Темиров А.Т., Мамедов Р.Н. ФГБОУ ВО ДГТУ РАЗВИТИЕ СИСТЕМ РЕГИСТРАЦИИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Аннотация Изучены уже существующие системы регистрации колебаний и их возможности. Рассмотрены самые первые построенные модели систем, и их история развития от начала до настоящего времени. Представлено возможное направление в изучении, прогнозировании и регистрации землетрясений. Предложена своя идея построения системы регистрации, с использованием животных инстинктов. Ключевые слова: землетрясение, сейсмографы, прогнозирование, система регистрации, искусственный интеллект. Список литературы: 1. Развитие наук о Земле в СССР: Наука, 1967, Автор: Е. Ф. Саваренский. https://clck.ru/gdL2T 2. Искусственный интеллект берет на себя предсказание землетрясений, 2019, Автор: Эшли Смарт. https://clck.ru/gdL92 3. Катаклизм: как животные предчувствуют землетрясение? Статья на Яндекс Дзен, 2019, Автор: Лапки-Хвостик. https://clck.ru/amvK9 4. Сейсмогравитационные колебания земли, кафедра физики Земли СПГУ, 2006, Автор: П.Л. Николаевна. https://clck.ru/gdLAs 5. Землетрясение, Сейсмографы, Статьи на Википедии, 2021. https://clck.ru/9cYkS, https://clck.ru/FWKh9 6. Современные сейсмографы, 2012, Статья в Энциклопедии Безопасности. https://clck.ru/ge8ho Введение Ежегодно приборами регистрируется более миллиона землетрясений. Рост количества пунктов наблюдений и совершенствование приборов для записи сейсмических колебаний позволили регистрировать с каждым десятилетием всё больше землетрясений, происходящих в недрах планеты. Если в начале 1900-х годов регистрировалось около 40 землетрясений магнитуды 7 и выше, то к XXI веку местоположение и сила всех происходящих землетрясений такой магнитуды фиксировались, и количество таких событий составило более 4000 случаев за десятилетие. Согласно современным взглядам, землетрясения отражают процесс геологического преобразования планеты. Считается, что первопричиной земле1 трясений являются глобальное тектоническое движение плит, однако в настоящее время их природа не совсем ясна. Появление этих сил связывают с перепадами температуры в недрах Земли. Большинство же землетрясений возникает на окраинах тектонических плит. Колебания от землетрясений передаются в виде сейсмических волн. Землетрясения и связанные с ними явления изучает сейсмология, которая ведёт исследования по следующим основным направлениям: 1. Изучение природы землетрясений: почему, как и где они происходят. 2. Применение знаний о землетрясениях для защиты от них путём прогноза возможных в том или ином месте сейсмических ударов в целях строительства стойких к их воздействию конструкций и сооружений. 3. Изучение строения земных недр и разведка месторождений полезных ископаемых с использованием сейсмических волн от землетрясений и искусственных сейсмических источников[5]. Исследования сейсмических явлений имеет большое теоретическое и практическое значение. Они незаменимы при изучении внутреннего строения Земли, а также при построении любых систем регистрации колебаний. На основе сейсмических наблюдений разрабатываются проекты сейсмостойких зданий, составляют карты сейсмического районирования, необходимые для планирования сейсмостойкого строительства, ищут возможности для прогноза землетрясений и предупреждения о появлении цунами. Сейсмология дает возможность предсказания вулканических извержений на основе сведений о повышенной сейсмичности в зоне вулканов. Ее методами также пользуются при разведке полезных ископаемых и обнаружения подземных пустот[1]. Развития систем регистрации колебаний Сейсмоскоп - указывает направление на эпицентр землетрясения. Был изобретён китайским учёным Чжан Хэном в 132 году. В большинстве случаев сейсмограф имеет установленный на пружинной подвеске груз, который при землетрясении остаётся неподвижным, тогда как остальная часть прибора приходит в движение и смещается относительно груза. Одни сейсмографы чувствительны к горизонтальным движениям, другие же к вертикальным. Колебания регистрируются пером на движущейся бумажной ленте. Существуют также и электронные сейсмографы (без бумажной ленты) с записью в запоминающие устройства. В механических сейсмографах колебания корпуса относительно груза с помощью