Под Калифорнией находится лабиринт разломов — мест, где большие куски горных пород смещаются относительно друг друга, надвигаются друг на друга, поддвигаются друг под друга или врезаются друг в друга. Они движутся со скоростью роста ногтя, пока в конце концов не начинают резко колебаться, и земля содрогается. Неизбежно, что разрушительные землетрясения будут сотрясать штат. Ничто не может помешать их возникновению. Но понимание того, где они могут произойти и какую силу они могут высвободить, позволяет сообществам подготовиться.
Другими словами, лучший способ предотвратить эти будущие катастрофы — составить карту подземного мира, нанести на неё все разломы и следить за их поведением.
Чтобы создать эти карты, исследователи устанавливают на поверхности сейсмометры — небольшие устройства, которые улавливают и регистрируют всевозможные колебания, в том числе землетрясения. Сейсмические волны немного похожи на музыку. Определив их ноты и изменения ритма, учёные могут понять, какие подземные механизмы их создали, где они находятся и как ведут себя при разрушении.
(Что вызывает землетрясения?)
Исторически сложилось так, что эта работа была кропотливой, часто медленной, а иногда и неточной. Когда Закари Росс, доцент кафедры геофизики в Калифорнийском технологическом институте, начал работать в этой области в начале 2010-х годов, он искал новый подход. Традиционные методы поиска землетрясений «просто ужасны, если честно», — говорит он. Даже лучшие компьютерные программы того времени пропускали некоторые землетрясения. Должен был быть способ получше.
«У нас были огромные объёмы доступных данных», — говорит Росс. Он объясняет, что, поскольку Калифорния настолько геологически активна и так плотно покрыта сейсмометрами, данных было больше, чем могли обработать эксперты-люди. Кроме того, большинство сдвигов пластов вызывают крошечные, незаметные толчки. Они создают настолько слабые сейсмические волны, что даже самым опытным сейсмологам может быть трудно обнаружить их в сейсмических данных, особенно если они похожи на шум от источников, созданных человеком, например, от дорожного движения.
В 2017 году Росса осенило. Он увидел, как программы машинного обучения обрабатывают огромные массивы фотографий, идентифицируя и классифицируя элементы на них с точностью и скоростью, с которыми люди не могут сравниться. И он подумал: почему бы не применить аналогичный подход в сейсмологии?
Первая цель Росса — эти многочисленные крошечные землетрясения. Они могут быть безобидными, но это не делает их незначительными — их волны могут освещать каждый разлом, через который они проходят, в том числе более опасные, напряжённые разломы, которые однажды могут разрушиться и вызвать катастрофу.
Росс и его коллеги взяли сейсмические волны со всей Южной Калифорнии, которые учёные-люди определили как настоящие землетрясения. Затем он создал из них шаблоны, снимки сейсмических волн каждого землетрясения. Наконец, он запустил алгоритм на сейсмической записи, который искал неуловимые землетрясения, соответствующие этим шаблонам, этим снимкам.
Алгоритм быстро выявил почти два миллиона ранее скрытых слабых землетрясений с 2008 по 2017 год, что, в свою очередь, позволило увидеть сложную сеть разломов и особенностей разломов, которые не удавалось обнаружить при предыдущих исследованиях.
Результаты, опубликованные в 2019 году, «были настолько хороши, что приходилось сомневаться в том, что то, что вы видите, действительно реально», — говорит Росс. «Это такая крутая статья, — соглашается Марин Деноль, геофизик из Вашингтонского университета, которая также использует машинное обучение в своих исследованиях. — Объём проделанной работы феноменальный».
Однако был и недостаток. Эта программа, своего рода предшественник настоящего ИИ, могла находить в сейсмограммах только те землетрясения, которые её научили распознавать. Новые сейсмические события оставались незамеченными.
Поэтому Росс обратился к более продвинутым инструментам: программам самообучения, программному обеспечению, которое могло использовать уже имеющуюся информацию и делать прогнозы на будущее — в данном случае о том, как могут звучать гораздо более разнообразные землетрясения. Очень быстро эти программы обнаружили множество землетрясений, которые звучали непривычно, — позже их подтвердили учёные-люди. «Вы просто видите так много вещей, которые были полностью упущены из виду», — говорит Росс.