ניתוח מתחנה יחידה של אותות סיסמיים בקמפי פלגריי (איטליה) באמצעות אנטרופיה מולטיסקייל ולמידה בלתי מפוקחת

מדוע הר געש איטלקי זה חשוב

ממערב לנאפולי שוכן קמפי פלגריי, אגן געשי נרחב המקיף שכונות פעילות והוא בית לכמיליון מתושבים ואף יותר — מעל שני מיליון איש בסביבתו. למרות שלא התפרץ מאז המאה ה-16, הקרקע שם מתרוממת, גזים דולפים ורעידות קטנות מתרחשות בתדירות גוברת. מעקב אחר הרי געש רוגזניים כזה חיוני, אך נפח הנתונים הסיסמיים הרעשים מקשה על מומחים לזהות סימני אזהרה עדינים בזמן. המחקר הזה בוחן כיצד צורה של בינה מלאכותית יכולה "להאזין" לתחנת סיסמיות בודדת ולזהות באופן אוטומטי התנהגויות חריגות שעשויות להעיד על שינוי במצב הוולקני.

להאזין להר געש רועש באוזן אחת

קמפי פלגריי הוא אגן געשי שקוע, או קלדרה, ברוחב כ-12 קילומטרים, החופפת לשכונות המערביות של נאפולי ולעיר החוף פוצ'ולי. מאז שנות ה-50 השטח חווה מחזורים של רגיעה וחוסר-שקט, שהתבטאו בהתרוממות הקרקע, נודדות של רעידות קטנות ושינויים בגזים החמים היוצאים מהמכתשים. באזור פיסקרלי, אחד האזורים הפעילים ביותר, נמצאת תחנת סיסמיות במרחק של כ-50 מטר בלבד ממוקד אידוי רותח ובריכת בוץ מבעבעת. מיקום זה אידיאלי לחישה של רעידות זעירות הנגרמות מתזוזת גזים ומים חמים מתחת לפני השטח, אך הוא גם סובל מרעש רקע מתמשך. המחברים שאפו לבדוק האם תחנה בודדת כזו, שנותחה באמצעות אלגוריתמים חכמים, יכולה להבחין באופן מהימן בין אותות משמעותיים לרעש הוולקני המתמיד.

להדריך מפה נוירלית למיון אותות וולקניים

החוקרים הפכו הקלטות רציפות משנת 2023 לאוסף עצום של קטעים באורך דקה, ואז תרגמו כל קטע ל"טביעת אצבע" קומפקטית שהמחשב יכול להשוות. הם השתמשו בשלושה סוגים של טביעות אצבע: אחת שתופסת את צורת התדרים של האות, אחת שמתארת כיצד העוצמה משתנה בזמן, ואחת — שנקראת אנטרופיה מולטיסקייל — שמודדת כמה מורכב ובלתי סדיר האות בסקיילים זמן שונים. טביעות האצבע הללו הוזנו למפת התאמה עצמית (Self-Organizing Map), סוג של רשת נוירלית שמסדרת דפוסים דומים קרוב זה לזה על רשת. ללא תוויות אנושיות, המפה למדה לקבץ דקות של נתונים שהיו בעלי התנהגות סיסמית דומה, ויצרה אשכולות שניתן היה לבחון לאחר מכן.

גילוי תקלות חבויות, רעידות ומתנודות קיטור

לאחר שאומנה, המערכת חשפה מייד תבנית בלתי צפויה: רבות ממנות הדקה מאותו חודש נצנחו בפינה מסוימת של המפה, מעידה על שינוי בהתנהגות התחנה. בבדיקה מעמיקה יותר התברר שאותו אשכול היה קשור לתקלה טכנית שהחלה ב-18 ביוני ותוקנה חודש לאחר מכן — בעיה שלא נראתה בבירור קודם לכן. לאחר שהוציאו את פרק הזמן הזה מהניתוח ואימנו מחדש עם טביעות האצבע האינפורמטיביות יותר, המפה החלה לבודד אשכולות עשירים ברעידות המתאימות לרעידות שדווחו במאגר הרשמי, כולל כמה אירועים קטנים שלא היו בכלל במאגר. אשכולות אחרים נשלטו על ידי הרטט המתמיד, או הרעדה, של המכתש בפיסקרלי. על ידי מעקב אחר מידת הריכוז של נתוני כל יום על המפה, המחברים הגדירו "מדד קיבוציות" שעלה כאשר התחנה הקליטה רצפים ארוכים של פעילות דמויית-רעידה דומה.

מזג-אוויר, גז ומצב הרוח היומי של הר הגעש

הצוות השווה את מדד הקיבוציות הזה למדידות עצמאיות של משקעים, זרימת פחמן דו-חמצני וטמפרטורה סביב פיסקרלי. במספר מקרים, שיאים במדד צתקפו עם זינוקים בפליטות CO₂ ועם פרקי גשם כבדים, מה שמרמז שגם שחרור גז וגם חדירת מים לאדמה יכולים להשפיע על רעידת המכתש שנתפסה על ידי התחנה. יישום אותה גישה על תחנות סמוכות הראה שהאשכולות הברורים ביותר של רעידה הופיעו רק בחיישנים הקרובים ביותר למכתש, מה שמבליט עד כמה אותות אלה מקומיים. לבסוף, המחברים הקרינו נתונים חדשים מתחילת 2025 על המפה המאומנת קודם. באפריל ובתחילת מאי, מדד הקיבוציות עלה בהתמדה בצמוד לעלייה באנרגיה הסיסמית הכוללת ולעלייה בטמפרטורות המכתש, מעידה על פעילות הידרותרמית חזקה יותר. זמן קצר לאחר ששניהם ירדו בחדות, האזור חווה רעידת אדמה בעוצמה 4.4 — הגדולה בסדרה האחרונה.

מה המשמעות לתושבים הסמוכים לקמפי פלגריי

עבור תושבים וסוכנויות ההגנה האזרחית, המסר המרכזי הוא שכלי זיהוי תבניות מתקדמים יכולים להפוך תחנת סיסמיות בודדת לאוזן של התרעה מוקדמת עבור הר געש רוגז. על ידי דחיסת אותות מורכבים לטביעות אצבע פשוטות ומתן האפשרות למפה נוירלית למיין אותן, השיטה יכולה לסמן באופן אוטומטי תקלות בכלים, לגלות רעידות שלא נבדקו קודם, ולעקוב אחרי שינויים ברעדה המתמדת של גזים ונוזלים חמים העולים. אמנם היא איננה נכספת להתפרצויות בפני עצמה, אך גישה זו מספקת למדענים תמונה מהירה וברורה יותר של האופן שבו קמפי פלגריי נושם ומשתנה מיום ליום, ועוזרת להם לכוון תשומת לב מומחית כאשר המערכת התת-קרקעית מראה סימני מתח חריגים.

ציטוט: 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

מילות מפתח: Campi Flegrei, ניטור געשי, רעידה סיסמית רציפה, למידת מכונה, אנטרופיה מולטיסקייל