Дрожь в сети

Сибирские учёные заняты созданием нейронной сети, способной анализировать потоки данных с пунктов наблюдений и выявлять в рядах данных признаки готовящихся землетрясений. Эта работа проводится Институтом земной коры СО РАН совместно с Институтом вычислительной математики и математической геофизики СО РАН в рамках созданного Центра комплексного мониторинга опасных геологических процессов ИЗК СО РАН. Пока идут только тестовые испытания, однако в будущем учёные надеются, что нейронная сеть будет способна оперативно обрабатывать большие разноплановые потоки данных и выявлять закономерности, которые в перспективе могут вывести на прогнозы опасных сейсмособытий.

Центр комплексного мониторинга – это часть крупного проекта Минобрнауки России «Фундаментальные основы, методы и технологии цифрового мониторинга и прогнозирования экологической обстановки Байкальской природной территории». В 2020 году министерство объявило конкурс, по итогам которого было поддержаны 42 проекта на территории России. Один из них – на 300 млн рублей – в 2020 году выиграли иркутские учёные. Выполняет этот крупный проект консорциум из 15 институтов, включая Институт динамики систем и теории управления имени В.М. Матросова СО РАН (ИДСТУ СО РАН), ИЗК СО РАН, институты Томска, Новосибирска, Улан-Удэ. Учёные исследуют состояние экосистем, условия существования человеческой инфраструктуры на Байкале. Пять блоков включают исследования лесного покрова, водных ресурсов, атмосферы, экологии в разрезе здоровья человека. Отдельный блок посвящён формированию концептуальных основ мониторинга экстремальных геологических и эколого-геотехнических процессов. И в этом направлении участвует ИЗК СО РАН. Цифровой мониторинг Байкальской природной территории, осуществляющийся сейчас в разных направлениях, позволит создать систему мониторинга нового поколения, которая потом будет масштабирована на всю страну. Сейчас мониторинги выполняются разными организациями, координация практически отсутствует, в будущем же работа консорциума из 15 институтов может заложить основу комплексной работы, сообщил директор ИЗК СО РАН Дмитрий Гладкочуб.

– Землетрясения часто являются триггером для других опасных геологических процессов – селей, обвалов, оползней, – рассказал заведующий лабораторией тектонофизики ИЗК СО РАН, доктор геолого-минералогических наук Константин Семинский. – Для южного Прибайкалья, и мы все это заметили, сейчас идёт период активизации. На Хубсугуле произошло 4 достаточно опасных сейсмических события, которые вроде бы нарушили определённую периодичность появления землетрясений подобной интенсивности. Но на самом деле результаты того мониторинга, который мы сегодня проводим (а это очень мало для геологических процессов), уже позволяют говорить о причинах появления такой активности, по крайней мере – об определённых гипотезах. Землетрясения у нас происходят в Байкальской рифтовой зоне, это крупнейшая межблоковая граница, контакт Сибирского и Забайкальского блоков. Перемещения блоков относительно друг друга происходят со скоростью примерно 3-4 мм в год. И идут они по разломам.

Эти перемещения, как отметил Константин Семинский, могут сопровождаться землетрясениями. Когда они ощутимы для населения и инфраструктуры региона, встаёт вопрос о необходимости создания современных прогнозов. «Наш институт занимается сбором данных многие десятки лет, выявлены различные закономерности сейсмического процесса, в частности – периодичность появления землетрясений разной силы. Выявлены места, где они могут проявиться. Но речь о среднем прогнозе, а это недели, месяцы, краткосрочный прогноз – часы, дни – может идти тогда, когда есть система мониторинга. Причём мониторинга не только сейсмической активности, но и многих других геофизических полей, в которых проявляются процессы подготовки и реализации землетрясения, – убеждён учёный. – Такие системы мониторинга в нашем регионе были организованы достаточно давно. Это сеть сейсмостанций, которую организовывает и поддерживает Байкальский филиал Единой геофизической службы РАН. Это система мониторинга современных движений. Это наблюдения за деформацией горных пород, за эманациями радона. Но эти сети в нашем регионе не совпадают по пунктам наблюдений. А наиболее эффективен мониторинг тогда, когда эти совпадения есть. В рамках проекта Минобронауки перед ИЗК стояла задача организовать такие пункты, на которых стояло бы однотипное оборудование. И пусть их будет мало, но измерения на них проводились бы единообразно. Стоит задача – начать с таких пунктов, отладить их работу, сбор данных с них, обработку. А затем распространить их на разнотипные системы мониторинга». Однако для каждой из них нужна качественная модель происходящих процессов, она является базой для дальнейшего сбора и обработки получаемой информации. И учёные ИЗК СО РАН занялись созданием такой модели.