рычагов увеличивались и передавались на перо, оставлявшее следы на барабане с бумагой. В 1906 году российский князь Борис Голицын изобрёл первый электромагнитный сейсмограф, основанный на явлении электромагнитной индукции. В таком сейсмографе к грузу прикреплена катушка индуктивности, которая при колебаниях корпуса перемещается относительно закреплённых на нём магнитов. При этом возника2 ет электрический ток, колебания которого при помощи гальванометра с зеркальцем вместо стрелки записываются на фотобумагу[5]. Находят применение и сейсмографы без маятника. Один из таких сейсмографов называется «деформометром». Этот сложный прибор, сконструированный Гуго Бениоффом, вообще не предназначен для непосредственного измерения колебаний почвы. Он состоит из системы приспособлений для определения растяжения грунта. В деформометре имеется измерительный стержень, относительно которого измеряют величину растяжения или сжатия пород при прохождении волн через них. При тщательных измерениях длина стержня, и его температура все время должны оставаться постоянными. Вот почему прибор помещают в пещеры или туннели, строительство которых обходится обычно очень дорого. Однако преимущества прибора оправдывают связанные с ним затраты. Прибор, в частности, позволяет хорошо регистрировать чрезвычайно длинные волны, период которых гораздо больше, чем время, когда маятник находится в покое. Прохождение таких волн может длиться десятки минут[6]. В СССР при создании сейсмографов в 30–40-е годы больший вклад внёс Григорий Александрович Гамбурцев. В 1929 году Гамбурцев разработал конструкцию короткопериодного сейсмографа с гидравлическим увеличением и испытал его на геофизической станции в Крыму. Он разработал теорию и конструкцию полевого микрофонного сейсмографа (модели СМ-1 и СМ-5), новый тип электрического сейсмографа — термомикрофонный, испытанный зимой 1933/34 на Байкале. Бурное развитие микроэлектроники и квантовой оптики в настоящее время привело к появлению серьёзных конкурентов традиционным механическим сейсмографам в средней и высокочастотной области спектра. Однако, такие устройства на основе микро вычислительных технологий, волоконной оптики или лазерной физики, обладают весьма неудовлетворительными характеристиками в области низких частот (до нескольких десятков Гц), что является проблемой для сейсмологии (в частности, организации телесейсмических сетей). Существует и принципиально иной подход к построению механической системы сейсмографа — замена твёрдой инерционной массы жидким электролитом. В таких устройствах внешний сейсмический сигнал вызывает поток рабочей жидкости, который в свою очередь преобразуется в электрический ток с помощью системы электродов. Чувствительные элементы подобного типа получили название молекулярно-электронных. Преимуществами сейсмографов с жидкой инерционной массой является низкая стоимость, продолжительный, порядка 15 лет, срок службы и отсутствие элементов точной механики, что резко упрощает их изготовление и эксплуатацию[5]. 3 ИИ как система обнаружения и прогноза землетрясений Команда Джонсона – одна из нескольких групп учёных, использующих машинное обучение для того, чтобы попытаться раскрыть тайны физики землетрясений и вычленить признаки нарождающегося землетрясения. Два года назад при помощи ищущего закономерности алгоритма, похожего на те, что использовались во время недавних прорывов в распознавании изображений и речи и других применениях искусственного интеллекта, Джонсон с коллегами успешно предсказали землетрясения в лабораторной модели. С тех пор это достижение удалось повторить учёным из Европы. На встрече в Лос-Аламосе, прошедшей несколько лет назад, Джонсон объяснил эту дилемму группе теоретиков. Они предложили заново проанализировать данные, используя алгоритмы машинного обучения – этот подход к тому времени уже был известен способностью неплохо распознавать закономерности в данных. Учёные совместно разработали план. Они решили взять пять минут аудио, записанных во время экспериментов – в которые укладывалось порядка 20 циклов соскальзывания и застревания – и порезать их на множество мелких отрезков. Для каждого сегмента исследователи подсчитали более 80 статистических особенностей, включая средний