هذه الخدعة الرياضية الذكية يمكن أن تغير الطريقة التي يدرس بها العلماء الزلازل

قد تكون الزلازل غير متوقعة، لكن آثارها ليست غامضة تمامًا. تقدم تقنيات النمذجة الجديدة رؤية أوضح تحت السطح.

وفي يوم السبت 6 ديسمبر 2025 أ زلزال بقوة 7.0 يضرب ألاسكا. تعتبر الأحداث بهذا الحجم نادرة نسبيًا، لكن الزلازل الأصغر حجمًا تحدث باستمرار في جميع أنحاء العالم. تقدر هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (USGS) ذلك تقريبًا 55 زلزالا يحدث كل يوم، بإضافة ما يصل إلى حوالي 20000 كل عام.

عادة، يصل زلزال واحد سنويًا إلى 8.0 درجات أو أعلى، في حين يقع حوالي 15 زلزالًا آخر ضمن نطاق 7 درجات على مقياس ريختر، الذي يقيس الزلازل بناءً على الطاقة التي تطلقها. في عام 2025، على سبيل المثال، حجم خارجي زلزال بقوة 8.8 تم تصنيف الزلازل القريبة من شبه جزيرة كامتشاتكا الروسية ضمن أكبر 10 زلازل تم تسجيلها على الإطلاق، وفقًا لهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية.

يمكن أن تكون عواقب الزلازل وخيمة، بما في ذلك الخسائر في الأرواح، وتدمير المباني والبنية التحتية، والاضطراب الاقتصادي على نطاق واسع. يعاني العديد من الأشخاص أيضًا من آثار نفسية طويلة المدى بعد تعرضهم لزلزال كبير.

أصبحت هذه الأحداث باهظة الثمن على نحو متزايدوفقًا لتقرير عام 2023 الصادر عن هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية والوكالة الفيدرالية لإدارة الطوارئ (FEMA)، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن المزيد من الناس يعيشون الآن في مناطق ذات مخاطر زلزالية عالية. ويقدر التقرير أن الزلازل تكلف الولايات المتحدة ما يقرب من 14.7 مليار دولار سنويا.

لماذا لا يزال التنبؤ بالزلازل بعيد المنال؟

إن القدرة على التنبؤ بموعد ومكان حدوث الزلازل الكبرى، ومدى شدة آثارها، من شأنه أن يحسن الاستعداد بشكل كبير ويقلل الأضرار. ولكن على الرغم من عقود من البحث، فإن التنبؤ بشكل موثوق بالزلازل قبل حدوثها يظل بعيدًا عن متناول العلم الحالي.

ومع ذلك، فإن معرفة شكل باطن الأرض يمكن أن يساعد في تقييم المخاطر بشكل أفضل، كما تقول كاثرين سميتانا، الأستاذ المساعد في قسم العلوم الرياضية في جامعة ستيفنز. وتقول: “قد يكون لديك طبقات من الصخور الصلبة، أو قد يكون لديك رمل أو طين”، وتتصرف الأمواج بشكل مختلف في المواد المختلفة، مما يؤثر بدوره على الحركة على السطح.

لفهم تركيبة هذه الطبقة الجيولوجية بشكل أفضل، أجرى العلماء عمليات محاكاة خاصة تسمى Full Waveform Inversion، وهي تقنية تصوير زلزالي تعيد بناء الشكل الذي تبدو عليه الطبقة تحت السطح. ثم يقومون بنمذجة الزلازل الاصطناعية، ومحاكاة انتشار الموجات الزلزالية الناجمة عن الزلازل الاصطناعية على الكمبيوتر، وتقييم الموجات الزلزالية في مواقع أجهزة قياس الزلازل على السطح.

تتم بعد ذلك مقارنة هذه التقييمات بمخططات الزلازل – مخرجات الرسم البياني لأجهزة قياس الزلازل والسجلات المرئية لحركة الأرض للزلازل الحقيقية. وعندما تصبح بيانات الزلازل الاصطناعية، بعد العديد من التكرارات، قريبة من البيانات الزلزالية الحقيقية، يكون لدى العلماء فكرة أفضل عن الشكل الذي يبدو عليه السطح تحت السطح.

محاكاة الزلازل على الكمبيوتر

في الأساس، يبدأ العلماء بأفضل تخمين لديهم حول الشكل الذي سيبدو عليه السطح تحت السطح في منطقة معينة، ثم يستمرون في تشغيل عمليات المحاكاة، وتحسين النموذج مع كل تكرار حتى يطابق البيانات من حدث حقيقي.

