رصد ودراسة قبو سان أندرياس: التقدم التكنولوجي في علم الاهتزاز

نظام سان أندرياس للدفن: مختبر طبيعي مستمر

إن تخلف سان أندرياس هو من بين أكثر الهياكل الجيولوجية دراسة في جميع أنحاء العالم بسبب خطورة الزلازل الهائلة وسلوكه التكتوني المعقد، حيث يمتد هذا الخط الفاصل إلى 300 1 كيلومتر عبر كاليفورنيا، ويدل على وجود خطى مركب بين لوحات التكتون في المحيط الهادئ وأمريكا الشمالية، وقد كان مسؤولا عن عدة زلزال مدمر في تاريخ الولايات المتحدة، بما في ذلك الزلزال المسمى 1906 سان فرانسيسكو وحدث المستمر في عام 1989.

ويتطلب دراسة هذا النظام المعطل اتباع نهج متعدد التخصصات ومتكامل يجمع بين الرصد السيزمي الكثيف، والقياسات الجيوديسية، وملاحظات الثقوب، والنموذج المحوسب المتقدم، وترتفع المخاطر بشكل استثنائي: وتقدر الدراسة الاستقصائية الجيولوجية للولايات المتحدة أن احتمال حدوث زلزال قدره 7.8 زلزال على جنوب ميكانيكي سان أندرياس قد يؤدي إلى ما يزيد على 800 1 وفاة، و 000 50 إصابة، وتعويضات عن الأضرار الاقتصادية التي تتجاوز الهياكل الأساسية المتطورة.

شبكات رصد الزلازل: مؤسسة علوم الزلزال

مركب متحرك

وفي صميم رصد الزلازل، توزع شبكات الزلازل الواسعة النطاق في جميع أنحاء كاليفورنيا، وتتألف من ظواهر سيزمومية ذات نطاق واسع وحركة قوية، و] شبكة الكزاز في جنوب كاليفورنيا (SCSN)، التي تشترك في تشغيلها مجموعة الوصل وكالتك، وتشمل مئات الأدوات التي تسجل باستمرار الحركة الأرضية في الوقت الحقيقي، وهذه الحساسات قادرة على اكتشاف حالات الزلازل التي تصيب بحجم 0.5

إن ظواهر الزلازل ذات النطاق العريض قيمة خاصة لأنها تسجل حركة أرضية عبر طيف واسع النطاق - من التمزق البطيء، الذي قد يسب الزلازل إلى الهزات العنيفة أثناء التمزقات الزلزالية الكبيرة، وقد مكّنت التطورات التكنولوجية الأخيرة من نشر صفائف من الزلازل ذات الكثافة العالية باستخدام أجهزة التهوية المتحركة، التي تعتبر أدوات محمولة وغير مصقولة يمكن فهمها بشكل كبير لدراسات الثورة التقليدية.

فعلى سبيل المثال، خلال تسلسل زلزال عام 2019، سجلت مجموعة مؤقتة كثيفة المعالم الصخرية، والوشوك، والعقبات التي لم يسبق لها مثيل، وكشفت هذه البيانات عن تفاعلات معقدة بين قطاعات متعددة من العيوب، وعمليات نقل الإجهاد المضللة، وقدمت معلومات عن ديناميات تمزق العيوب التي تحد من نماذج مبسطة لسلوك الزلازل.

استمرارية بيانات التسلسل الحقيقي

وترتبط الأدوات السيزمية الحديثة عبر شبكات النطاق العريض والزنزانات بمراكز التجهيز المركزية في مؤسسات مثل وكالة USGS، وكالتك، وشركة UC Berkeley، مما يتيح استمرار التدفق في الوقت الحقيقي الكشف الآلي السريع للزلازل وموقعها في غضون ثوان من حدوثها، وهذه التجهيزات التي تقارب الظروف تشكل أساس نظم الإنذار المبكر بالزلازل، مما يوفر ثوان حرجة لعشرات من ثوان من التنبيه قبل أن تصل إلى الهزلاجات.

وبالإضافة إلى حالات التنبيه، فإن هذه البيانات في الوقت الحقيقي محتفظة لبناء فهرس زلزالي طويل الأجل واسع النطاق لا غنى عنه للبحوث، وهذه الفهرسات تتيح للعلماء تتبع التغيرات في معدلات الزلازل، وتحديد أنماط الصعود والثديات، واختبار نماذج التنبؤ بالزلازل، التي تسهم جميعها في تعميق فهم سلوك النظام الخاطئ على مر الزمن.

