رصد الزلازل التي يحدثها البشر

استخدم علماء في «مختبرات سانديا الوطنية» بالولايات المتحدة صخوراً مصنوعة بطابعة ثلاثية الأبعاد ونموذجاً حاسوبياً متقدماً واسع النطاق عن زلازل سابقة، لفهم الزلازل التي تنتج عن استكشاف الطاقة وكيفية تفاديها.

فمن المعروف أن حقن المياه الجوفية بعد الاستخراج غير التقليدي للنفط والغاز، والمعروف بالتكسير، كما تحفيز الطاقة الحرارية الأرضية وعزل ثاني أكسيد الكربون، قد تسبب إحداث زلازل.

وأفاد موقع «فيزياء. أورغ» أن العلماء قاموا بدراسة كيف يمكن للضغط والإجهاد الناتج عن حقن المياه أن ينتقل عبر المسام في الصخور وصولاً إلى خطوط الصدع، بما في ذلك تلك المخفية سابقاً. وقد قاموا بتكسير الصخور عند نقاط ضعف مصممة خصيصاً لسماع أصوات أنواع مختلفة تساعد في الكشف المبكر عن زلزال مستحث.

وقاموا باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد لصنع صخور من معادن أساسها الجبس، باختلافات هيكلية دقيقة تؤثر في كيفية تكسر الصخور.

قال عالم الجيولوجيا في سانديا، هونغكيو يوون: «اتضح أنه يمكننا استخدام هذا التباين في الاستجابات الميكانيكية والزلزالية لكسر صخور مطبوعة ثلاثية الأبعاد لمساعدتنا على فهم العمليات الأساسية للكسر وتأثيره على تدفق السوائل في الصخور، حيث يمكن أن يؤدي تدفق السوائل وضغط المسام إلى حدوث زلزال».

من أجل هذا التجارب صنع يون ومتعاونون في جامعة بوردو حبراً معدنياً باستخدام مسحوق كبريتات الكالسيوم والماء مع تباين في الطبقات المعدنية. ثم ضغط الفريق البحثي على العينات حتى تنكسر. وقام الفريق بفحص أسطح الكسر باستخدام الليزر وميكروسكوب الأشعة السينية. فلاحظوا أن مسار الكسر يعتمد على اتجاه الطبقات المعدنية.

وفي دراستهم المنشورة في مجلة «ساينتفيك ريبورتس»، قاموا بعد ذلك بمراقبة الموجات الصوتية في العينات أثناء تكسرها ثم قاموا بدمج البيانات الصوتية مع تقنيات التعلم الآلي لتحليل البينات وتحديد الأنماط، وقاموا بتحديد حوالي 25 ميزة مهمة في بيانات الصوت وصنفوها.

وباستخدام الميزات المهمة كدليل، قاموا بإنشاء خوارزميات تعلم عميقة متعددة الطبقات، وطبقوها على البيانات مؤرشفة تم جمعها من أحداث العالم الحقيقي. تمكنت خوارزميات التعلم العميق من تحديد إشارات الأحداث الزلزالية بشكل أسرع وأكثر دقة من أنظمة المراقبة التقليدية.

قال يون إنهم يأملون في غضون خمس سنوات من تطبيق العديد من خوارزميات التعلم الآلي مثل هذه والخوارزميات التي تتضمن مبادئ علوم الأرض لاكتشاف الزلازل المستحثة المتعلقة بأنشطة الوقود الأحفوري في حقول النفط أو الغاز. وقال إنه يمكن أيضاً تطبيق الخوارزميات لاكتشاف العيوب الخفية التي قد تصبح غير مستقرة بسبب عزل الكربون أو تحفيز الطاقة الحرارية الأرضية.

وكان خطأ خفي قد سبب حدوث زلزال مفاجئ في موقع لتحفيز الطاقة الحرارية الأرضية في بوهانج بكوريا الجنوبية. وقد تبين لعالم الجيولوجيا في «مختبرات سانديا»، كيونغ يونغ تشانغ، أن الضغط الناجم عن الحقن عبر الصخور ينتقل إلى الصدع العميق، مؤكداً الحاجة إلى نماذج متعددة فيزيائية تجمع أشكالاً مختلفة من الإجهاد تتجاوز مجرد ضغط المسام وتشويه الصخور لفهم الزلازل المستحثة.