Η πρόβλεψη των σεισμών αποτελούσε πάντα το “Άγιο Δισκοπότηρο” της γεωλογικής έρευνας, παραμένοντας ένα από τα πιο δυσεπίλυτα μυστήρια του πλανήτη. Μια νέα, επαναστατική επιστημονική μελέτη έρχεται τώρα να ανατρέψει τα δεδομένα, φέρνοντάς μας ένα βήμα πιο κοντά στην αποκωδικοποίηση των μηνυμάτων της Γης. Ερευνητές κατάφεραν να εντοπίσουν “κρυφά σήματα” που εκπέμπει ο εγκέλαδος πριν από το μεγάλο χτύπημα.
Το πότε και το πού θα χτυπήσει ο επόμενος μεγάλος σεισμός παραμένει ένα από τα πιο δύσκολα ερωτήματα στις γεωεπιστήμες. Ερευνητές από το Γερμανικό Ερευνητικό Κέντρο Γεωεπιστημών GFZ Helmholtz, με επικεφαλής τον Δρ. Sadegh Karimpouli και την Καθ. Δρ. Patricia Martínez-Garzón —μαζί με διεθνείς συνεργάτες— ανέπτυξαν τώρα μια νέα προσέγγιση βασισμένη σε δεδομένα, η οποία μπορεί να εντοπίσει χαρακτηριστικές αλλαγές στη σεισμική δραστηριότητα πριν από την εκδήλωση ορισμένων μεγάλων σεισμών.
Το πότε και το πού θα χτυπήσει ο επόμενος μεγάλος σεισμός παραμένει ένα από τα πιο δύσκολα ερωτήματα στις γεωεπιστήμες. Ερευνητές από το Γερμανικό Ερευνητικό Κέντρο Γεωεπιστημών GFZ Helmholtz, με επικεφαλής τον Δρ. Sadegh Karimpouli και την Καθ. Δρ. Patricia Martínez-Garzón —μαζί με διεθνείς συνεργάτες— ανέπτυξαν τώρα μια νέα προσέγγιση βασισμένη σε δεδομένα, η οποία μπορεί να εντοπίσει χαρακτηριστικές αλλαγές στη σεισμική δραστηριότητα πριν από την εκδήλωση ορισμένων μεγάλων σεισμών.
Για άλλους σεισμούς για τους οποίους δεν υπήρχαν γνωστά προσεισμικά φαινόμενα —όπως τα γεγονότα στο Νότο (Ιαπωνία, 2024) και στο Αματρίτσε (Ιταλία, 2016)— η μέθοδος δεν εντόπισε κάποιο μοτίβο. Ως εκ τούτου, οι ερευνητές πιστεύουν ότι η νέα τους προσέγγιση έχει προοπτικές για την περαιτέρω ανάπτυξη επιχειρησιακών μεθόδων πρόγνωσης σεισμών.
Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Communications.
Η πρόκληση της πρόβλεψης των σεισμών
Η πρόβλεψη του χρόνου, της τοποθεσίας και του μεγέθους των μελλοντικών σεισμών αποτελεί μια μακροχρόνια και ακόμη ανεπίλυτη -αν όχι αδύνατη- πρόκληση. Η γεωεπιστημονική έρευνα σε αυτόν τον τομέα επικεντρώνεται στον εντοπισμό προσεισμικών φαινομένων, δηλαδή συγκεκριμένων μοτίβων στις διεργασίες που ενδέχεται να εμφανιστούν πριν από την εκδήλωση ορισμένων μεγάλων σεισμών.
Τέτοιες προπαρασκευαστικές διεργασίες μπορεί να περιλαμβάνουν, για παράδειγμα, προσεισμούς και φαινόμενα αργής ολίσθησης (slow-slip events) στην περιοχή του μελλοντικού επικέντρου.
Τα προσεισμικά σήματα που έχουν παρατηρηθεί μέχρι σήμερα ποικίλλουν σημαντικά ως προς τη χωρική και χρονική τους έκταση, καθώς και την έντασή τους, ανάλογα με τον τύπο του ρήγματος, το όριο των τεκτονικών πλακών, τις γεωλογικές συνθήκες και τις τάσεις που επικρατούν.
Νέα προσέγγιση Ι: Αναγνώριση μοτίβων με χρήση μη επιβλεπόμενης μηχανικής μάθησης
Οι μέθοδοι μηχανικής μάθησης εφαρμόζονται εδώ και αρκετό καιρό με επιτυχία για την αποκωδικοποίηση της πολυπλοκότητας των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των σεισμών και για τον εντοπισμό διακριτών μοτίβων στους υπάρχοντες καταλόγους σεισμικών δεδομένων.
Στην τρέχουσα μελέτη τους, οι ερευνητές ανοίγουν νέους δρόμους από πολλές απόψεις: «Αντί να αναζητούμε συγκεκριμένα προσεισμικά σήματα, αφήνουμε τα δεδομένα να αποκαλύψουν τη δική τους δομή και αξιοποιούμε τη λεγόμενη μη επιβλεπόμενη μάθηση, στην οποία τα διαγνωστικά κριτήρια δεν είναι προκαθορισμένα», αναφέρει ο κύριος συγγραφέας της μελέτης Δρ. Sadegh Karimpouli, επιστήμονας στο Τμήμα 4.2.
