Trzęsienia pod Teide. Naukowcy testują nową metodę detekcji

Wyzwanie pod wulkanem: jak śledzić niezauważalne wstrząsy

Drobne trzęsienia ziemi rejestrowane codziennie pod Las Cañadas del Teide od prawie trzech tygodni to nie tylko jedno z największych wyzwań, przed jakim stanęła nauka na Wyspach Kanaryjskich, ale i prawdziwe wyzwanie techniczne. Te niewielkie sejsmy to zmartwienie nie tylko dla wulkanologów, którzy próbują rozszyfrować, co dzieje się kilka kilometrów pod powierzchnią, nie mogąc nawet rzucić okiem w głąb. Problemem są również dla sejsmologów. Ich niska magnituda, nakładanie się i powtarzanie w cyklach trwających godzinami sprawiają, że są praktycznie niewykrywalne. To zmusiło Instytut Geograficzny Narodowy (IGN) do poszukiwania alternatyw, aby analiza była nie tylko szybsza, ale i dokładniejsza.

Od analizy ręcznej do sztucznej inteligencji

– Normalnie zaczynamy od analizy manualnej, którą wykonujemy rutynowo – wyjaśnia Eduardo Suárez, sejsmolog z IGN i jedna z osób odpowiedzialnych w ostatnich tygodniach za „dziabanie” trzęsień. Ta metoda sprawdza się, gdy występuje niewiele wstrząsów – lub są one oddzielone względnie długimi okresami ciszy – i jest „czas” na ich analizę. Jak wskazuje, średnio zajmuje to od pięciu do dziesięciu minut na każde zdarzenie. Sytuacja zmienia się jednak diametralnie, gdy aktywność gwałtownie rośnie.

– Gdy mamy roje sejsmiczne, takie jak te obserwowane w ostatnich dniach, ilość sejsmiczności wzrasta i uniemożliwia nam nadążanie za nią wyłącznie tradycyjnymi metodami – konkluduje Suárez. Wtedy sejsmolodzy sięgają po metody automatyczne. Jest ich wiele rodzajów: tradycyjne, oparte na klasycznej analizie sygnału, a nawet takie, które szkolą sztuczną inteligencję do wykrywania wzorców w formie fali.

– Po erupcji na La Palmie zaczęliśmy testować te nowe metody z wykorzystaniem AI, aby sprawdzić ich przydatność w środowisku wulkanicznym, takim jak na Wyspach Kanaryjskich – opowiada Suárez. Zastosowana metoda, wcześniej wykorzystywana w Kalifornii, okazała się działać bardzo dobrze na archipelagu. – Sygnały wulkanotektoniczne są bardzo podobne do trzęsień ziemi występujących na kontynencie, ponieważ mają bardzo wyraźne wzorce – wyjaśnia badacz.

Potencjał i ograniczenia sztucznej inteligencji

Zadaniem tej sztucznej inteligencji było ponowne przeanalizowanie form fal zarejestrowanych w okresie przederupcyjnym na La Palmie i porównanie ich z tymi wykrytymi ręcznie. – Wszystkie sygnały były w miarę podobne i zgadzały się z tym, co rejestrowano w innych kontekstach geodynamicznych – relacjonuje. – Zobaczyliśmy, że ma to ogromny potencjał, ponieważ pozwalało zwiększyć liczbę wykrytych trzęsień z 1400 zdarzeń do ponad 7000 – podkreśla naukowiec.

Metoda, choć bardzo obiecująca, miała jednak istotną wadę: nie nadawała się do użycia w czasie rzeczywistym. Do tej przeszkody doszła kolejna – nie działała też prawidłowo na tak małe i niskomagnitudowe trzęsienia hybrydowe, jak te występujące obecnie w głębi Teide.

Problem z szumem i nowa nadzieja: analiza korelacyjna

– Zdarzenia, które obserwujemy w ostatnich tygodniach, są bardzo małe. Nie możemy odróżnić samego sygnału od szumu tła – wyjaśnia Suárez, podkreślając, że to znacznie utrudnia obraz zjawiska. – Jeśli spróbujesz spojrzeć bezpośrednio na formę fali, są przypadki, gdy nawet jej nie widać – dodaje. Dzieje się tak, ponieważ te trzęsienia mają „inny skład widmowy i są związane z innym rodzajem zjawisk, więc ich analiza jest skomplikowana”.

