В Тихоокеанском северо-западе расположена обширная сеть из более чем 600 станций сейсмического мониторинга, которые помогают исследователям отслеживать тектонические и вулканические явления, включая землетрясения.
Эти данные дают ключевое представление о региональных разломах и используются в системах раннего предупреждения, которые могут дать сообществу драгоценные мгновения для подготовки к стихийному бедствию. Однако значительная угроза для этого региона находится в нескольких милях от берега, где плита Хуан-де-Фука погружается под Североамериканскую плиту, образуя зону субдукции Каскадия.
Мониторинг активности на разломах океанского дна — сложная задача
Существующие методы не всегда дают достаточно данных для детального анализа. Чтобы преодолеть это препятствие, исследователи экспериментируют с методом, называемым распределённым акустическим зондированием (DAS), который включает измерение вибраций океанского дна с помощью оптоволоконных кабелей, проложенных по океанскому дну для глобальной телекоммуникации.
Недавние достижения
Недавние достижения позволяют исследователям собирать данные с действующих кабелей и использовать искусственный интеллект для обнаружения отдалённых землетрясений, которые в противном случае остались бы незамеченными.
В исследовании, опубликованном в журнале «Seismological Research Letters», учёные из Вашингтонского университета использовали инициативу Ocean Observatory Initiative’s Regional Cabled Array, которая охватывает морскую границу плит и передаёт данные по оптоволоконному кабелю.
В отличие от предыдущих экспериментов, которые полагались на автономные или «тёмные волокна» для сбора данных, это новое исследование демонстрирует, что технология DAS может работать, не мешая сети OOI.
«То, что мы создали, — это отправная точка для любого анализа землетрясений», — сказала соавтор исследования Марина Денонн, доцент Вашингтонского университета в департаменте наук о Земле и космосе. «Как только наш алгоритм искусственного интеллекта улучшит данные, мы сможем использовать эти колебания для научных исследований».
Оптоволоконные кабели и искусственный интеллект
Сеть оптоволоконных кабелей привлекла внимание исследователей в последнее десятилетие, когда они осознали её потенциал для записи данных о твёрдой Земле. Кабели передают биты информации на большие расстояния в виде фотонов, или частиц света.
Сенсор, называемый интеррогатором, посылает импульс света по кабелю, но несовершенства в сердцевине иногда заставляют свет отклоняться обратно к источнику сигнала.
Нарушения вблизи кабеля могут сбить с курса отклонившиеся частицы, и когда они возвращаются к источнику, исследователи строят их путь, чтобы определить местоположение нарушения.
«Когда землетрясение небольшое или находится далеко, энергия на кабеле относительно мала по сравнению с океаном, и сигнал теряется в фоновом шуме», — сказал соавтор исследования Цибин Ши, бывший постдокторский исследователь Вашингтонского университета в департаменте наук о Земле и космосе, который сейчас является сейсмологом в Университете Райса.
В предыдущем исследовании учёные из Вашингтонского университета разработали алгоритм, который изолирует сигнал и усиливает его в 2,5 раза по сравнению с фоновым шумом.
Исследователи использовали данные о 285 землетрясениях, произошедших в заливе Кука на Аляске в 2023 году, в качестве обучающего набора данных.
«Хорошо обученная модель будет идентифицировать землетрясения, которые человеческий глаз не увидит», — сказал Ши. «Это первый шаг к созданию универсальной базовой модели для землетрясений».
Чтобы подтвердить, что модель также будет фильтровать данные, собранные в другом месте, исследователи проверили свою модель на тестовом сайте в Орегоне, используя действующий кабель. Предыдущие эксперименты, включая тестовый запуск на Аляске, получали данные из неактивных кабелей или «тёмных волокон».
В Орегоне исследователи продемонстрировали, что они могут собирать высококачественные данные, пока кабели передавали информацию. Они подключились к Ocean Observatory Initiative’s Regional Cabled Array, который содержит оптоволоконные кабели, и настроили алгоритм на частоту сейсмических волн, исходящих от небольших и средних землетрясений.
Исследователи проследили сигнал до конкретных регионов зоны субдукции и точно определили местоположение землетрясения.
«Это самое близкое, что мы можем получить к месту действия», — сказала Денонн. «Так что для решения научных вопросов, для мониторинга и для раннего предупреждения о цунами и землетрясениях — это наш лучший шанс».
Система также портативна, для её работы требуется лишь скромный объём вычислительной мощности.
Недавний эксперимент в Орегоне длился всего три дня и дал большой объём высококачественных данных, с которыми команда, возможно, не знает, что делать, добавила Денонн. Теперь их задача — разобраться, как управлять этими данными. Оба набора данных были опубликованы в свободном доступе, и набор данных из Аляски является крупнейшим односайтовым набором данных такого рода. Команда сейчас ведёт переговоры о постоянном размещении своей системы мониторинга и изучает возможности для сотрудничества.
«Это будущее», — сказала Денонн. «Мы собираемся понять тектонику плит, изучая небольшие землетрясения, и эта система даёт нам беспрецедентный доступ к этим данным».