Science, 2022. DOI: 10.1126/science.abn1045
Сейсмическая сеть Гаити не работает, а "Малиновые коктейли" помогают при землетрясении
Днем 12 января 2010 года землетрясение магнитудой 7,0 произошло примерно в 16 милях к западу от столицы Гаити Порт-о-Пренса. Это одно из самых значительных зарегистрированных сейсмических бедствий, в результате которого погибло более 100 000 человек. Ущерб, исчисляемый миллиардами долларов, оставил без крова более миллиона человек и разрушил большую часть инфраструктуры региона. Земля сотрясалась на относительно небольшой глубине около 8 миль, опрокидывая плохо построенные здания.
В то время в Гаити не было национальной сейсмической сети. После разрушительного события ученые установили дорогостоящие сейсмические станции по всей стране, но эти приборы требуют финансирования, ухода и опыта; сегодня эти станции уже не функционируют. В 2019 году сейсмологи решили попробовать нечто иное и гораздо менее дорогостоящее - гражданскую сейсмологию с помощью Raspberry Shakes.
Утром 14 августа 2021 года, на фоне лета блокировок COVID-19 и политических волнений, произошло еще одно землетрясение, что дало возможность проверить, насколько полезными могут быть эти устройства на базе Raspberry-Pi. В статье, опубликованной в четверг в журнале Science, исследователи описали использование данных Raspberry Shake, чтобы продемонстрировать, что эта сеть "гражданской науки" успешно отслеживала как основной толчок, так и последующие афтершоки и предоставила данные, необходимые для распутывания того, что оказалось не таким уж простым разрывом земли.
Еще более мощное землетрясение
Магнитуда землетрясения в августе 2021 года составила 7,2 - на 40 процентов мощнее, чем у его предшественника 2010 года. Разрыв произошел вдоль той же зоны разлома, но уже сельском регионе болььшей частью, что привело к сравнительно меньшим потерям. Тем не менее, около 2 500 человек погибли, 13 000 получили ранения, и по меньшей мере 140 000 домов были разрушены или повреждены.
Одна из Raspberry Shakes, установленных в 2019 году, оказалась примерно в 21 километре от эпицентра, а еще две гражданские станции находились достаточно близко, чтобы зафиксировать землетрясение. Вместе с двумя другими сейсмическими станциями в Порт-о-Пренсе - одной в посольстве США и другой в местной средней школе - уведомление от Raspberry Shake пришло в течение минуты после землетрясения, сказал Эрик Кале. (Кале был в числе ученых, возглавлявших международное реагирование после землетрясений 2010 и 2021 годов, и руководителем инициативы "Гражданская наука"). Еще два Raspberry Shake вблизи эпицентра, недоступные во время основного толчка из-за проблем с подключением к Интернету, были вновь подключены своими хозяевами в течение двух часов.
Сейсмическая сеть, которой нет
Чтобы обнаружить любые подземные толчки, включая землетрясения, необходима сейсмическая станция, оснащенная датчиками, средствами для записи данных, местом для хранения информации и питанием для работы всей этой конструкции. Сейсмологи обычно используют дорогостоящие сейсмические станции, которые должны быть тщательно установлены, чтобы минимизировать фоновые колебания, вызванные людьми, ветром и даже изменениями атмосферного давления. Чтобы передавать данные в режиме реального времени, станции нуждаются в постоянной связи через сотовые сети или спутниковые каналы. Эти станции должны обслуживаться специалистами, специально обученными для этой цели.
После землетрясения 2010 года вновь установленная традиционная сейсмическая сеть должна была обслуживаться Бюро шахт и энергетики Гаити. К 2018 году, когда в результате землетрясения магнитудой 5,9 погибли 17 человек, ни одна из этих станций не функционировала, что вынудило население Гаити полагаться на информацию, собираемую дистанционно Геологической службой США.
По словам соавтора и сейсмолога Энтони Ломакса, по впечатлениям гаитянских ученых, основным препятствием для создания стабильной сейсмической сети является общее беззаконие - от кражи оборудования до похищения людей с целью получения выкупа.
"Три основные дороги из Порт-о-Пренса в провинции контролируются бандами", - согласился Кале. "Правительству пришлось заплатить им, чтобы они прекратили стрелять и грабить, чтобы после землетрясения могла пройти гуманитарная помощь".
"Малиновый коктейль" на помощь
Дешевые сейсмические станции Raspberry Shake, которые не требуют особого обслуживания, могут обойти многие проблемы, с которыми сталкивается обычная сейсмическая сеть. При помощи компьютера Raspberry Pi, который управляет загрузкой данных на серверы, Raspberry Shakes требуется подключение к Интернету и розетка для хранения данных и питания, соответственно. В то время как обычные сейсмические станции могут стоить более 10 000 долларов каждая, эти приборы стоят в разы меньше - около 400 долларов.
