A Bayesian Parametric Ground-Motion Prediction Model: Response Spectra of Shallow Crustal Seismicity in Europe

عندما تهتز الأرض، فإن عنف الهزة في أي موقع محدد لا يتوقف فقط على مدى كبر حجم الزلزال أو بعد المسافة التي وقع فيها؛ بل هو أيضاً قصة المسار الذي سلكته الطاقة عبر الأرض والطبيعة المحددة للأرض الواقعة تحت المبنى. يستخدم العلماء الذين يدرسون أنماط الاهتزاز هذه نماذج رياضية للتنبؤ بمدى قوة حركة الأرض في بقعة معينة. وتعد هذه التنبؤات حيوية لتصميم مبانٍ يمكنها الصمود أمام الزلازل ولتفهم المخاطر التي تواجهها المجتمعات. ومع ذلك، تمثل أوروبا تحدياً فريداً من نوعه؛ فخلافاً للمناطق التي تشهد زلازل ضخمة ومتكررة، تشهد معظم أوروبا هزات أصغر وأقل تكراراً. وهذا الندرة في الأحداث الكبيرة تجعل من الصعب بناء نماذج تنبؤ دقيقة، مما يضطر العلماء إلى الاعتماد على البيانات المستمدة من الزلازل الصغيرة ومحاولة قياسها وتوسيع نطاقها. والمشكلة تكمن في أن الأرض في فرنسا أو بلجيكا تتصرف بشكل مختلف عن الأرض في إيطاليا أو اليونان، والنموذج الذي يعمل في منطقة ما غالباً ما يفشل في منطقة أخرى.

لقد طور فريق من الباحثين المقيمين في غرونوبل بفرنسا طريقة جديدة للتنبؤ بحركات الأرض هذه تأخذ في الاعتبار هذه الاختلافات الإقليمية بشكل أفضل. فقد أنشأوا نموذجاً يجمع البيانات من ثلاثة مصادر متميزة: قاعدة بيانات أوروبية ضخمة لتسجيلات الزلازل، ومجموعة بيانات متخصصة من فرنسا، وأخرى من بلجيكا. ومن خلال دمج هذه السجلات، بنوا صورة شاملة لكيفية انتقال الموجات الزلزالية عبر القارة، مغطين كل شيء من الهزات الضئيلة إلى الأحداث الكبرى. والنتيجة هي أداة يمكنها التنبؤ بشدة الاهتزاز للزلازل الضحلة في أي مكان في أوروبا بدقة أكبر من الطرق السابقة، لا سيما في المناطق التي تكون فيها الزلازل الكبيرة نادرة ولكنها لا تزال ممكنة.

بدأ الباحثون بجمع مجموعة واسعة من السجلات الزلزالية، حيث دمجوا بيانات من أكثر من 55,000 تسجيل لاهتزاز الأرض، رصدت أحداثاً وقعت بين عامي 1976 و2026. وقد جاءت هذه التسجيلات من مستشعرات وُضعت عبر مساحة واسعة من أوروبا، من مناطق النشاط الزلزالي العالي في إيطاليا واليونان إلى المناطق الأكثر هدوءاً في فرنسا وبلجيكا. وكان جزء رئيسي من عملهم يتضمن تنظيف وتوحيد هذه البيانات؛ إذ كانت أقدار الزلازل (Magnitudes)، التي تقيس حجم الحدث، تُحسب بطرق مختلفة من قبل مجموعات مختلفة. فقام الفريق باستبدال هذه التقديرات المتنوعة بمجموعة واحدة متسقة من قيم القدر. وكانت هذه الخطوة حاسمة لأن القياسات غير المتسقة يمكن أن تشوه العلاقة بين حجم الزلزال والاهتزاز الذي ينتجه. كما تأكدوا من أن البيانات تتضمن نطاقاً واسعاً من أحجام الزلازل، بدءاً من الأحداث الصغيرة جداً بقدر قدر يبلغ حوالي 1.6 وصولاً إلى الأحداث الكبيرة التي تقترب من 7.7، مما سمح لهم بدراسة كيفية توسيع نطاق الاهتزاز عبر الطيف الكامل.

بمجرد تجهيز البيانات، بنى الفريق نموذج تنبؤ جديد باستخدام نهج إحصائي متطور يُعرف باسم "الانحدار البايزي" (Bayesian regression). وخلافاً للطرق القديمة التي كانت تعامل كل موقع كنقطة عامة، يدرك هذا النموذج الجديد أن الأرض ليست متجانسة. فهو يقسم أوروبا إلى شبكة من المربعات الصغيرة، حيث يبلغ طول ضلع كل منها نصف درجة في نصف درجة. وفي كل مربع من هذه الشبكة، يتعلم النموذج كيف تخمد الأرض، أو تضعف، الموجات الزلزالية. ويمثل هذا تحولاً كبيراً عن النماذج السابقة، التي كانت غالباً ما تخصص مجموعة موحدة من القواعد لمنطقة واسعة. ومن خلال استخدام الشبكة، يمكن للنموذج الجديد اكتشاف الاختلافات الدقيقة؛ فعلى سبيل المثال، يمكنه التمييز بين مناطق التخميد العالي في جبال البرانس، حيث تخبو الموجات بسرعة، ومناطق التخميد المنخفض في "منخفض راين السفلي" (lower Rhine Graben)، حيث تسافر الموجات لمسافات أبعد مع فقدان أقل للطاقة.

