Йеллоустонский национальный парк — первый национальный парк в Соединённых Штатах. Он стал популярным туристическим местом и героем одноимённого популярного телешоу. Под парком до сих пор находится одна из самых сейсмически активных сетей вулканической активности на Земле.
В новом исследовании, опубликованном 18 июля в авторитетном журнале Science Advances, профессор инженерии из Университета Западного Онтарио Бин Ли и его коллеги из Индустриального университета Сантандера (Universidad Industrial de Santander) в Колумбии и Геологической службы США использовали машинное обучение, чтобы заново изучить исторические данные о землетрясениях в Йеллоустонской кальдере за 15-летний период.
Команда смогла ретроспективно обнаружить и определить магнитуды примерно в 10 раз большего количества сейсмических событий, или землетрясений, чем было зафиксировано ранее.
Кальдера — это большая впадина или углубление, образующееся, когда вулкан извергается, а магматический очаг под ним опустошается, что приводит к обрушению земли сверху. Это отличается от вулканического кратера, который образуется в результате выброса наружу.
Исторический каталог Йеллоустонской кальдеры теперь содержит 86 276 землетрясений за период с 2008 по 2022 год, что значительно улучшает предыдущее понимание вулканических и сейсмических систем благодаря более эффективному сбору данных и систематическому анализу.
Ключевым выводом исследования является то, что более половины землетрясений, зарегистрированных в Йеллоустоне, были частью роёв землетрясений — групп небольших взаимосвязанных землетрясений, которые распространяются и смещаются в пределах относительно небольшой площади за относительно короткий период времени. Это отличается от афтершоков — более мелких землетрясений, которые следуют за более крупным основным толчком в той же общей области.
«Хотя у каждого вулкана, включая Йеллоустонский, есть уникальные особенности, мы надеемся, что эти идеи можно будет применить и в других местах», — сказал Ли, эксперт по землетрясениям, вызванным движением жидкости, и механике горных пород. «Понимая закономерности сейсмической активности, такие как рои землетрясений, мы можем улучшить меры безопасности, лучше информировать общественность о потенциальных рисках и даже направлять развитие геотермальной энергетики в сторону от опасности в районах с многообещающим тепловым потоком».
До применения машинного обучения землетрясения обычно обнаруживались путём ручного осмотра обученными экспертами. Этот процесс занимает много времени, требует значительных затрат и часто выявляет меньшее количество событий, чем возможно сейчас с помощью машинного обучения.
«Если бы нам пришлось делать это по старинке, когда кто-то вручную просматривал все эти данные в поисках землетрясений, мы бы не смогли этого сделать. Это невозможно масштабировать», — сказал Ли.
Исследование также показывает, что рои землетрясений под Йеллоустонской кальдерой происходили вдоль относительно незрелых, более грубых структур разломов по сравнению с более типичными зрелыми структурами разломов, наблюдаемыми в таких регионах, как Южная Калифорния, и даже непосредственно за пределами кальдеры.
Грубость была измерена путём характеристики землетрясений как фракталов — геометрических форм, которые демонстрируют самоподобие, то есть они выглядят одинаково в разных масштабах. Впервые фрактальные узоры были визуализированы Бенуа Мандельбротом в 1980 году. Фрактальные узоры можно увидеть в береговых линиях, снежинках, брокколи и даже в разветвлении кровеносных сосудов.
Модели, основанные на фракталах и нацеленные на грубость по сравнению с регулярностью, позволили охарактеризовать эти рои землетрясений, которые, по мнению исследователей, были вызваны сочетанием медленно движущейся подземной воды и внезапными всплесками жидкости.
«В значительной степени у нас нет систематического понимания того, как одно землетрясение вызывает другое в рое. Мы можем лишь косвенно измерять пространство и время между событиями», — сказал Ли. «Но теперь у нас есть гораздо более надёжный каталог сейсмической активности под Йеллоустонской кальдерой, и мы можем применять статистические методы, которые помогают нам количественно определять и находить новые рои землетрясений, которые мы раньше не видели, изучать их и видеть, что мы можем из них узнать».
Предоставлено Университетом Западного Онтарио.