Integrated Detection and Classification of Low-Frequency Earthquakes Using a PhaseNet-Based Deep Learning Framework

في أعماق القشرة الأرضية، حيث الصخور ساخنة والضغط هائل، غالبًا ما تمر هزات هادئة من نوع خاص دون أن يلاحظها أحد. هذه هي الزلازل منخفضة التردد، وهي أحداث تطلق طاقتها في نبض بطيء ومتموج بدلاً من الصدمة الحادة وعالية النبرة للزلزال التقليدي. وبينما قد تهتز الزلازل العادية بتردد يشبه نوتة عالية على بيانو، فإن هذه الهزات العميقة تهمس بنبرة أقل بكامة بكثير، وغالبًا ما تبدأ بشكل تدريجي للغاية لدرجة يصعب معها تحديد متى بدأت بالضبط. وقد اشتبه العلماء لفترة طويلة في أن هذه الارتجافات الخفية ليست عشوائية؛ بل هي على الأرجح نتيجة لحركة السوائل، مثل الماء أو الصهارة (الماغما)، عبر الشقوق في الصخور أو الانزلاق على طول خطوط الصدع دون التسبب في تمزق عنيف. إن فهم هذه التحركات الخفية أمر بالغ الأهمية لأنها قد تحمل أدلة حول كيفية تراكم الإجهاد في الأرض، مما قد يؤدي إلى زلازل أكبر وأكثر تدميرًا. ومع ذلك، نظرًا لأن هذه الإشارات ضعيفة وتختلط بسهولة مع الضوضاء الخلفية، فإن الطرق التقليدية للاستماع إلى الأرض غالبًا ما تفقدها تمامًا، مما يترك فجوة كبيرة في معرفتنا بالعمليات الجوفية للقشرة العميقة.

ولملء هذه الفجوة، طور فريق من الباحثين طريقة جديدة للاستماع باستخدام الذكاء الاصطناعي. فقد قاموا بتدريب نموذج حاسوبي، يعتمد على نظام صُمم في الأصل للعثور على الزلازل القياسية، للتعرف على البصمات الفريدة لهذه الأحداث منخفضة التردد. وبدلاً من مجرد البحث عن بداية ونهاية حادة، تم تعليم النموذج تحديد خمس احتمالات مختلفة في البيانات السيزمية: بداية زلزال عادي، ونهاية زلزال عادي، وبداية حدث منخفض التردد، ونهاية حدث منخفض التردد، وضوضاء الخلفية. ومن خلال تغذية النظام بآلاف الموجات المسجلة من اليابان، علم الباحثون النموذج كيف يميز بين الوصول الواضح والحاد للزلازل العادية، والوصول الضبابي والممتد للنوع منخفض التردد. وبمجرد تدريبه، عمل النموذج كأذن شديدة الحساسية، حيث قام بمسح التسجيلات المستمرة لاهتزازات الأرض واقتناص لحظات الوصول التي كان المراقبون البشريون أو البرامج القديمة سيتجاهلونها.

ثم طبق الباحثون هذه الأداة الجديدة على منطقة محددة تشهد نشاطًا زلزاليًا مكثفًا في شمال محافظة ياماغوتشي، حيث كانت تحدث مجموعة من الزلازل على أعماق تزيد عن 20 كيلومترًا. وكانت النتائج مذهلة؛ فقد اكتشف الأسلوب الجديد أكثر من ضعف عدد الزلازل الموجودة في السجل الرسمي الذي تحتفظ به وكالة الأرصاد الجوية اليابانية. لقد وجد المئات من الأحداث الصغيرة التي كانت غير مرئية سابقًا، بما في ذلك العديد من الأحداث التي كانت أصغر من أن تسجلها الأدوات القياسية. والأهم من ذلك، أن النظام لم يكتفِ بعدّ الأحداث فحسب، بل قام بتصنيفها. ومن خلال تحليل درجات الاحتمالية المحددة التي منحها النموذج لكل وصول، أنشأ الباحثون مؤشرًا بسيطًا لتحديد ما إذا كان الحدث المكتشف هو زلزال منخفض التردد أم زلزالًا قياسيًا. وقد سمح لهم ذلك برسم خريطة لمجموعة الزلازل بمستوى من التفصيل كان مستحيلاً في السابق، مما كشف أن الأحداث منخفضة التردد لم تكن منتشرة عشوائيًا، بل كانت مركزة في مناطق أعمق محددة داخل المجموعة.

