Ученые, возможно, приближаются к созданию надежных прогнозов землетрясений

Фото из открытых источников

В течение 11 лет ученые в Калифорнии протестировали более 50 000 прогнозов землетрясений, выявив, насколько хорошо прогностические модели соответствуют реальной сейсмической активности. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Никто не может точно предсказать, когда произойдет следующее крупное землетрясение. Но десятилетнее тестирование 27 моделей прогнозирования на основе реальных сейсмических данных в Калифорнии дало интересные результаты.

Результаты показывают, что лучшие вероятностные системы прогнозирования работают. Их прогнозы неизменно совпадали с тем, что произошло на самом деле. Исследование проводилось под руководством Бристольского университета.

Прогнозирование землетрясений — это не то же самое, что предсказание землетрясений. 

В прогнозе не говорится: «В четверг в Лос-Анджелесе произойдет землетрясение магнитудой 6». В нем говорится следующее: с учетом прошлой сейсмической активности, вот вероятностное распределение того, где, когда и насколько сильными могут быть землетрясения на следующий день. 

Это полезная информация, особенно во время сейсмических роев или в дни после крупного события. Когда общественность и гражданские власти принимают реальные решения, касающиеся зданий, инфраструктуры и путей эвакуации, прогнозирование имеет решающее значение.

Проблема заключалась в том, что никто не проводил тщательной проверки того, насколько эти прогнозы действительно точны в долгосрочной перспективе. Это означает, что модели были созданы заранее, а затем проверены на соответствие результатам, полученным впоследствии. 

«В настоящее время ни один научный метод не может точно предсказать, когда и где произойдет следующее землетрясение», — сказал ведущий автор исследования Хосе А. Байона из Бристольского университета. «Вероятностное прогнозирование предоставляет полезную информацию о том, где, когда и насколько велика вероятность сильных землетрясений в течение определенного периода времени».

Тестирование проводилось с августа 2007 года по август 2018 года. Каждый день 27 моделей автоматически генерировали новый прогноз для Калифорнии.  Прогнозы включали количество ожидаемых землетрясений, их вероятное местоположение и распределение по магнитуде на следующие 24 часа. К концу периода база данных содержала 51 625 отдельных прогнозов на следующий день.

Эти прогнозы были сопоставлены с данными о 597 зарегистрированных землетрясениях магнитудой более 3,95 — выборка достаточно большая, чтобы сделать статистически значимые выводы. 

Эксперты использовали тесты, разработанные Центром изучения предсказуемости землетрясений (CSEP). Это глобальная научная организация, целью которой является создание строгих, устойчивых к предвзятости рамок именно для такого рода оценок.

В число моделей вошли несколько вариантов двух доминирующих семейств, используемых в операционных системах по всему миру.

Модель эпидемической последовательности афтершоков (ETAS) рассматривает землетрясения как факторы, провоцирующие дальнейшие землетрясения в цепочках, которые предсказуемо затухают с течением времени. 

Модель краткосрочной вероятности землетрясений (STEP) использует аналогичный подход к кластеризации, но применяет другие эмпирические зависимости. В анализ также были включены несколько альтернативных и ансамблевых моделей.

За весь период оценки 95 процентов моделей дали прогнозы, статистически соответствующие наблюдаемому числу землетрясений. Примерно две трети совпали с пространственным распределением наблюдаемых эпицентров. Практически все совпали с распределением магнитуд. 

Последний результат — почти повсеместная согласованность значений магнитуды — заслуживает внимания. Он свидетельствует о том, что соотношение Гутенберга-Рихтера, давно установленный степенной закон, связывающий частоту землетрясений с магнитудой, корректно применяется повсеместно.

Наиболее сложными оказались пространственные и временные проверки. Чаще всего прогнозы давали сбои в период сразу после крупных событий. Это особенно часто происходит в первые день-два после сильного землетрясения, когда частота афтершоков резко возрастает, и модели с трудом справляются с прогнозированием. 

Землетрясение в Эль-Майор-Кукапа магнитудой 7,2 в 2010 году и серия афтершоков оказали ощутимое давление на системы прогнозирования. Однако в течение последующих двух недель более 80 процентов моделей вернулись к статистической согласованности с ежедневными наблюдениями. 

Сейсмический рой в Броули в 2012 году, произошедший вблизи геотермальных электростанций, оказался особенно сложным для моделей, откалиброванных на основе стандартных последовательностей афтершоков.

Отдельные версии ETAS и STEP показали себя с лучшей стороны. ETAS-SMOOTHING-V0, ETAS-ADAPTIVE-M3 и STEPJAVA продемонстрировали наиболее устойчивое соответствие по всем трем критериям оценки. Эти модели уже используются в оперативных системах прогнозирования в Новой Зеландии, Италии и США.

«Наше исследование показывает, что модели, используемые в настоящее время для оперативного прогнозирования землетрясений в некоторых странах, могут давать прогнозы, которые остаются согласованными с наблюдениями в течение длительных периодов перспективных испытаний», — сказал Байона. «Это убедительно доказывает целесообразность их использования в государственных системах оперативного прогнозирования. Мы предложили модельный «рецепт», определяющий элементы, которые можно учитывать при разработке прогнозов, соответствующих наблюдаемому количеству, пространственному расположению и распределению магнитуд землетрясений. Мы также предоставили пакет программного обеспечения с открытым исходным кодом, содержащий код, данные и документацию, необходимые для прозрачного воспроизведения анализа, графиков и результатов исследования».

Данная методика включает в себя более точные оценки фоновой сейсмической активности и тщательную калибровку характера афтершоков. Кроме того, в нем используются методы, которые корректируют прогнозы на основе локальной сейсмической активности, а не применяют один и тот же подход ко всему штату.

Калифорнийский эксперимент, проводившийся более десяти лет, предоставляет доказательства того, что некоторые существующие модели могут давать прогнозы, соответствующие реальной сейсмической активности.