Раскачивающаяся люстра под потолком, звенящая посуда в шкафу, легкий гул в ушах, неожиданное головокружение… Знакомые всем, кто живет в сейсмически опасных регионах, признаки землетрясения. Нужно немедленно покидать помещение и перемещаться в безопасное место. Но это, понятно, не самые большие неприятности, которые несет грозное природное явление. Последствия, как известно, могут быть катастрофическими. Чтобы принять необходимые меры, позволяющие свести к минимуму ущерб от бедствия, хорошо бы заблаговременно знать, когда и с какой силой проявятся подземные толчки. Увы, получить точные сведения об этом — задача непростая. Приблизиться к ее решению позволят работы старшего научного сотрудника Геофизического центра РАН Бориса ДЗЕБОЕВА. В ходе выполнения проекта, поддержанного грантом Президента РФ, он занимается созданием методики мониторинга сейсмической активности на основе методов дискретного математического анализа. Подробностями об этом исследовании молодой ученый поделился с нашим корреспондентом.
— Надежная оценка сейсмической опасности — важнейшая задача не только сейсмологии, но и всей геофизики, — поясняет Борис Аркадьевич. — Ее решение имеет большое социальное и экономическое значение. Актуальность проблемы постоянно растет из-за неуклонного развития урбанизированных территорий. По данным ООН, землетрясения составляют более 50% от общего числа природных катаклизмов и по причиненному ущербу доминируют среди всех видов катастроф.
Для прогноза землетрясения нужен комплексный подход. Необходимо знать, как и где подготавливается его очаг, следить за последовательными стадиями его развития. Основной физико-геологический базис и принципиальная возможность прогноза землетрясений определяются двумя условиями. Во-первых, прочность слагающих земную кору пород неоднородна: более прочные участки перемежаются со слабыми. Во-вторых, напряжения накапливаются медленно, в течение многих лет. Таким образом, подготовка большого разрыва горных пород отражается в поведении слабой фоновой сейсмичности, наблюдая которую можно выявить период, когда повышается вероятность сильного землетрясения, а также оценить его место и потенциальную силу.
Как правило, среднесрочные предвестники сильного землетрясения появляются за несколько лет или месяцев до его возникновения. Их основу составляют аномальные отклонения от среднего уровня характеристик фонового сейсмического потока, например сейсмической активности, пространственно-временного группирования событий.
Одна из главных составляющих сейсмического мониторинга — сбор и обработка сейсмических данных с целью построения каталога землетрясений для его последующего анализа. Это основная информационная база для проведения работ по оценке степени сейсмической опасности территории.
Наша методика мониторинга сейсмической активности будет основана на изучении региональных каталогов землетрясений. Для этого мы будем использовать достаточно новый математический аппарат — дискретный математический анализ. Мы планируем проводить исследования для таких регионов России, как Камчатка и Северный Кавказ.
Работы по проекту входят в цикл многолетних исследований по структурному анализу дискретных множеств и математическим методам искусственного интеллекта в геофизике, проводимых научной школой академика Алексея Джерменовича Гвишиани.
— Расскажите о ваших исследованиях.
— Прогноз землетрясений имеет несколько стадий. Первая стадия (“бессрочный” прогноз) — определение мест возможного возникновения землетрясений определенной силы (выше некоторого порогового значения). На последующих стадиях с возрастающей степенью точности оцениваются место и время таких землетрясений.
Первой стадии прогноза посвящена моя кандидатская диссертация. В ее рамках на базе дискретного математического анализа создана кластеризационная алгоритмическая система FCAZ (Fuzzy Clustering and Zoning) для распознавания мест возможного возникновения эпицентров землетрясений с магнитудой больше заданной. Исследование проводилось для Калифорнии и Кавказа. Позже подобное исследование провели для горного пояса Анд Южной Америки. Сегодня продолжением диссертационной работы является исследование, победившее в молодежном конкурсе РФФИ. В его рамках мы применяем систему FCAZ для распознавания мест возможного возникновения сильных землетрясений в регионах Дальнего Востока России. В конце прошлого года мы разработали модифицированную версию системы FCAZ. Модификация заключается в создании блоков искусственного интеллекта, в развитии образующих систему алгоритмов.
Научное исследование в рамках гранта Президента РФ — это следующий шаг в моих исследованиях на пути к прогнозу землетрясений. Я надеюсь, что результаты, которые мы получим, позволят продвинуться к следующим стадиям прогноза: конкретизации мест и времени будущих землетрясений.
До переезда в Москву, где я веду исследования в Геофизическом центре РАН (ГЦ РАН), в течение шести лет я занимался проблемой сейсмического микрорайонирования в Центре геофизических исследований Владикавказского научного центра РАН и Правительства Республики Северная Осетия-Алания (сейчас Геофизический институт Владикавказского научного центра РАН) под руководством профессора Владислава Борисовича Заалишвили. Итогом этой деятельности стало мое участие в составлении карт сейсмического микрорайонирования городов и населенных пунктов Республики Северная Осетия-Алания.