«Γεωμηχανική και Επιστημονικές Γεωτρήσεις» του GFZ. Αυτή η προσέγγιση έχει ήδη χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για τον εντοπισμό των πρώτων σταδίων κατολισθήσεων και ηφαιστειακών εκρήξεων.
Νέα προσέγγιση ΙΙ: Από τους μεμονωμένους σεισμούς στις αλληλεπιδρώσες “οικογένειες”
Μια βασική καινοτομία της μελέτης είναι η στροφή από την ανάλυση μεμονωμένων σεισμών στη μελέτη «οικογενειών» σεισμικών γεγονότων, δηλαδή ομάδων σεισμών που συνδέονται στενά στον χώρο, τον χρόνο και το μέγεθος. Αυτές οι οικογένειες αντικατοπτρίζουν τον τρόπο με τον οποίο οι σεισμοί αλληλεπιδρούν και εξελίσσονται συλλογικά.
«Οι σεισμοί δεν είναι μεμονωμένα γεγονότα· επηρεάζουν ο ένας τον άλλον και όσο πιο κοντά πλησιάζει το γεγονός της ρήξης, τόσο πιο ισχυρή γίνεται αυτή η επιρροή», εξηγεί ο συνδιοργανωτής της μελέτης Καθ. Marco Bohnhoff, επικεφαλής του Τμήματος 4.2 «Γεωμηχανική και Επιστημονικές Γεωτρήσεις» του GFZ. «Αναλύοντας τη συλλογική τους συμπεριφορά, μπορούμε να αποτυπώσουμε καλύτερα τον τρόπο με τον οποίο συσσωρεύεται η τάση στον φλοιό της Γης πριν από μεγάλα γεγονότα».
Οι ερευνητές εξήγαγαν έναν μεγάλο αριθμό φυσικών και στατιστικών χαρακτηριστικών που περιγράφουν τη σεισμικότητα, όπως η ομαδοποίηση, ο χωρικός εντοπισμός και οι δείκτες που σχετίζονται με την τάση. Χρησιμοποιώντας έναν αλγόριθμο μη επιβλεπόμενης μηχανικής μάθησης, αυτές οι οικογένειες ομαδοποιήθηκαν αυτόματα σε διακριτές κατηγορίες που αντιπροσωπεύουν διαφορετικά στάδια εξέλιξης της τάσης.
Είχαν χρησιμοποιήσει προηγουμένως αυτή την προσέγγιση με επιτυχία σε καλά ελεγχόμενα εργαστηριακά πειράματα σεισμών. Το ερώτημα τώρα ήταν αν θα αποδεικνυόταν εξίσου αποτελεσματική και στα πολύ πιο περίπλοκα γεγονότα που συμβαίνουν στη φύση.
Ανίχνευση της μετάβασης σε μια κρίσιμη κατάσταση
Η ερευνητική ομάδα εφάρμοσε τη μέθοδο σε αρκετές καλά τεκμηριωμένες σεισμικές ακολουθίες σε διαφορετικά τεκτονικά περιβάλλοντα για τα οποία ήταν ήδη γνωστά προσεισμικά φαινόμενα, συμπεριλαμβανομένου του σεισμού Mw 7.8 στο Καχραμανμαράς (Τουρκία) το 2023 σε ένα μεγάλο όριο πλακών οριζόντιας ολίσθησης, του σεισμού Mw 6.1 στη Λ’ Άκουιλα (Ιταλία) το 2009 σε ένα σύστημα κατακερματισμένων κανονικών ρηγμάτων, και του σεισμού Mw 8.1 στο Ικίκε (Χιλή) το 2014 σε μια ζώνη καταβύθισης. Σε κάθε περίπτωση, η ομάδα εντόπισε μια διακριτή κατηγορία σεισμικότητας που εμφανιζόταν πριν από τον κύριο σεισμό.
Αυτά τα «κρίσιμα» μοτίβα χαρακτηρίζονται από τρεις ομάδες γνωρισμάτων:
- Αυξημένη ομαδοποίηση και αλληλεπίδραση μεταξύ των σεισμών
- Ισχυρότερο χωρικό και χρονικό εντοπισμό
- Ενισχυμένη απελευθέρωση σεισμικής παραμόρφωσης (seismic strain).
Μαζί, αυτά τα χαρακτηριστικά υποδηλώνουν ότι το σύστημα του ρήγματος πλησιάζει σε κατάσταση αστάθειας. «Παρατηρούμε μια μετάβαση από σχετικά σταθερές δραστηριότητες —γνωστές από προηγούμενη δραστηριότητα στην περιοχή— σε μια πιο οργανωμένη, κρίσιμη κατάσταση λίγο πριν από τη ρήξη», αναφέρει ο Karimpouli. Ανάλογα με την περίπτωση, οι αλλαγές αυτές εμφανίστηκαν εβδομάδες έως και μήνες πριν από τον κύριο σεισμό.
