعوبة التنبؤ بالتنبؤات قصيرة 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 إلى ما يتجاوز آفاقاً معينة، فمفهوم " الأهمية الذاتية التنظيم " يصف نظماً خاطئة 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 حبوب واحد.

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 للتنبؤ بالفهم العلمي والتكنولوجيا الحاليين.

التحديات الأخلاقية والاجتماعية

وحتى إذا أظهرت أساليب التنبؤ بعض المهارات، فإن إصدار إنذارات بالزلازل العامة يثير تحديات أخلاقية واجتماعية عميقة، وقد تسبب الإنذارات الفادحة 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، والإشارة السيزمية الخفية، والتغيرات الموجية الخفية التي تسبق الطوق الرئيسية، وقد استخدمت دراسة بارزة قام بها الباحثون في ستانفورد وغوغل تعلما عميقا في موجات من سلسلة زلزال ريدجكرست لعام ٢٠١٩ في كاليفورنيا، مكتشفة أن الأزوكس تحتوي على معلومات تنبؤية عن الحجم الرئيسي القادم.

غير أن نماذج التعلم الآلات هذه 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 برهنت الشبكات العصبية التي تُستنير بها في مجال الفيزياء الأرضية، وقياسات النظام الجيوديسي، والملاحظات الجيوكيميائية، والقابلات الهيدرولوجية للبيانات، على الوعود بإعادة ظهور السلوك المعقد، على أن تُعد شبكات فيزياء - مُستنَرَفة - تتضمن قوانين معروفة من تراكم الإجهاد، والاحتكاك، ونقل الإجهاد.

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

الاتجاهات المستقبلية في مجال 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 مضبوطة ومناسبات بطيئة الشحوم المرتبطة بالزلازل الكبيرة. وكانت المرصدات البحرية، مثل منطقة اليابان S-Net، ومرصدات النقل الجوي الأمريكي

كما أن أدوات إضافية مثل مقاييس الثقوب ومقاييس ضغط المياه الجوفية توفر درجة عالية من الحساسية من خلال قياس التشوهات القشرية وتغيرات السوائل في العمق، مكملة للسيزم السطحي، وتتمثل الرؤية في نشر شبكات رصد مكثفة وحقيقية مع المباعدة بين مقياسين في المناطق الحرجة، وهو ما يماثل شبكات الرادار الكثيفة المستخدمة في التنبؤ بالطقس.

عمليات البحث والاختبار المختبرية المتعددة التخصصات

ودراسات المختبرات التجريبية التي تستخدم عينات من الغرانيت أو غيرها من العينات الصخرية في ظروف الإجهاد المتحكم بها تحفز عمليات التعقب والزللة التي تؤدي إلى التمزق، وتوفر هذه التجارب نظرة ثاقبة على قوانين الاحتكاك الخاطئ وتسلسل الأحداث التي تسبق الفشل، وبالرغم من أن رفع هذه النتائج المختبرية إلى عيوب طبيعية تمتد إلى الكيلومترات، فإن النماذج الفيزيائية التي تتضمن قوانين الاحتكاك بالمعدلات والدولة 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 زلزال مدمرة في إطار نوافذ زمنية محددة تتراوح بين ساعات وأسابيع، وعلى سبيل المثال، فإن توقعات ] التي وضعها فريق الخبراء الحكومي الدولي المعني بالزلازل في أعقاب الكوارث: 1] بالنسبة للزلازل التي تُستخدم فيها نموذج تواتر الأوبئة الذي يستكمل الوقت الحقيقي.

إن التوسع في التنبؤات الاحتمالية لتغطية الطهاة الرئيسية من خلال إدراج عوامل مثل الإجهاد، والظواهر البطيئة التي تصيب الاضطرابات، وزحف الذنب، 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 في حالات الطوارئ، أو تفعيل خطط الإجلاء الطوعي.

خاتمة

ولا يزال التنبؤ بزلزال الأرض من أكثر التحديات شيوعا في علم الأرض، ومع ذلك، فإن الفيزياء الفوضوية لتمزق العيوب، وظهور أحداث كبيرة، وصعوبة عزل السلائف الموثوقة من الضوضاء الخلفية تفرض قيودا أساسية على التنبؤات المحددة، ومع ذلك، فإن التقدم في رصد الزلازل، ونظم الإنذار المبكر، والتعلم الآلي، والبحوث المتعددة التخصصات قد انتقلت إلى الميدان من تحليل تفاعلي إلى مجرد نظر محدود.

فبدلا من السعي إلى تحقيق تنبؤ " رصاصة ضارية " واحدة، يكمن مستقبل علم الزلازل في صقل النماذج الاحتمالية، 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.