يقول سميتانا: “يمكنك مقارنة البيانات من محاكاة الكمبيوتر لديك مع البيانات الفعلية التي حصلت عليها من الزلازل”. “يسمح لك هذا بمعرفة كيف يبدو السطح تحت السطح وما هو تأثير الزلزال على تكوين السطح تحت السطح – وهذا يساعد في النهاية في تحديد خطر حدوث زلزال في موقع معين.”

تُعد هذه التقنية أساسية لتطوير أدوات المراقبة والتنبؤ، ولكنها تتطلب تشغيل آلاف عمليات المحاكاة التي تستخدم الملايين من معلمات الإدخال، وهو الأمر الذي يستغرق وقتًا طويلاً ويستهلك موارد كثيرة. يقول سميتانا: «باستخدام التقنيات الحالية، قد تستمر عملية محاكاة واحدة لعدة ساعات على مجموعة حاسوبية قوية». “إن تشغيل العديد من عمليات المحاكاة اللازمة للمراقبة يمكن أن يكون مكلفًا للغاية.”

طريق أسرع إلى الأمام

ولمعالجة هذه المشكلة، تتعاون سميتانا مع علماء الزلازل الحاسوبية ريس هوكينز وجانوت ترامبرت من قسم علوم الأرض في جامعة أوتريخت، وماتياس شلوتبوم ومحمد حمزة خالد من قسم الرياضيات التطبيقية في جامعة تفينتي في هولندا.

تمكن الفريق من بناء نموذج مصغر يمكن استخدامه لمحاكاة الموجات الزلزالية الناجمة عن الزلزال لمختلف تكوينات المعلمات بشكل أسرع بكثير من الطرق الحالية.

يقول سميتانا: “في الأساس، قمنا بتقليل حجم النظام الذي تحتاج إلى حله بنحو 1000 مرة”. “لقد كان مشروعًا متعدد التخصصات للغاية، ووجدنا طريقة ذكية لبناء النموذج المصغر مع الحفاظ على دقة من التنبؤ. “أنا أستمتع حقًا بالتعاون متعدد التخصصات، وهذا التعاون على وجه الخصوص لأنك تتعلم رؤية الأشياء من منظور جديد، وهو ما يساعد في نهاية المطاف، في رأيي، في إيجاد أساليب مبتكرة وجديدة لحل مشكلة ما في فريق متعدد التخصصات.”

تم وصف النتائج التي توصل إليها الفريق في الورقة المنشورة مؤخرًا في مجلة مجلة SIAM للحوسبة العلمية.

ماذا يعني هذا بالنسبة لمخاطر الزلازل

على الرغم من أن نموذج الفريق لا يمكنه التنبؤ بموعد حدوث الزلازل، إلا أنه قد يُستخدم في النهاية لتقييم خطر حدوث الزلازل. يوضح سميتانا: “إذا حصلت على صورة جيدة عن باطن الأرض، فستكون لديك فكرة أفضل عن تقييم مخاطر الزلازل المستقبلية”.

هناك مجال آخر قد يكون فيه عمل الفريق مفيدًا في المستقبل، وهو محاكاة موجات التسونامي، التي قد تتشكل عندما تحدث الزلازل تحت سطح البحر. ومع ذلك، اعتمادًا على موقع الزلزال، قد يستغرق الأمر ساعة على الأقل للوصول إلى الأرض، مما يوفر الوقت لإجراء عمليات المحاكاة.

إن الحصول على صور واقعية تحت السطح سيسمح بتقييم أفضل لمخاطر الزلازل. يقول سميتانا: «لا توجد طريقة للتنبؤ بالزلازل في هذا الوقت». “لكن عملنا يمكن أن يساعد في توليد رؤية واقعية لما تحت السطح بقوة حسابية أقل، الأمر الذي من شأنه أن يجعل نماذجنا أكثر عملية ويساعدنا على أن نكون أكثر قدرة على مقاومة الزلازل”.

المرجع: “نموذج التخفيض في الطلب للتطبيقات الزلزالية” بقلم ريس هوكينز ومحمد حمزة خالد وماتياس شلوتبوم وكاثرين سميتانا، 17 سبتمبر 2025، مجلة SIAM للحوسبة العلمية.
DOI: 10.1137/24M1667737

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.