Существует несколько гипотез происхождения Байкальской рифтовой зоны. Одна из них: структура растяжения рифта формируется в результате подъёма аномальной мантии и растяжения на своде. Вторая гипотеза – разрыв в литосфере сформировался в результате перемещения блоков, причём перемещения сдвигового типа для такой крупной структуры. А структура растяжения, собственно Байкальский рифт, сформировалась там, где есть краевой выступ Сибирского блока. Это вещественная неоднородность, у которой концентрируются напряжения. «Мы попытались в лабораторных условиях сформировать процесс растяжения при сдвиговых нагрузках, – рассказал Константин Семинский. – Но без влияния внутреннего источника, внедрения аномальной мантии. Для этого в лаборатории проводился эксперимент на влажной глине. Считается, что влажная глина ведёт себя в условиях эксперимента так же, как литосфера в процессах крупномасштабного разломообразования». Один миллиметр модели – это 1 километр реального расстояния, а одна минута эксперимента, когда модель подвергается деформациям, – 1 миллион лет в природе. Модель позволяет понять, как идёт смещение в реальных условиях, когда проходят миллионы лет. «Поведение глинистой пасты в процессах лабораторного эксперимента аналогично реологическому (деформационному) поведению литосферы в процессах крупномасштабного разломообразования», – говорит учёный. Эта экспериментальная модель служит основой для дальнейшего сбора информации.

Для проведения исследований учёным необходимо фиксировать напряжение в разных полях. И для этого в нескольких пунктах комплексного мониторинга были организованы пункты наблюдения за сейсмической активностью – в Бугульдейке, Приольхонье, Листвянке. Далее будут созданы пункты в Максимихе, на Южном Байкале. Поставлено оборудование для измерений движения земной коры, деформации породного массива, измерения удельного сейсмического напряжения на сейсмогенных глубинах, эманаций почвенного радона, температуры грунтов и другого.

«Все эти измерения проводятся одновременно в одних и тех же пунктах, – сказал Константин Семинский. – Информация о полученных измерениях передаётся в Институт земной коры, в наш Ситуационный центр. Одна серия передаётся в онлайн-режиме, другая – по запросу. Некоторые измерения мы можем забрать, используя только твёрдые носители. Наша система пока только формируется, отрабатывается, поскольку мы занимаемся ею лишь два года. Она даёт возможность обрабатывать данные о разных полях, связанных с изменением напряжённого состояния, подготовкой землетрясения, едиными методами. Используя, например, современные методы искусственного обучения. Мы не можем обработать такой объём данных вручную, хотя и это тоже делается. Зато у нас есть возможность обработать его современными методами, выделяя какие-то корпоративные эффекты в поведении среды, которые отражаются в разных полях и свидетельствуют о том, что происходят какие-то существенные изменения и, возможно, будет сейсмическое событие. Сейчас эти работы в начальной стадии, формируется цифровая платформа в Центре комплексного мониторинга, обрабатываются первые ряды. Найдены определённые предвестники землетрясений в разных типах полей. Они будут анализироваться на предмет их эффективности в плане прогнозов».

– ИЗК ведёт исследования различных физических полей десятки лет, – рассказал начальник Центра комплексного мониторинга опасных геологических процессов ИЗК СО РАН Игорь Семинский. – Накоплен материал, уникальная база данных. Наша задача – объединить базу данных, обеспечить работоспособность пунктов мониторинга, телеметрию. Мы должны получать данные с этих пунктов удалённо и своевременно. Всего в ближайшее время планируется перевести в режим телеметрии три пункта мониторинга, причём будут переведены и те приборы, которые не были предназначены для телеметрической передачи. У нас есть мощности, чтобы получать данные удалённо. И, что немаловажно, необходимо создать определённую структуру big data. Сделать так, чтобы ряды наблюдений не хранились у каждого специалиста отдельно, а так, чтобы была возможность сравнивать и анализировать на едином планшете. Для этого создана онлайн-платформа, с помощью которой можно визуализировать данные различных видов мониторинга на едином планшете, «подгружать» ближайшие к нашим пунктам произошедшие землетрясения. На сегодняшний день можно производить несколько видов математических операций, фильтраций, пытаться найти предвестники землетрясений – как среднесрочные, так и краткосрочные. В ближайшие годы планируется внедрение нейронной сети, искусственного интеллекта для автоматического поиска этих предвестников. На вход нейронной сети будут закладываться представления об этих предвестниках, а в дальнейшем сеть сама будет искать аномальное поведение рядов и, условно говоря, рассылать предупреждения. Но это дальний план, большая работа. И то, что мы её начали, – я считаю, само по себе достижение».

Сейчас комплексных пунктов мониторинга три: в Бугульдейке, Приольхонье, Листвянке, но ИЗК СО РАН уже работает над расширением сети и переводом в режим телеметрии. В этом году или в начале следующего будет открыт пункт на Южном Байкале. Работы по созданию нейронной сети ведутся совместно с Институтом вычислительной математики и математической геофизики СО РАН. «В этом году планируется только пилотный проект. То есть говорить о том, что в следующем году нейронная сеть будет работать и рассылать тревожные СМС-сообщения, нельзя. Но мы тестируем нейронную сеть на наших данных», – сказал Игорь Семинский.