ИИ и оптоволокно помогли обнаружить скрытые землетрясения под Тихим океаном

Горы Кенай возвышаются над заливом Кука, где два оптоволоконных кабеля собирали сейсмические данные с шумного морского дна для последующего анализа с помощью ИИ. Автор: Цибинь Ши

Тихоокеанский северо-запад имеет разветвлённую сеть из более чем 600 сейсмических станций, которые помогают учёным отслеживать тектонические и вулканические явления, включая землетрясения.

Эти данные дают ключевое понимание региональных разломов и используются в системах раннего предупреждения, способных дать населению драгоценные минуты для подготовки перед стихийным бедствием. Однако главная угроза для этого региона находится в нескольких милях от берега, где плита Хуан-де-Фука погружается под Северо-Американскую плиту, формируя зону субдукции Каскадия.

Мониторинг активности разломов на океанском дне — сложная задача, и существующие методы часто не дают достаточного количества данных для детального анализа.

Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи экспериментируют с технологией распределённого акустического зондирования (DAS), которая измеряет вибрации морского дна с помощью оптоволоконных кабелей, проложенных по дну океана для глобальных телекоммуникаций.

Последние достижения позволяют учёным собирать данные с работающих кабелей и использовать искусственный интеллект для обнаружения удалённых землетрясений, которые иначе остались бы незамеченными.

В исследовании, опубликованном в Seismological Research Letters, учёные из Университета Вашингтона подключились к региональной кабельной сети Ocean Observatory Initiative, охватывающей границу океанических плит и передающей данные через оптоволокно.

«Мы создали отправную точку для любого анализа землетрясений», — говорит соавтор исследования Марин Денолль, доцент кафедры наук о Земле и космосе. «После обработки данных алгоритмом ИИ мы можем использовать эти колебания для научных целей».

Оптоволоконные сети привлекли внимание исследователей в последнее десятилетие, когда стало ясно, что они могут записывать данные о твёрдой Земле. Кабели передают информацию на большие расстояния в виде фотонов — частиц света.

Сенсор, называемый интеррогатором, посылает световой импульс по кабелю, но несовершенства сердцевины иногда вызывают отражение света обратно к источнику сигнала. Возмущения рядом с кабелем могут изменить траекторию отражённых частиц, и когда они возвращаются к источнику, учёные анализируют их путь, чтобы определить местоположение возмущения.

«Когда землетрясение слабое или далёкое, энергия в кабеле относительно мала по сравнению с океаном, и сигнал теряется в фоновом шуме», — объясняет Цибинь Ши, бывший постдок UW, а ныне сейсмолог Университета Райса.

В предыдущем исследовании учёные UW разработали алгоритм, который выделяет сигнал и усиливает его над фоновым шумом в 2,5 раза. Алгоритм самостоятельно анализирует данные и учится распознавать сигнал — в данном случае землетрясение.

Для обучения модели использовались данные 285 землетрясений, произошедших в заливе Кука на Аляске в 2023 году.

«Хорошо обученная модель обнаружит землетрясения, невидимые человеческому глазу, — говорит Ши. — Это первый шаг к созданию универсальной базовой модели для землетрясений».

Чтобы проверить работу системы в других условиях, исследователи протестировали её в Орегоне на работающем кабеле. Предыдущие эксперименты, включая тест на Аляске, использовали неактивные кабели.

В Орегоне учёные доказали, что могут собирать высококачественные данные, пока кабели передают информацию. Они подключились к региональной кабельной сети OOI, настроили алгоритм на частоту сейсмических волн от небольших и средних землетрясений и смогли точно определить их местоположение в зоне субдукции.

«Это максимально близко к эпицентру событий, — говорит Денолль. — Для науки, мониторинга и ранних предупреждений о цунами и землетрясениях это наш лучший инструмент».

Система портативна и требует умеренных вычислительных мощностей. Трёхдневный эксперимент в Орегоне дал огромный объём данных, с которым команда пока не знает, что делать. Сейчас учёные решают, как управлять этим массивом информации. Оба набора данных опубликованы в открытом доступе, а аляскинский набор стал крупнейшим в своём роде.

«Это будущее, — заключает Денолль. — Мы будем изучать тектонику плит через малые землетрясения, и эта система даёт нам беспрецедентный доступ к таким данным».

Дополнительная информация: Qibin Shi et al, Multiplexed Distributed Acoustic Sensing Offshore Central Oregon, Seismological Research Letters (2025). DOI: 10.1785/0220240460

Источник: University of Washington