قياسات الجيوديسية: تعقّب التشهير السطحي للأرض

الشبكة العالمية لسواتل الملاحة وشبكة النظم العالمية لسواتل الملاحة

وقد حولت قدرة النظام العالمي لتحديد المواقع (GPS) وتكنولوجيات النظام العالمي لسواتل الملاحة (GNSS) على قياس التشوهات القشرية بدقة على نطاق مليمتر، كما أن محطات النظام العالمي لتحديد المواقع الموجودة عبر نظام " سان أندرياس " (GNSS) تقوم باستمرار بتسجيل المواقع الأرضية ونقل البيانات في الوقت الحقيقي، كما أن شبكات مثل [(FLT:0]) (التتبع المكثف) التابعة لإدارة النقل التدريجي

والحركة النسبية بين لوحات المحيط الهادئ وخط أمريكا الشمالية على طول قبو سان أندرياس تؤدي إلى معدلات زلق تتراوح عادة بين 30 و 50 ميليميتر في السنة، وتكشف بيانات النظام العالمي لتحديد المواقع عن كيفية تقسيم هذا الاقتراح إلى أجزاء مختلفة من العيوب، تميز الأجزاء المخيفة التي تُطلق ببطء من الرطوبة المكتظة من الأجزاء المقفلة التي تراكمت على النسيج المكبوت لتمزق في الزلازل المقبلة.

فعلى سبيل المثال، يظهر الجزء المتعلق بمتنزه باركفيلد زاحفاً ثابتاً من الهزات، وهو ما يشكل آلية طبيعية لإطلاق السراح، مما يقلل من إمكانية حدوث زلزال كبير في تلك المنطقة، وعلى النقيض من ذلك، فإن الأجزاء الجنوبية والشمالية من الغلطة مقفلة، وتتراكم الإجهاد على مدى عقود أو قرون قبل إطلاقها في أحداث سيزمية كبرى، مما يجعل من النقص في التقلبات - الفرق بين حركة الطبقات والزلبة الفعلية، أمراً حاسماً في تقدير المخاطرة.

InSAR: Satellite-Based Deformation Mapping

(الرادار) المُتطوّر المُتطوّر عبر الساتل (إنسار) يمثل تقنية إستشعار عن بعد مُكبّرة تُكمّل بيانات نظام تحديد المواقع الأرضية من خلال توفير قياسات مستمرة مكانياً لتشوهات سطح الأرض، وسواتل مثل جهاز الاستشعار عن بعد التابع لوكالة الفضاء الأوروبية وبعثة ناسا القادمة تُصوّر على سطح الأرض باستخدام إشارات رادارية، عن طريق مقارنة الاختلافات في مراحل التشريد

لقد كانت قدرة (إن سار) على رسم خرائط لتشوهات جميع المناطق المعطلة في الوقت الحقيقي تقريباً قد حققت تقدماً هائلاً في علم الزلازل، خلال الزلازل التي وقعت في عام 2019، كشفت بيانات (إنسار) ليس فقط عن منطقة التمزق الأولي، بل أيضاً عن زلزال ثانوي، وتسببت في زلزال على أخطاء متاخمة، وتشوهات في الزلازلية ما زالت مستمرة منذ أشهر بعد الطوق.

(د) الرصد المستمر لنظام تقصير سان أندرياس يوفر طلقات متكررة من أنماط التشوه، مما يساعد على تحديد القطاعات التي قد تتراكم إخفاقات في الفشل، وتدمج هذه البيانات بصورة متزايدة مع النظام العالمي لتحديد المواقع والبيانات السيزمية من أجل بناء نماذج شاملة من الميكانيكيين ودورات الزلازل.

المرصدان: المرصدان الفرعيان للثقة والداخليان:

في حين توفر الأدوات السطحية قياسات غير مباشرة لسلوك الخطأ، توفر مراصد الثقوب إمكانية فريدة للوصول إلى الظروف المادية والكيميائية في منطقة الخطأ في الأعماق السيزمية.