Хотя существует несколько моделей, которые могут измерять различные параметры (например, Raspberry Shake and Boom, содержащий детектор инфразвука), ученые, ответственные за развертывание сети гражданской науки на Гаити, выбрали Raspberry Shake 4D, который включает детектор вертикальной скорости и акселерометры, измеряющие движение в двух горизонтальных направлениях, а также вверх-вниз. По словам соавтора Франсуазы Курбулекс, финансирование проекта осуществляется в основном двумя французскими институтами. Сеть Raspberry Shake была в основном установлена по всему Гаити Стивом Симите и Кале.
Симит, Кале и их коллеги-гражданские ученые разместили станции в удобных местах, например, в вышеупомянутых гостиных, которые, как правило, являются довольно шумными местами. Окружающие вибрации, улавливаемые этими станциями, обычно намного выше, чем у обычной сейсмической станции, которая защищена от сотрясений повседневной жизни специально разработанными сводами. Несмотря на шум, эти Raspberry Shakes по-прежнему предоставляют ценную информацию в стране, где нет других сейсмических приборов.
В настоящее время многие станции предоставляют данные в режиме реального времени, доступные на платформе ayiti-seismes. Эта сеть может обнаруживать землетрясения на Гаити гораздо меньшей магнитуды, чем другие региональные сети Карибского бассейна, а последние данные о местоположении и магнитуде можно найти на сайте.
Испытание встряской
Ближайшая к месту землетрясения станция R50D4 Raspberry Shake предоставила бесценную информацию как во время, так и после землетрясения. Во-первых, пиковое ускорение грунта - максимальное ускорение, которое испытал грунт во время землетрясения в месте расположения сейсмической станции - оказалось несколько больше, чем ожидалось. Ожидаемое значение вошло в строительные нормы и правила, опубликованные в 2012 году. Ускорение и тряска, сказал Ломакс, обычно больше на высоких этажах. Это означает, что новые многоэтажные здания не были рассчитаны на то, чтобы выдержать событие 2021 года.
В любом случае, только менее 10 процентов гаитянских зданий проектируются и проверяются инженерами, сказал Кале.
"Инженеры сами решают, следовать им нормам или нет", - пояснил он. "Нет никакой ответственности".
Единственная хорошо расположенная станция R50D4 также дала сейсмологам возможность проверить, могут ли они использовать машинное обучение для определения афтершоков, используя только одну сейсмическую станцию. Они обучили алгоритм выявлять землетрясения магнитудой более 3,0, используя базы данных землетрясений и шумов. Эта процедура машинного обучения, примененная к станции R50D4, позволила определить время и приблизительную магнитуду всех последующих афтершоков вблизи станции, сказал Ломакс.
Полученный каталог невероятно хорошо сопоставился с каталогом афтершоков, составленным всей гражданской сейсмической сетью.
"ИИ достаточно силен в поиске сигналов, скрытых в шуме, при условии, что алгоритм был должным образом обучен распознавать землетрясения", - сказал Кале.
Это исследование подчеркивает важность наблюдений вблизи места разрыва, говорит сейсмолог Веньюань Фань, который не принимал участия в этом исследовании.
"Даже редкие, недорогие и относительно шумные наблюдения могут помочь в смягчении опасности и управлении рисками".
Скопления скольжения, скопления землетрясений
Данные Raspberry Shake дали информацию о сложном характере системы разломов на Гаити. Разломы, на которых произошли землетрясения 2010 и 2021 годов, похоже, в основном являются разломами ударного скольжения, в которых две тектонические плиты шлифуют друг друга, а не движутся друг к другу или друг от друга. Но на Гаити Карибская плита скребет по Североамериканской плите, одновременно подталкивая ее к себе. Это косое движение означает, что землетрясения могут быть как ударно-надвиговыми, так и с обратным компонентом, при котором они сходятся вместе, но под углом. Эти обратные разломы скрываются под землей и, в отличие от разломов ударно-сдвигового типа, могут никогда не выходить на поверхность, но при этом сеять хаос снизу.
Землетрясение 2010 года содержало элементы обоих этих типов движения плит, и анализ сейсмических данных позволил предположить, что то же самое произойдет и в 2021 году.
На основе анализа, включающего как данные Raspberry Shake, так и информацию с обычных сейсмических станций, расположенных на расстоянии, Кале и его коллеги обнаружили, что землетрясение 2021 года можно разделить на два отдельных суб-события. Землетрясение началось как надвиг, при котором одна сторона поднялась относительно другой, но это было в основном скрыто - эта часть землетрясения не прорвалась на поверхность. Вторым субсобытием был компонент надвига, который произошел к западу от первой части и после нее. Этот разрыв был более мелким и нарушил поверхность, по словам Кале.
Надвиговое субсобытие могло "спровоцировать" ударно-сдвиговое. То, что они просто совпали, практически невозможно, говорит Ломакс.
"Дальнейшая работа покажет нам, - сказал Кале, - какова связь между этими двумя частями землетрясения в целом. Землетрясение могло прекратиться после первого субсобытия, но разрыв нес достаточно энергии, чтобы перескочить на другой близлежащий сегмент - как и в 2010 году!"