Хочется отметить, что мои исследования получают серьезную поддержку и помощь со стороны молодых ученых ГЦ РАН Романа Игоревича Красноперова, Романа Викторовича Сидорова, Ольги Олеговны Самохиной, Юлии Игоревны Жарких, Богдана Павловича Николова.
— Вы уже несколько раз упомянули о дискретном математическом анализе. Что даст его подключение к решению проблемы мониторинга сейсмической активности?
— В середине прошлого десятилетия сотрудники ГЦ РАН Сергей Мартикович Агаян, Шамиль Рафекович Богоутдинов, Анатолий Александрович Соловьев под руководством академика Алексея Джерменовича Гвишиани создали оригинальный подход к анализу дискретных данных под общим названием “дискретный математический анализ” (ДМА). ДМА — это подход к изучению многомерных массивов и временных рядов, базирующийся на моделировании предела в конечной ситуации. Он реализован в серии алгоритмов. Основой построения конечного предела послужил более глубокий и разносторонний по сравнению с традиционным формально-математическим характер восприятия человеком дискретности и стохастичности. Другими словами, то, что академик Владимир Исаакович Кейлис-Борок называл моделированием “на глаз”: решает не математика, а эксперт, и его решение нужно формально выразить. Нечеткая математика и нечеткая логика обладают достаточными возможностями для моделирования экспертных представлений и рассуждений, и потому именно они послужили технической основой ДМА.
Применение ДМА в исследованиях в рамках гранта Президента РФ даст возможность на базе нечеткой математики эффективно провести мониторинг динамически нерегулярного во времени и пространстве сейсмического процесса, позволяя при этом выделить его фоновую, нормальную и аномальную составляющие. “Виртуальные” узлы географической сетки, в которых будет выполняться мониторинг сейсмической активности, мы определим сами. Таких узлов будет намного больше, чем узлов реальных сейсмологических наблюдений. ДМА-алгоритмы позволят нам построить меры активности сейсмического процесса в узлах географической сетки. Эти меры дадут возможность выбрать из всех узлов наиболее “интересные” и проследить их группирование и динамику в пространстве и времени.
В пользу того, что ожидаемые результаты будут достигнуты, говорят научные данные, полученные в разные годы. Среди них — распознавание возмущений на магнитограммах всемирной сети ИНТЕРМАГНЕТ, мониторинг вулкана Питон-де-ля-Фурнез, распознавание мест возможного возникновения эпицентров сильных землетрясений, оценка тектонической стабильности Нижнеканского массива и многие другие.
— Применение ДМА — изюминка ваших исследований?
— Это действительно так. В первую очередь потому, что ДМА имеет определенные преимущества по сравнению с классическими методами обработки данных (фрактальный анализ, спектрально-временной анализ, вейвлет-анализ, статистический анализ). Благодаря ему мы используем более “мягкий” подход и потому больше ориентированы на моделирование логики эксперта, осуществляющего поиск аномалий на рядах геофизических данных.
— Помимо молодежных, принимаете ли вы участие в реализации других научных проектов?
— С гордостью могу сообщить, что занимаюсь исследованиями в рамках двух грантов Российского научного фонда. Эти проекты стали следствием многолетних совместных исследований по оценке сейсмической опасности, проводимых ГЦ РАН и Институтом теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН (ИТПЗ РАН).
В рамках проекта, выполняемого на базе ГЦ РАН и руководимого членом-корреспондентом РАН Александром Анатольевичем Соловьевым, веду работы по применению системного анализа для оценки сейсмической опасности в регионах России, включая Кавказ-Крым и Алтай-Саяны-Прибайкалье. Результатом проекта станет создание оригинальной, многофакторной, интеллектуальной геоинформационной системы. Она будет объединять методами системного анализа целый ряд существующих и разрабатываемых в рамках проекта подходов к определению мест возможного возникновения сильных землетрясений и других оценок сейсмической опасности.
Второй проект выполняется на базе ИТПЗ РАН. В его рамках научная группа, руководимая крупным сейсмологом Петром Николаевичем Шебалиным, разрабатывает информационную систему автоматизированного прогнозирования сейсмической опасности после сильных землетрясений. Научная новизна поставленной задачи в теоретическом плане состоит в совместном использовании статистического и феноменологического подходов для оценки меняющегося во времени уровня сейсмической опасности.
В конце беседы хочется подчеркнуть, что, на мой взгляд, после создания Российского научного фонда и активизации деятельности других научных фондов значительно увеличились возможности для проведения фундаментальных научных исследований в нашей стране. А увеличение количества молодежных проектов, в особенности проектов РФФИ, открывает молодым ученым новые горизонты для профессионального роста в процессе выполнения самостоятельных научных исследований.
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Иллюстрации предоставлены Б.Дзебоевым
Нет комментариев