تحليل محطة واحدة لإشارات زلزالية في كامبي فليغري (إيطاليا) باستخدام الانتروبيا متعددة المقاييس وتعلّم غير مراقَب

لماذا يهم هذا البركان الإيطالي القلق

تقع كامبي فليغري غرب نابولي، وهي فوهة بركانية واسعة تحيط بها أحياء مزدحمة ويقطنها أكثر من مليوني شخص. على الرغم من أنها لم تثور منذ القرن السادس عشر، فإن الأرض هناك ترتفع، والغاز يتسرب، والاهتلاكات الصغيرة أصبحت أكثر تكرارًا. من الضروري مراقبة بركان قلق كهذا، لكن الكم الهائل من بيانات الزلازل المليئة بالضوضاء يجعل من الصعب على الخبراء البشر رصد علامات تحذيرية دقيقة في الوقت المناسب. تستكشف هذه الدراسة كيف يمكن لشكل من أشكال الذكاء الاصطناعي الاستماع إلى محطة زلزالية واحدة واكتشاف السلوك غير الاعتيادي تلقائيًا الذي قد يشير إلى تغيّر في حالة البركان.

الاستماع إلى بركان ضجيج بأذن واحدة

كامبي فليغري هي فوهة بركانية منهارة، أو كالديرا، بعرض يقارب 12 كيلومترًا، تداخلت مع الأحياء الغربية لنابولي وبلدة بوزولّي الساحلية. منذ خمسينيات القرن العشرين، شهدت المنطقة دورات من الهدوء والاضطراب، تميزت بالارتفاع الأرضي، ووفود من الزلازل الصغيرة، وتغيرات في الغازات الساخنة المتسربة من الفوهات. في منطقة بيسياريلّي، واحدة من أكثر المناطق نشاطًا، تقع محطة زلزالية على بعد نحو 50 مترًا فقط من فتحة بخار هادرة وبركة طينية غازية. هذا الموقع مثالي لالتقاط الاهتلاكات الدقيقة المرتبطة بحركة الغاز والمياه الساخنة تحت الأرض، لكنه أيضًا يعاني من ضوضاء خلفية مستمرة. سعى المؤلفون لتحديد ما إذا كانت محطة واحدة كهذه، عند تحليلها بخوارزميات ذكية، قادرة على تمييز الإشارات المعنوية بشكل موثوق من الضجيج البركاني المستمر.

تدريب خريطة عصبية لفرز الإشارات البركانية

حوّل الباحثون التسجيلات المستمرة من عام 2023 إلى مجموعة ضخمة من مقاطع مدتها دقيقة واحدة ثم ترجموا كل مقطع إلى «بصمة» مضغوطة يمكن للحاسوب مقارنتها. استخدموا ثلاثة أنواع من البصمات: واحدة تلتقط شكل ترددات الإشارة، وواحدة تصف كيف يتغير مضبوطها مع الزمن، وواحدة — تُسمى الانتروبيا متعددة المقاييس — تقيس مدى تعقيد وعدم انتظام الإشارة عبر مقاييس زمنية مختلفة. أُدخلت هذه البصمات في خريطة ذاتية التنظيم، وهو نوع من الشبكات العصبية التي تُرتب الأنماط المتشابهة قريبة من بعضها على شبكة. دون أي تسميات بشرية، تعلّمت الخريطة تجميع دقائق من البيانات ذات السلوك الزلزالي المتشابه، مكونة عناقيد يمكن فحصها لاحقًا.

اكتشاف الأعطال الخفية والزلازل ورعشات البخار

بعد التدريب، كشف النظام فورًا نمطًا غير متوقع: الكثير من الدقائق من شهر محدد تركزت في ركن من الخريطة، مشيرة إلى تغيير في سلوك المحطة. عند الفحص الدقيق، تبين أن هذا العنقود مرتبط بعطل فني بدأ في 18 يونيو وتم إصلاحه بعد شهر — مشكلة لم تكن واضحة سابقًا. بعد استبعاد تلك الفترة وإعادة التدريب باستخدام البصمات الأكثر معلوماتية، بدأت الخريطة في عزل عناقيد غنية بالزلازل المبلّغ عنها في السجل الرسمي، بما في ذلك بعض الأحداث الصغيرة التي لم تُسجَّل على الإطلاق. هيمنت عناقيد أخرى على الاهتزاز المستمر، أو رعشة، لفوهة بيسياريلّي. من خلال تتبع مدى تركّز بيانات كل يوم على الخريطة، عرّف المؤلفون «مؤشر التجميع» الذي ارتفع عندما سجّلت المحطة فترات طويلة من نشاط يشبه الرعدة.

الطقس والغاز والمزاج اليومي للبركان

قارنت الفريق هذا المؤشر لِلتجميع مع قياسات مستقلة لهطول الأمطار وتدفق غاز ثاني أكسيد الكربون ودرجة الحرارة حول بيسياريلّي. في عدة مناسبات، تزامنت ذروات المؤشر مع قفزات في انبعاثات CO₂ وحلقات من الأمطار الغزيرة، مما يوحي بأن كلًا من تحرير الغاز وتسلل المياه إلى الأرض يمكن أن يغيّر من رعشة الفوهة التي تلتقطها المحطة. أظهر تطبيق النهج نفسه على محطات قريبة أن أوضح عناقيد الرعدة ظهرت فقط عند الحساسات الأقرب إلى الفتحة، مؤكدًا مدى توطّن هذه الإشارات. أخيرًا، عرض المؤلفون بيانات جديدة من أوائل 2025 على الخريطة المدربة سابقًا. في أبريل وأوائل مايو، ارتفع مؤشر التجميع بثبات بالتوازي مع ارتفاع في الطاقة الزلزالية الإجمالية ودرجات حرارة الفوهة الأعلى، مشيرًا إلى نشاط هيدروحراري أكثر كثافة. وبعد قليل من انخفاض كلتا المقاييس بشكل حاد، شهدت المنطقة زلزالًا بقوة 4.4 — الأكبر في التسلسل الحديث.

ماذا يعني ذلك لسكان قرب كامبي فليغري

للسكان ووكالات الحماية المدنية، الرسالة الأساسية هي أن أدوات التعرف على الأنماط المتقدمة يمكن أن تحوّل محطة زلزالية واحدة إلى أذن إنذار مبكر لبركان قلق. من خلال ضغط الإشارات المعقدة إلى بصمات بسيطة وترك خريطة عصبية لتصنيفها، يمكن للطريقة أن تشير تلقائيًا إلى مشاكل في الأجهزة، وتكشف زلازل لم تُلحظ سابقًا، وتتبع التغيرات في الرعدة المستمرة الناتجة عن صعود الغاز والسوائل الساخنة. وعلى الرغم من أنها لا تتنبأ بالثورات من تلقاء نفسها، فإن هذه المقاربة تمنح العلماء صورة أسرع وأكثر وضوحًا عن كيفية تنفّس وتحرك كامبي فليغري يومًا بعد يوم، مما يساعدهم على تركيز الانتباه الخبروي عندما يظهر النظام تحت الأرض علامات ضغط غير اعتيادية.

الاستشهاد: Grimaldi, A., Amoroso, O., Scarpetta, S. et al. Single-station analysis of Campi Flegrei (Italy) seismic signals using multiscale entropy and unsupervised learning. Sci Rep 16, 7669 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38257-5

الكلمات المفتاحية: كامبي فليغري, مراقبة البراكين, رعدة زلزالية, تعلّم آلي, الانتروبيا متعددة المقاييس