وكشفت نتائج هذه الدراسة عن أن المنطقة المعطلة قد تعرضت لكسر شديد وارتطمت بسبب السوائل التي ترتفع فيها الضغوط، والظروف التي تيسر عمليات زحف الزلازل والتأثير عليها، وقد تحدت هذه الملاحظات المباشرة من الافتراضات التقليدية بشأن قوة العطلات والاحتكاك، مع التأكيد على أهمية السوائل والاختلاف في الصخور في ديناميات الزلازل.

بناء على نجاح القوات المسلحة السودانية، يتم تطوير مرصدات حفر عميقة جديدة في إطار مبادرات مثل مرصد المنطقة الفرعية التابع للمؤسسة الوطنية للعلوم من أجل الديناميات والتشوهات، وتهدف هذه المنشآت إلى نشر صفائف من أجهزة الاستشعار في الأعماق ممثلة لمناطق التنظيف الزلازل على طول مختلف الأخطاء الرئيسية، بما في ذلك زلزال سان أندرياس،

تحليل البيانات والنمذجة والتطورات الحاسوبية

محاكاة فيزياء أرضية مأهولة

إنّ الكميات الهائلة من البيانات السيزمية والجيوديسية التي تم جمعها تتطلّب أدوات حاسوبية متطورة لاستخراج بؤر ذات مغزى، منابر محاكاة الزلازل التي تستند إلى الفيزياء، مثل مركز كاليفورنيا الجنوبي للزلزال، ] CyberShake، يدمج نماذج مفصّلة للسرعات، وكميات زلية، وبيانات حساسية

وتُسترشد نتائج هذه المحاكاة في تطبيقات عملية متعددة، منها وضع مدونات للبناء مقاومة للزلازل، وتخطيط الاستجابة لحالات الطوارئ، وتقييم مخاطر التأمين، ومن خلال وضع سيناريوهات واقعية للهز البري، تساعد هذه النماذج المجتمعات على الاستعداد بشكل أفضل للمخاطر السيزمية.

وفي الطرف المشرق، هناك نماذج دينامية لتمزقات في جميع مراحل عملية تمزق الزلازل من النواة إلى نشر قوانين الاحتكاك المستخرجة من المختبرات والاعتقالات، وتوزيع الإجهاد المتناثر، وممتلكات المناطق المسببة للخطأ، ومن خلال التحقق من هذه النماذج ضد أحداث زلازل موثقة جيدا، يكتسب العلماء نظرة على حجم الزلازل، وسرعة التمزق، والتداخل بين التكرار، والسلاسل المحتملة.

تعليم الآلات في علم الكائنات الحية

وقد أدى التعلم في مجال الآلات إلى إحداث ثورة سريعة في تحليل البيانات السيزمية من خلال التلقائية وتعزيز الكشف عن الظواهر السيزمية وتحديد خصائصها، وقد أصبحت الخوارزميات المتقدمة مثل الشبكات العصبية الثورية الملتوية (CNNs) قادرة الآن على تحديد واختيار مراحل الزلازلية ذات الدقة مقارنة بمحللي الخبراء البشريين، وشهر تجهيز البيانات المستمرة في غضون ساعات، وتشمل الأمثلة أطر [FLT: زلزال] EQTransformer

وقد وسعت هذه التكنولوجيا بشكل كبير فهرس الزلازل، وكشف أنماط الزلازل الخفية التي كانت مخبأة سابقا، مثل أزمنة الميكروبيك وتسلسلات الصخور، فبعد الكشف، تُطبق نماذج للتعلم الآلي بشكل متزايد على التنبؤ بالزلازل، والتنبؤ بالحركة الأرضية، وحتى البحث عن إشارات سليفة، ويمكن أن تقدر نظم التعلم العميق التي تم تدريبها على موجات الزلزالية حجمها في غضون ثوان من بدء التكاثر، مما يعزز أداء نظم الإنذار المبكر.

وتقوم الشبكات العصبية المتكررة بتحليل التسلسل الزمني للسيزميات لتقييم ما إذا كان النشاط السيزمي يتسارع أو يتبع أنماطا قد تسبق أحداث أكبر، وعلى الرغم من أن التنبؤ بالزلازل المحدد لا يزال بعيد المنال، فإن التعلم الآلاتي يحسن كثيرا التنبؤات المحتملة وتقييمات المخاطر من خلال تحديد الإشارات الفرعية والترابطات المعقدة في البيانات الزلزالية التي قد تفوت الأساليب التقليدية.