Sytuacja ta stanowi prawdziwy ból głowy dla badaczy z IGN, którzy tracą zdolność do ich indywidualnego wykrywania przy użyciu technik manualnych. Z tego powodu IGN testuje tym razem nową technikę, której do tej pory nigdy nie stosowano na Teneryfie w czasie rzeczywistym: wykorzystanie metod korelacji.

– W tym przypadku nie porównujemy sygnału trzęsień z naszymi analizami manualnymi, ale między sobą – relacjonuje Suárez, zaznaczając, że jej zastosowanie oznaczało „znaczącą poprawę”. – Wymaga tylko nadzoru nad wynikami, a nie pełnej analizy – wskazuje.

Wyniki są widoczne: z 900 do 1200 wykrytych zdarzeń

Technika pochodzi od badaczy z Kalifornii. Została wdrożona w ostatnim tygodniu, a efekty są ewidentne. Jeśli w pierwszych dniach rojów IGN ledwo wykrywał 900 zdarzeń, teraz jest w stanie dojść do 1200 w diagnozie tego samego odcinka czasu.

– To dla nas bardzo ważne, ponieważ są to informacje, które mamy w czasie rzeczywistym i które, w przypadku migracji trzęsień lub wzrostu aktywności, mogą nam o tym natychmiast powiedzieć – podkreśla sejsmolog. Jak zaznacza Suárez, jest to „bardzo dobre narzędzie do analizy zarówno niskich częstotliwości, jak i mikrosejsmiczności, która jest rejestrowana”. W takich przypadkach ręczne liczenie trzęsień staje się „niezrównoważone”.

– Zaangażowanie osoby poświęcającej dużo czasu na analizę i obliczenia samego roju w końcu prowadzi do wypalenia. Nie jesteśmy efektywni, nie możemy dokonywać bezpośrednich interpretacji, a to bardzo ważna część naszej pracy – konkluduje.

Redukcja szumu i detekcja drżenia wulkanicznego

Ta nowa formuła diagnostyki trzęsień jest również skuteczna w „redukcji szumu”. I to nie tylko szumu z wnętrzności Teide, ale także szumów naturalnych, takich jak wiatr, grzmoty, a nawet deszcz. Byłaby też bardzo skuteczna w przypadku uruchomienia się jednego z najbardziej rozpoznawalnych sygnałów erupcji: drżenia wulkanicznego (tremoru).

W przeciwieństwie do trzęsień ziemi, tremor to ciągła wibracja związana z ruchem magmy w bardzo wydłużonej komorze, która wprawia tę magmę w rezonans. Jest związany z wynurzaniem się magmy, choć czasami może nie mieć z tym nic wspólnego. W końcu ten rytmiczny i ciągły sygnał może być również spowodowany intensywnym odgazowaniem, aktywnością hydrotermalną lub rezonansem kanałów. W każdym razie, dzięki tego typu metodologii diagnostycznej, „gdy sygnały są bardzo ciągłe, możemy analizować sieć jednocześnie”.

Nie jest nieomylna. Klucz to połączenie metod

Ale technika ta również nie jest nieomylna. Zawiodłaby w przypadku konieczności wykrycia „migracji trzęsień”, czyli stopniowego przemieszczania się wstrząsów w kierunku powierzchni lub w płaszczyźnie. – W miarę migracji forma fali również się zmienia i nie bylibyśmy w stanie stwierdzić podobieństw między jednymi a drugimi sygnałami, co robimy teraz – wskazuje badacz i konkluduje: – Nie byłyby spójne.

Z tego powodu, jak podsumowuje Suárez, sukces nadzoru sejsmicznego w Teide tkwi w „stosowaniu kilku metodologii jednocześnie”. Tylko w ten sposób można dobrze zrozumieć niezliczone trzęsienia ziemi emanujące z głębi wulkanu.