Detecció més ràpida de sismes gràcies a la intel·ligència artificial


Un geofísic de l’Institut de Recherche pour le Développement (IRD) fou distingit l’any 2020 pel Consell Europeu de la Recerca (ERC), que li atorgà 1,5 M€ dels [https://www.hezelburcht.com/en/grants/erc-grants/ ERC Starting Grants] per dur a terme els seus projectes: posar la intel·ligència artificial al servei de la sismologia.

==Un sistema d’IA entrenat per detectar les ones sísmiques gravitacionals==

Quentin Bletery és un geofísic de l’Institut de Recherche pour le Développement (IRD) i del laboratori Géoazur, de la Université Côte d’Azur. Fa un parell d’anys va rebre fons del European Research Council perquè continués la seva recerca sobre la intel·ligència artificial (IA) aplicada a la detecció ràpida de terratrèmols i a la determinació de llur magnitud.

Per bé que preveure aquests esdeveniments resta impossible, sí que se’n poden limitar els estralls humans i materials mitjançant sistemes d’alerta precoç.

Actualment, aquesta mena de sistemes solen utilitzar les mateixes ones sísmiques a fi de prevenir la població pocs segons abans que hi arribi la sacsejada sísmica. La propagació dels tsunamis, de la seva banda, és més lenta, i en certa mesura això permet més temps de reacció, de l’ordre dels minuts. Ara bé, els sistemes de detecció precoç també han d’avaluar ràpidament la magnitud de l’esdeveniment sísmic, i sovint hi troben dificultats: per exemple, els sistemes japonesos estimaren que el terratrèmol de l’11 de març de 2011 era de magnitud 8, quan en realitat va resultar de magnitud 9 –i això va tenir conseqüències dramàtiques, ja que en lloc d’onades de 3 m d’alçada se n’hi produïren de 15 m.

Per millorar els sistemes d’alerta sísmica i de tsunami, l’equip de Bletery ha desenvolupat un algoritme d’IA basat en les ones d’origen gravitacional, que segons diuen els investigadors és capaç d’estimar de manera més fiable i ràpida la magnitud dels grans terratrèmols.

En els sistemes habitualment emprats, els senyals sísmics que primer s’enregistren són les ones de compressió (ones P), que es propaguen a uns 6,5 km/s. Pel que fa a les ones més destructives, les ones de cisallament (ones S), es propaguen més lentament, a uns 3,5 km/s, raó per la qual atorguen un cert marge suplementari per a l’alerta.

Malauradament, per limitacions en la instrumentació utilitzada, les ones P no donen informació acurada sobre la magnitud dels esdeveniments sísmics més importants, i sovint els sistemes d’alerta poden subestimar la intensitat del fenomen. Per avaluar de manera més fiable la magnitud dels grans terratrèmols s’han desenvolupat nous sistemes basats en el comportament de l’anomenada fase W. Val a dir però que la lentitud de propagació d’aquetes ones fa que llur detecció resulti excessivament tardana per exemple per prevenir de la imminència d’un tsunami.

Ara bé, l’any 2017 es descobriren nous senyals sísmics: els senyals elastogravitacionals sobtats (PEGS, ''prompt elasto-gravity signals''): quan té lloc un sisme, u na gran massa de roca es posa en moviment de manera sobtada, cosa que pertorba el camp de gravetat de la Terra. Aquesta pertorbació, molt feble, es propaga a la velocitat pròpia de les ones gravitacionals, és a dir, la de la llum. A més, aquests senyals són molt sensibles a la magnitud, i la reflecteixen molt més bé que no les ones P, especialment en casos de sismes intensos. Per tot plegat, els PEGS semblen els elements ideals per alimentar un sistema d’alerta.

En tant que la gravetat és una acceleració i que els instruments clàssics de mesurament no fan sinó enregistrar acceleracions, els PEGS poden ser captats pels instruments utilitzats tradicionalment; nogensmenys, la seva captació és difícil, a causa de la seva feble amplitud.

Per tant, per explotar-los en sistemes d’alerta, Bletery i el seu equip han optat per utilitzar la IA, que ofereix bones prestacions per discernir i extreure ràpidament aquests senyals W, febles, d’entre els grans volums de dades sísmiques rebudes. L’algoritme desenvolupat pels investigadors de l’IRD estima la magnitud del sisme en curs segon a segon gràcies als PEGS, i pot permetre per tant la implantació precoç de mesures de protecció. Atès que els grans sismes són poc freqüents, els investigadors han fornit a la IA, com a material de treball, dades de simulacions de sismes que podrien ocórrer al llarg de les falles que envolten el Japó.


[[Image:Draft_Echave-Sustaeta_673780179-image1.png|600px]]

''Il·lustració de l’algoritme d’intel·ligència artificial capaç d’estimar la magnitud dels grans terratrèmols a partir dels PEGS o fase W, que es propaguen a la velocitat de la llum –molt més ràpid que les ones P i les ones S, i que per tant poden aportar informació crítica de manera quasi immediata a fi d’activar els mecanismes (il·lustració de Quentin Bletery)''


<span id="_GoBack"></span>Per a cada escenari simulat, l’equip de l’IRD va calcular els PEGS esperables sobre tots els sismòmetres de la zona i van entrenar la IA perquè trobés la magnitud i la localització del sisme tot donant-li la resposta en cada ocasió.

Posteriorment van posar a prova les prestacions de la IA fent-la treballar amb les dades enregistrades durant el sisme de Fukushima. Segons els resultats obtinguts, se n’hauria pogut estimar la magnitud real quasi des de l’inici de l’esdeveniment, en el moment mateix de la fi de la ruptura (que va durar un parell de minuts). I per tant, també hauria estat possible d’obtenir molt ràpidament una estimació de l’alçada d’ona esperable en el posterior tsunami.


[[Image:Draft_Echave-Sustaeta_673780179-image2.png|600px]]

''Prestacions de la intel·ligència artificial en comparació amb el sistema existent l’any 2011. L’estimació proporcionada per la IA s’ajusta molt més a la magnitud real d’aquell esdeveniment, mentre que les estimacions de magnitud fetes pels sistemes japonesos de l’època feien pensar que el tsunami posterior no seria tan devastador com resultà finalment (il·lustració de Quentin Bletery)''


Amb els resultats satisfactoris dels assaigs, l’equip de l‘IRD mirarà ara d’implantar l’algoritme dins un sistema real d’alerta sísmica, començant pel Perú, on es esperable un gran esdeveniment imminent (en escales temporals geològiques si més no). Els investigadors també volen millorar les prestacions de l’algoritme per als sismes de magnitud més baixes –la versió actual és adequada més aviat per als terratrèmols de magnitud superior a 8,3, per tant útil per alertar de possibles tsunamis però molt limitada per les alertes de sacsejades en terra ferma, que d’habitud es fan sentir molt abans que el sisme hagi assolit les altes magnituds esmentades.

Per a més endavant queda el possible desenvolupament d’una versió de l’algoritme d’abast mundial que utilitzés els sismòmetres per alertar de terratrèmols arreu de la Terra oferint d’aquesta manera una cobertura d’alerta d’escala global. 

==Autors==

Redactat per: [mailto:alfonso.martinezjaume@gencat.cat Alfonso Martínez Jaume]

Per saber-ne més: [https://www.nature.com/articles/s41586-022-04672-7 ''Nature''], [https://lemag.ird.fr/fr/ln-2 Institut de Recherche pour le Développement (IRD)]