Algorytm stawia nowe pytania dotyczące zapisu trzęsienia ziemi w Cascadii

27 sierpnia 2024

Ten artykuł został przejrzany zgodnie z procesem redakcyjnym i politykami Science X. Redaktorzy wyróżnili następujące cechy, dbając jednocześnie o wiarygodność treści:

• sprawdzonych faktów
• zaufane źródło
• skorygnowany tekstu

przez University of Texas w Austin

Strefa subdukcji Cascadia na Północno-Zachodnim Pacyfiku ma historię produkcji potężnych i niszczycielskich trzęsień ziemi, które pochłonęły lasy i spowodowały tsunami, które dotarły aż do wybrzeży Japonii.

Najnowsze wielkie trzęsienie ziemi miało miejsce w 1700 roku. Ale prawdopodobnie nie będzie to ostatnie. A obszar, który może być dotknięty, jest teraz pełen tętniących życiem metropolii, w których mieszka miliony ludzi.

Odkrycie częstotliwości trzęsień ziemi, oraz kiedy nastąpi następne 'wielkie trzęsienie', to aktywne pytanie naukowe, które polega na poszukiwaniu oznak przeszłych trzęsień ziemi w geologicznym zapisie w postaci wstrząśniętych skał, osadów i krajobrazów.

Jednakże, badanie przeprowadzone przez naukowców z University of Texas w Austin i współpracowników kwestionuje wiarygodność zapisu trzęsień ziemi, który obejmuje tysiące lat - rodzaj geologicznego osadu zwany turbidytami, które występują w warstwach dna morskiego.

Badacze zanalizowali wybrane warstwy turbiditytowe ze strefy subdukcji Cascadia datujące się z około 12 000 lat temu za pomocą algorytmu, który ocenił, jak dobrze warstwy turbiditytowe się korelują ze sobą.

Stwierdzili, że w większości przypadków korelacja między próbkami turbiditytu nie była lepsza niż losowa. Ponieważ turbidityty mogą być spowodowane przez różne zjawiska, a nie tylko trzęsienia ziemi, wyniki sugerują, że połączenie zapisu turbiditytowego z przeszłymi trzęsieniami ziemi jest bardziej niepewne niż dotychczas sądzono.

'Chcielibyśmy, aby wszyscy, którzy odnoszą się do interwałów trzęsień ziemi w strefie subdukcji Cascadia, zrozumieli, że te harmonogramy zostały poddane w wątpliwość przez to badanie,' powiedziała Joan Gomberg, geofizyczka badawcza w Instytucie Geologicznym USA i współautorka badania. 'Ważne jest przeprowadzenie dalszych badań w celu doprecyzowania tych harmonogramów. To, co wiemy, to że strefa Cascadia była aktywna sejsmicznie w przeszłości i będzie w przyszłości, więc ostatecznie, ludzie muszą być przygotowani.'

Wyniki niekoniecznie zmieniają szacowaną częstotliwość trzęsień ziemi w strefie Cascadia, która wynosi około 500 lat, powiedzieli badacze. Obecna szacowana częstotliwość opiera się na szerokim zakresie danych i interpretacji, nie tylko na analizowanych turbiditytach w tym badaniu. Jednakże wyniki podkreślają potrzebę dalszych badań nad warstwami turbiditytowymi, w szczególności, i jak się one mają do siebie i dużych trzęsień ziemi.

Współautor Jacob Covault, profesor badawczy w Wydziale Geologii UT Jackson School, powiedział, że algorytm oferuje narzędzie ilościowe, które zapewnia powtarzalną metodę interpretacji starożytnych zapisów trzęsień ziemi, które zazwyczaj bazują na bardziej jakościwych opisach geologii i ich potencjalnych współzależnościach.

'To narzędzie zapewnia powtarzalne wyniki, dlatego wszyscy widzą to samo,' powiedział Covault, współkierownik laboratorium Clastics w Jackson School's Bureau of Economic Geology. 'Możesz teoretycznie dyskutować z tym wynikiem, ale przynajmniej masz bazę, podejście, które jest odtwarzalne.'

Wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie Geological Society of America Bulletin. W badaniu wzięli udział badacze z USGS, Stanford University oraz Alaska Division of Geological & Geophysical Surveys.

Turbidityty są resztkami podwodnych osuwisk. Składają się z osadów, które opadły z powrotem na dno morskie po tym, jak zostały wyrzucone do wody przez gwałtowne ruchy osadów płynących po dnie oceanu. Osady w tych warstwach mają charakterystyczne gradacje, z ziarnami grubszymi na dole i drobniejszymi na górze.

Ale istnieje więcej niż jedna metoda tworzenia warstwy turbiditytowej. Trzęsienia ziemi mogą wywoływać osuwiska, kiedy wstrząsają dnem morskim. Ale również burze, powodzie i cały szereg innych zjawisk naturalnych, choć na mniejszą skalę geograficzną, mogą to powodować.