сигнал, отклонения от среднего, информацию о том, содержится ли в этом отрезке предваряющий сдвиг звук. Поскольку исследователи анализировали данные задним числом, им было известно, сколько времени прошло между каждым сегментом[2]. Вооружившись этими данными для обучения, они использовали алгоритм машинного обучения под названием "random forest" [случайный лес] для систематического поиска комбинаций признаков, явно связанных с количеством времени, оставшимся до сдвига. Изучив несколько минут экспериментальных данных, алгоритм мог начать предсказывать время сдвига на основе акустических признаков. Работает алгоритм, по сути, как дерево решений, в котором каждая ветвь разделяет набор данных на основе некоего статистического признака. Когда исследователи из Лос-Аламоса изучили подробности работы своего алгоритма, они были удивлены. По большей части алгоритм опирался на статистический признак, не связанный с событиями, случившимися непосредственно перед лабораторным землетрясением. Его больше дисперсия – мера отклонения сигнала от среднего – причём, размазанная по всему циклу торможений и скольжений, а не сосредоточенная в моментах, непосредственно предшествующих сдвигу. Дисперсия начиналась с небольших величин, и потом постепенно накапливалась во время приближения к сдвигу, вероятно, потому, что крупинки между блоками всё больше сталкивались друг с другом по мере накопления напряжения. Зная эту дисперсию, алгоритм смог неплохо предсказывать время начала сдвига; а информация о непосредственно предшествующих событиях помогала уточнять эти догадки[2]. 4 Система регистрация колебаний посредством инстинктов животных Довольно известный факт: перед землетрясением животные начинают "сходить с ума" и вести себя неадекватно. Отрицать, что животные ничего не чувствуют и это просто совпадение - нет никакого смысла. Учёные утвердили, что животные чувствуют приближение землетрясения. Но как у них это получается? Как человеку понять всю суть опасности? Животные могут предупреждать о землетрясении, как за пару минут, так и за несколько часов. За это время люди могут собрать все необходимые вещи и быстро покинуть свой дом. У собак предупреждением являются лай, вой и сильное беспокойство, а также они не могут усидеть на одном месте. Если человек проигнорировал "сообщение" об опасности, то собака просто уходит из дома и спасает свою жизнь. У хозяина не получится остановить своего питомца. В такие моменты у собак срабатывает инстинкт самосохранения[3]. Кошки - чувствительные животные. Порой они могут предсказывать сейсмические явления вплоть до суток. А бывает и так, что кошка начинает проявлять своё беспокойство за пару минут до начала землетрясения. Это уже все индивидуально. Здесь зависит от состояния кошки, от её чувствительности и инстинктов. Перед землетрясением крысы уходят из города. Если обычно подвал кишит крысами, а в один момент они все исчезли и их никто не травил - стоит так же задуматься. В случае со змеями, они начинают выползать из своих нор. Так в феврале в Китае перед мощным землетрясением наружу выбрались все змеи. Большинство из них замёрзло на снегу и погибло. Таких случаев довольно много. Змеи без причины не будут вылазить зимой из своих нор. Поэтому это можно считать одним из достоверных признаков скорейшего катаклизма. Как все же можно объяснить такое поведение животных? Вполне легко. Человек чувствует землетрясение, когда поднимается большая волна, но большой волне всегда предшествует более мелкие возмущения. Вот именно их и чувствуют животные[3]. Таким образом, используя способность некоторых животных к предупреждению о надвигающейся опасности, можно разработать отдельно взятую высокочувствительную систему с оповещением. Главной её особенностью станут животным расположенные в разных частях региона, состояние которых постоянно будут мониторить датчики. Такое расположение позволит избежать ложных срабатываний, а так же повысить точность нахождения очага землетрясения. Актуальность проблемы с землетрясением характерна для Дагестана по той причине, что регион Северного Кавказа находится в сейсмически опасной зоне. Последнее крупное разрушительное землетрясение произошло в Дагестане в 1970г. и имело мощность около 7 баллов. 5