كما يفصل النموذج بين تأثير مصدر الزلزال وتأثير موقع التسجيل؛ فهو يحسب مقدار الاهتزاز الناتج عن الخصائص المحددة للزلزل نفسه، مثل موقعه وعمقه، ومقدار ما يسببه الموقع الجيولوجي المحلي حيث وُضع المستشعر. ويسمح هذا الفصل للنموذل بأن يكون أكثر دقة؛ فمثلاً، يمكنه تحديد أن وادياً معيناً في فرنسا يضاعف الاهتزاز باستمرار أكثر من تلة مجاورة له، حتى لو كانا قريبين من بعضهما البعض. ووجد الباحثون أن هذا المستوى من التفصيل قلل من عدم اليقين في تنبؤاتهم. وينتج النموذج الجديد هوامش خطأ أصغر مقارنة بأفضل نموذج سابق مستخدم في جميع أنحاء أوروبا، مما يعني أن المهندسين ومقيمي المخاطر يمكنهم الثقة أكثر في الأرقام التي يتلقونها.

يتعلق أحد أهم النتائج بكيفية تعامل النموذج مع الزلازل الصغيرة. في الماضي، كانت النماذج غالباً ما تعاني في التنبؤ بالاهتزاز الناتج عن الأحداث الأصغر، حيث كانت أحياناً تنتج نتائج غير واقعية حيث يبدو أن الاهتزاز يزداد كلما صغر حجم الزلزال. ويصحح النموذج الجديد هذا الأمر باستخدام البيانات الوفيرة من الزلازل الصغيرة والمتوسطة لإنشاء خط أساس موثوق. وهذا يسمح بتطبيق النموذج في مناطق النشاط الزلزالي المنخفض إلى المتوسط مثل فرنسا وبلجيكا، حيث تشيع الزلازل الصغيرة ولكنها لا تزال قادرة على التسبب في أضرار في المناطق الضعيفة مثل أودية الأنهار. وبذلك، يعمل النموذج الآن بطريقة تتماشى مع الواقع الفيزيائي، حيث يظهر أن الزلازل الأصغر تنتج اهتزازاً أقل، ويمكنه التنبؤ بموثوقية بآثار الأحداث التي تبدأ من قدر 4.

اكتشف الباحثون أيضاً أن الطريقة التي تفقد بها الموجات الزلزالية طاقتها تعتمد بشكل كبير على تردد الاهتزاز. فالموجات ذات التردد العالي، التي تسبب هزات سريعة وحادة، تتصرف بشكل مختلف عن الموجات ذات التردد المنخفض، التي تسبب حركات تموجية بطيئة. ويلتقط النموذج الجديد هذا الاعتماد على التردد من خلال السماح لقواعد التخميد بالتغير بناءً على فترة الموجة. وهذا يعني أن النموذج لا يتنبأ فقط بالاهتزاز الأقصى، بل بالنمط الكامل لكيفية تحرك الأرض بمرور الوقت. وهذا أمر ضروري لتصميم أنواع مختلفة من المنشآت، حيث قد تستجيب المباني الشاهقة للحركات التموجية منخفضة التردد بشكل مختلف عن استجابة المنازل القصيرة والصلبة للهزات عالية التردد.

تؤكد الدراسة أن النموذج الجديد يمثل تحسناً كبيراً عن سلفه؛ فهو يغطي نطاقاً أوسع من أحجام الزلازل والمسافات، من المواقع القريبة جداً من المصدر إلى مئات الكيلومترات بعيداً. كما يوفر صورة أوضح لعدم اليقين المتضمن في أي تنبؤ. ومن خلال التعامل مع النموذج كنظام حي يمكن تحديثه ببيانات جديدة، أنشأ الباحثون أداة ستصبح أكثر دقة بمرور الوقت مع جمع المزيد من السجلات الزلزالية. وهذا أمر مهم بشكل خاص لأوروبا، حيث تتوسع الشبكة الزلزالية باستمرار. ويتم بالفعل تكييف النموذج لاستخدامه في خرائط المخاطر الوطنية في بلجيكا وفرنسا، مما يساعد في تحسين معايير السلامة للمباني في هذين البلدين.

وعلى الرغم من أن النموذج يمثل خطوة كبيرة للأمام، إلا أن الباحثين يقرون بأن هناك المزيد من العمل الذي يتعين القيام به. فبعض المناطق، ولا سيما في البلقان، لا تزال تعاني من نقص في البيانات، مما يعني أن النموذج لديه بيانات أقل للعمل بها في تلك المناطق. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يكون من الصعب تحديد عمق الزلازل بدقة، مما يضيف نوعاً من عدم اليقين. ومع ذلك، فإن الإطار الذي بنوه مصمم للتعامل مع هذه القيود؛ فمع توفر بيانات جديدة، يمكن تحديث النموذج لسد الفجوات وتقليل عدم اليقين. والهدف النهائي هو إنشاء صورة سلسة وعالية الدقة للمخاطر الزلزالية عبر القارة بأكملها، لضمان أن تكون المجتمعات أكثر استعداداً لما تحت أقدامها.

يُظهر هذا العمل أنه من خلال الجمع بين كميات هائلة من البيانات والتقنيات الإحصائية المتقدمة، يمكن للعلماء كشف طبقات التعقيد التي حجبت طويلاً فهمنا للاهتزاز الزلزالي. فالنموذج الجديد لا يتنبأ بالأرقام فحسب، بل يكشف الأنماط الخفية لكيفية انتقال الطاقة عبر القشرة الأوروبية. إنه يوضح أن الأرض ليست مجرد خلفية سلبية، بل هي مشارك نشط في كل زلزال، حيث تشكل الخطر بطرق أصبحت الآن واضحة أخيراً. وبالنسبة للناس الذين يعيشون في هذه المناطق، فإن هذا الوضوح يترجم إلى مبانٍ أكثر أماناً ونهج أكثر دراية بالمخاطر المستمرة للنشاط الزلزالي.