Obecnie, połączenie turbiditytów z przeszłymi trzęsieniami ziemi zazwyczaj polega na znalezieniu ich w rdzeniach geologicznych pobranych z dna morskiego. Jeśli turbidityt pojawia się w mniej więcej tym samym miejscu w wielu próbkach z relatywnie dużego obszaru, jest ono uznawane za pozostałość po przeszłym trzęsieniu ziemi, według badaczy.

Choć badania próbek datowanie węglowe mogą pomóc zawęzić zakres czasowy, nadal istnieje wiele niepewności w interpretacji, czy próbki pojawiające się mniej więcej o tej samej porze i miejscu są powiązane tym samym zdarzeniem.

Zrozumienie, jak różne próbki turbidytowe są ze sobą powiązane, zainspirowało badaczy do zastosowania bardziej ilościowego podejścia - algorytmu o nazwie "dynamiczne przeciąganie czasu" - do danych turbidytowych. Metoda algorytmiczna sięga lat 70. i ma szerokie zastosowanie, od rozpoznawania głosu po wygładzanie grafiki w dynamicznych środowiskach VR. To pierwszy raz, kiedy został zastosowany do analizy turbidytów - powiedział współautor Zoltán Sylvester, profesor badawczy na Jackson School i współkierownik Laboratorium Klastyki Ilościowej, który prowadził adaptację algorytmu do analizy turbidytów. 

"Ten algorytm był kluczowym elementem wielu projektów, nad którymi pracowałem" - powiedział Sylvester. "Jednak wciąż jest bardzo mało wykorzystywany w nauce o Ziemi." Algorytm wykrywa podobieństwo między dwiema próbkami, które mogą różnić się w czasie i określa, jak dokładnie dane między nimi pasują. W przypadku oprogramowania do rozpoznawania głosu oznacza to rozpoznawanie kluczowych słów, nawet jeśli są wypowiadane w różnych prędkościach lub wysokościach. W przypadku turbidytów polega to na rozpoznawaniu wspólnych właściwości magnetycznych między różnymi próbkami turbidytów, które mogą wyglądać inaczej w różnych miejscach, mimo że pochodzą z tego samego zdarzenia. "Korelowanie turbidytów to niełatwe zadanie" - powiedziała współautorka Nora Nieminski, kierownik programu zagrożeń przybrzeżnych w Alaska Division of Geological & Geophysical Surveys. 

"Turbidityty zazwyczaj demonstrują znaczącą zmienność boczną, która odzwierciedla ich zróżnicowaną dynamikę przepływu. Dlatego nie można oczekiwać, że turbidityty zachowują ten sam charakter osadowy na duże odległości, ani nawet małe odległości w wielu przypadkach, zwłaszcza wzdłuż aktywnych krawędzi, takich jak Cascadia, czy w różnych środowiskach osadowych." Badacze poddali również korelacje wyprodukowane przez algorytm kolejnemu poziomowi analizy. Porównali wyniki z danymi korelacyjnymi obliczonymi przy użyciu danych syntetycznych, uzyskanych przez porównanie 10 000 par losowych warstw turbidytów. 

To porównanie syntetyczne służyło jako kontrola przeciwko przypadkowym dopasowaniom w rzeczywistych próbkach. Badacze zastosowali swoją technikę do logów podatności magnetycznej dla warstw turbidytów w dziewięciu rdzeniach geologicznych, które zostały zebrane podczas wyprawy naukowej w 1999 roku. 

Stwierdzili, że w większości przypadków, połączenie między warstwami turbidytów, które wcześniej były skorelowane, było nie lepsze niż losowe. Jedynym wyjątkiem od tej tendencji były warstwy turbidytów, które były względnie blisko siebie - nie więcej niż około 15 mil od siebie. Badacze podkreślają, że algorytm jest tylko jednym sposobem analizy turbidości, a włączenie innych danych może zmienić stopień korelacji między rdzeniami w jednym kierunku lub drugim. Ale według tych wyników obecność turbidości w tym samym czasie i w ogólnym obszarze w zapisie geologicznym nie jest wystarczająca, aby stanowczo połączyć je ze sobą. 

A chociaż algorytmy i metody uczenia maszynowego mogą pomóc w tym zadaniu, to geolodzy muszą interpretować wyniki i zobaczyć, dokąd prowadzi badanie. "Jesteśmy tu po to, by odpowiadać na pytania, a nie tylko stosować narzędzie" - powiedział Sylvester. "Ale jednocześnie, jeśli pracujesz w tego typu dziedzinie, zmusza cię to do bardzo starannego myślenia." Więcej informacji: Nora M. Nieminski et al, Korelacja turbidozy dla paleosejsmologii, Bulletin Geological Society of America (2024). DOI: 10.1130/B37343.1 Dostarczone przez University of Texas at Austin