Earthquake Early Warning and Real-Time Hazard Assessment

وقد تُوجت التطورات التكنولوجية في رصد الزلازل وتجهيز البيانات بنظم الإنذار المبكر بالزلازل التي توفر ثواني حاسمة من الإشعار المسبق قبل وصول المصافحة القوية. ويدمج نظام كاليفورنيا ShakeAlert ، الذي وضعه مجتمعيا كل من وكالة الأمن العام، وكالتك، وشركة UC Berkeley، ومحطة الزلازل التابعة لجامعة واشنطن، بيانات عن الوقت الحقيقي.

ومن أجل زلزال كبير في جنوب قبو سان أندرياس، يمكن لشبكة " شاكي ألار " أن توفر لسكان لوس أنجليس مهلة تتراوح بين 30 و 60 ثانية من الإنذار، مما يتيح اتخاذ تدابير أمنية آلية مثل إبطاء القطارات، وفتح أبواب المصعد، ووقف خطوط الغاز، وتنبيه الأفراد إلى " الاندفاع، والغطاء، والتمسك " ، مما يقلل بدرجة كبيرة من الإصابات والوفاة.

وتتوقف فعالية نظام " شيكا ألرت " بشكل حاسم على كثافة وموثوقية الشبكة السيزمية، وتحسن كل محطة إضافية سرعة ودقة اكتشاف الزلازل، لا سيما بالنسبة للأحداث البحرية التي قد يكون أقرب مقياس للسيزموسفير بعيدا عن مركز المياه، وتبذل الجهود لتوسيع نطاق تغطية المحطات إلى المناطق التي لا تحظى بخدمات كافية، وتدمج أجهزة الاستشعار البير البيرفلورية للكشف بسرعة عند العمق، وتفسير على نحو أمثل.

توجيهات المستقبل: أجهزة الاستشعار الكهرمائية، والأفكار الحرة، والاستشعار الصوتي الموزع

وتعود تكنولوجيات الاستشعار الناشئة بثورة رصد الزلازل في العقود القادمة، ومن هذه الابتكارات الاستشعار الصوتي المخفف، الذي يغذي الكابلات السلكية واللاسلكية البصرية الموجودة التي تستخدم الألياف الضوئية كثيفة من أجهزة الاستشعار المضللة، حيث أن الأمواج السيزمية تبث عبر الأرض، فإنها تكثف وتضغط الألياف، مما يتسبب في تغييرات طفيفة في الضوء الليزري المكشوف.

ويمكن أن تحول نظم إدارة الدعم الميداني عشرات الكيلومترات من الكابلات الضوئية الألياف إلى آلاف من السيزمات الافتراضية التي تُعين مكانيا على ترتيب المترات، وقد أظهرت التجارب الميدانية على امتداد أجزاء من قبو سان أندرياس قدرة الوكالة على كشف وتحديد مواقع الكيكات الميكروبية بحل مماثل للصفوف السيزمية التقليدية ولكن بجزء من تكلفة التركيب، وهذه التكنولوجيا تتيح تغطية مكانية غير مسبوقة، وربما تحولت شبكات الكترونية أساسية شاسعة.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن التقدم في تكنولوجيات الاستشعار الكمي، مثل أجهزة الاستنشاق بالأشعة ومقياس الكمي، يتيح إمكانية قياسات الحركة الأرضية والتغييرات الجاذبية التي ترتبط بتشوهات التكتون، على الرغم من أن هذه أجهزة الاستشعار لا تزال في مرحلة التطوير المبكر، فإنها يمكن أن تكمل تقنيات الرصد القائمة بالكشف عن التغيرات التبعية في خواص المناطق المعطلة.

ومع ما أُدخلت عليه تحسينات في تحليل البيانات، والتعلم الآلي، والحساب العالي الأداء، فإن هذه الابتكارات التكنولوجية ستعمق فهمنا لفيزياء الزلازل، وستحسن قدرتنا على توقع مخاطر الزلازل، وبما أن قدرات الرصد لا تزال تتقدم، فإن إدماج مسارات البيانات المتعددة أجهزة الاستشعار سيمكن من التنبؤات بالزلازل الأكثر دقة وحسن التوقيت وقابلية للتنفيذ، مما يعزز في نهاية المطاف السلامة العامة والقدرة على التكيف في كاليفورنيا وخارجها.