Δεν δείχνουν όλοι οι σεισμοί προειδοποιητικά σημάδια
Ωστόσο, η μελέτη αναδεικνύει επίσης έναν σημαντικό περιορισμό: Δεν προηγείται όλων των σεισμών μια ανιχνεύσιμη σεισμική προετοιμασία.
Για παράδειγμα, όταν η μέθοδος εφαρμόστηκε στον σεισμό του Αματρίτσε στην Ιταλία το 2016, δεν προέκυψε καμία σαφής «κρίσιμη» κατηγορία, σε σχέση με την προηγούμενη δραστηριότητα, πριν από το γεγονός. Παρομοίως, στην περίπτωση του σεισμού στο Νότο της Ιαπωνίας το 2024, η μακράς διάρκειας σμηνοσεισμική δραστηριότητα (swarm activity) δεν εξελίχθηκε σε ένα σαφές προσεισμικό σήμα προετοιμασίας.
«Αυτή η μεταβλητότητα αντικατοπτρίζει την πολυπλοκότητα τόσο των συνθηκών παρακολούθησης όσο και των σεισμικών διεργασιών», αναφέρει η συνδιοργανώτρια της μελέτης Καθ. Patricia Martínez-Garzón. «Ορισμένα ρήγματα ενδέχεται να διαρραγούν χωρίς εμφανή σεισμικά προειδοποιητικά σημάδια, γεγονός που αποτελεί σημαντική πρόκληση για την πρόγνωση».
Η διερεύνηση των συνθηκών υπό τις οποίες εμφανίζονται και είναι πιο ανιχνεύσιμες οι προπαρασκευαστικές διεργασίες των σεισμών αποτελεί έναν από τους κύριους στόχους του προγράμματος ERC Starting Project QUAKEHUNTER της Martínez-Garzón, το οποίο χρηματοδοτεί την έρευνα που αναπτύσσεται εδώ.
Προς μια βελτιωμένη πρόγνωση των σεισμών
Για να αξιολογήσουν την καταλληλότητα της μεθόδου τους για πρακτική χρήση στην πρόβλεψη σεισμών, οι ερευνητές εξέτασαν την προσέγγισή τους όχι μόνο σε παλαιότερους σεισμούς αλλά και —στο πλαίσιο των ίδιων σεισμικών ακολουθιών που αναφέρθηκαν παραπάνω— προοπτικά (prospectively):
Βάσισαν την ανάλυσή τους σε προηγούμενους σεισμούς της περιοχής. Με τη συνεχή επικαιροποίηση της ανάλυσης νέων σεισμών, η μέθοδος μπορεί στη συνέχεια να ανιχνεύσει πότε η σεισμική δραστηριότητα αρχίζει να αποκλίνει από τα μοτίβα που είχαν παρατηρηθεί προηγουμένως.
Με αυτόν τον τρόπο, η ξαφνική εμφάνιση μιας νέας κατηγορίας σεισμικής συμπεριφοράς μπορεί να υποδηλώνει ότι το σύστημα εισέρχεται σε μια διαφορετική και ενδεχομένως πιο κρίσιμη κατάσταση. «Αυτό δεν σημαίνει ότι μπορούμε να προβλέψουμε τους σεισμούς με ντετερμινιστικό (απόλυτο) τρόπο», τονίζει ο Karimpouli. «Αλλά παρέχει ένα ισχυρό εργαλείο για να αναγνωρίζουμε πότε ένα σύστημα ρηγμάτων συμπεριφέρεται διαφορετικά από το συνηθισμένο».
Μια νέα οπτική για την εξέλιξη των μεγάλων σεισμών
Η μελέτη καταδεικνύει πώς ο συνδυασμός χαρακτηριστικών που βασίζονται στη φυσική με τη μηχανική μάθηση μπορεί να αποκαλύψει ανεπαίσθητες διεργασίες, οι οποίες είναι δύσκολο να ανιχνευθούν με τις συμβατικές μεθόδους. Εστιάζοντας στις αλληλεπιδράσεις εντός της σεισμικότητας, η προσέγγιση αυτή προσφέρει ένα νέο παράθυρο στον τρόπο με τον οποίο εξελίσσονται οι μεγάλοι σεισμοί.
«Τα ευρήματά μας δείχνουν ότι η μηχανική μάθηση μπορεί να βοηθήσει στον εντοπισμό των προπαρασκευαστικών φάσεων των σεισμών, όταν αυτές υπάρχουν και είναι ανιχνεύσιμες από τα εγκατεστημένα όργανα», αναφέρει η Martínez-Garzón.
«Το επόμενο βήμα είναι να ενσωματώσουμε τέτοιες προσεγγίσεις στην παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο και να κατανοήσουμε καλύτερα γιατί ορισμένοι σεισμοί δείχνουν σαφή σήματα, ενώ άλλοι όχι».