ومع ذلك، كشفت الدراسة أيضًا عن تعقيد ما. فقد وجد الباحثون أن المؤشر الجديد لم يكن مثاليًا في التمييز بين الزلازل الطبيعية منخفضة التردد والانفجارات التي يسببها الإنسان، مثل انفجارات المحاجر. وفي الواقع، تبين أن بعض الأحداث التي صنفها النظام كزلازل منخفضة التردد كانت في الواقع انفجارات من محجر قريب، والتي تنتج بدورها همهمات منخفضة التردد مشابهة. ويعد هذا الاكتشاف تذكيرًا بأنه بينما تعد هذه التكنولوجيا قوية، إلا أنها تتطلب تفسيرًا دقيقًا للفصل بين العمليات الجيولوجية الطبيعية والنشاط البشري. ورغم هذا القصور، فإن القدرة على اكتشاف هذا العدد الهائل من الأحداث التي كانت مخفية سابقًا وفرت صورة أوضح لسلوك مجموعة الزلازل. فقد أظهرت البيانات أن الزلازل كانت تهاجر بمرور الوقت، متحركة من الأجزاء العميقة من القشرة نحو المستويات الضحلة في نمط يطابق تمامًا حركة السوائل التي تنتشر عبر الصخور.

وقد قدم التوزيع المكاني لهذه الأحداث دليلًا إضافيًا على نظرية الحركة المدفوعة بالسوائل. فقد كانت الزلازل منخفضة التردد متجمعة في الأجزاء الأكثر عمقًا وغرب المجموعة، وهي منطقة أظهرت بنيتها الصخرية علامات على محتوى عالٍ من السوائل. ويشير هذا التوافق إلى أن حركة السوائل الساخنة من الوشاح العلوي أو القشرة السفلية كانت على الأرجح هي المحرك الذي دفع المجموعة بأكملها. ولاحظ الباحثون أن هجرة الزلازل لم تتبع مسارًا بسيطًا وثابتًا؛ بل كانت تتسارع وتتباطأ، بل وتغير اتجاهها أحيانًا، مما يعني وجود تفاعل معقد بين ضغط السوائل والحرارة وقدرة الصخور على التصدع. ومن خلال الجمع بين طريقة الكشف الجديدة والخرائط التفصيلية لبنية الصخور تحت الأرض، تشير الدراسة إلى أن المجموعة كانت مدعومة بإمداد مستمر من السوائل التي أبقت الصخور ضعيفة وعرضة للانزلاق.

في نهاية المطاف، يوضح هذا العمل أن الزلازل العميقة منخفضة التردد هي أكثر شيوعًا وانتشارًا مما كان يُعتقد سابقًا، وهي تختبئ في وضح النهار ضمن ضوضاء السجلات السيزمية القياسية. ويوفر هذا الإطار الجديد وسيلة قوية لمراقبة هذه الأحداث تلقائيًا، مما يفتح نافذة على أعماق الأرض كانت مغلقة في السابق. وبينما لا تزال الطريقة بحاجة إلى تحسين لتصفية الضوضاء الناتجة عن النشاط البشري بدقة، فقد أعادت بالفعل تشكيل فهمنا لمجموعة زلزالية معينة، مظهرة أن ما يبدو كأنه خليط فوضوي من الهزات الصغيرة هو في الواقع عملية منظمة مدفوعة بالسوائل. ومع تحسن هذه التكنولوجيا، فإنها تعد بالكشف عن الإيقاعات الخفية للقشرة العميقة، مما يساعد العلماء على فهم أفضل لحركات السوائل البطيئة التي تشكل المستقبل الزلزالي لكوكبنا.