Çok ölçekli entropi ve denetimsiz öğrenme kullanılarak Campi Flegrei (İtalya) sismik sinyallerinin tek-istasyon analizi

Bu huzursuz İtalyan volkan neden önemli

Napoli’nin hemen batısında, yoğun yerleşimlerle çevrili geniş bir volkanik çukur olan Campi Flegrei yer alır ve iki milyondan fazla insana ev sahipliği yapar. 1500’lerden beri patlamasa da, zeminde yükselme oluyor, gaz kaçakları gözleniyor ve küçük depremler daha sık hale geliyor. Böyle huzursuz bir volkanı izlemek hayati öneme sahip, ancak gürültülü sismik verinin hacmi, insan uzmanların zamanında ince uyarı işaretlerini fark etmesini zorlaştırıyor. Bu çalışma, yapay zekanın tek bir sismik istasyonu dinleyerek volkanın durumundaki değişiklikleri işaretleyebilecek olağandışı davranışları otomatik olarak ayırt edip edemeyeceğini araştırıyor.

Tek kulakla gürültülü bir volkana dinlemek

Campi Flegrei, yaklaşık 12 kilometre çapında çöküntü bir volkanik çukur yani kalderadır ve Napoli’nin batı semtleri ile sahil kasabası Pozzuoli’nin üzerine kadar uzanır. 1950’lerden beri bölge, zemin yükselmesi, küçük deprem sürüleri ve bacalardan salınan sıcak gazlardaki değişikliklerle belirlenen sakin dönemlerle huzursuzluk dönemleri arasında döngü yaptı. En aktif alanlardan biri olan Pisciarelli bölgesinde, bir sismik istasyon gümbürdeyen bir fumarol ve kabaran çamur havuzundan sadece yaklaşık 50 metre uzaklıktadır. Bu konum, yeraltında hareket eden gaz ve sıcak suyla ilişkili küçük titremeleri algılamak için ideal olsa da sürekli bir arka plan gürültüsüne de mahkûmdur. Yazarlar, böyle bir tek istasyonun akıllı algoritmalarla analiz edildiğinde anlamlı sinyalleri devamlı volkanik uğultudan güvenilir şekilde ayırt edip edemeyeceğini belirlemeyi amaçladı.

Volkanik sinyalleri sınıflandırmak için bir sinir haritası eğitmek

Araştırmacılar, 2023’ten gelen sürekli kayıtları bir dakikalık çok sayıda parçaya ayırdı ve ardından her parçayı bilgisayarın karşılaştırabileceği kompakt bir “parmak izi”ne dönüştürdü. Üç tür parmak izi kullandılar: sinyalin frekanslarının şeklini yakalayan bir yöntem, gücünün zamana göre nasıl değiştiğini tanımlayan bir yöntem ve farklı zaman ölçeklerinde sinyalin ne kadar karmaşık ve düzensiz olduğunu ölçen çok ölçekli entropi adı verilen bir yöntem. Bu parmak izleri, benzer desenleri ızgarada yakın olacak şekilde düzenleyen bir tür sinir ağı olan Kendini Organize Eden Harita’ya (Self-Organizing Map) verildi. Hiçbir insan etiketlemesi olmadan, harita benzer sismik davranışa sahip veri dakikalarını gruplayacak şekilde öğrenti ve daha sonra incelenebilecek kümeler oluşturdu.

Gizli arızaları, depremleri ve buhar titreşimlerini bulmak

Eğitildiğinde, sistem hemen beklenmedik bir desen ortaya çıkardı: belirli bir aya ait birçok dakika haritanın bir köşesine düştü ve bu istasyon davranışında bir değişikliğe işaret etti. Daha yakından incelendiğinde, bu kümenin 18 Haziran’da başlayan ve bir ay sonra düzeltilen teknik bir arızayla ilişkili olduğu ortaya çıktı—önceden belirgin olmayan bir sorun. Bu dönemi dışladıktan ve daha bilgilendirici parmak izleriyle yeniden eğittikten sonra, harita resmi katalogda bildirilen depremlerce zengin kümeleri izole etmeyi, kataloglanmamış bazı küçük olayları bile ortaya çıkarmayı başardı. Diğer kümeler Pisciarelli fumarolunun sürekli titreşimi ya da tremoru tarafından domine edildi. Her günün verilerinin harita üzerindeki yoğunlaşmasını izleyerek, yazarlar uzun süre benzer tremor benzeri aktivite kaydeden zamanlarda yükselen bir "kümeleşme indeksi" tanımladı.

Hava, gaz ve volkanın günlük hali

Ekip bu kümeleşme indeksini, Pisciarelli çevresindeki yağış, karbondioksit gaz akışı ve sıcaklık gibi bağımsız ölçümlerle karşılaştırdı. Birkaç durumda, indeks zirveleri CO₂ emisyonlarındaki sıçramalar ve yoğun yağış dönemleriyle çakıştı; bu da, hem gaz salınımının hem de yeraltına su infiltrasyonunun istasyonun algıladığı fumarolik tremoru modüle edebileceğini öneriyor. Aynı yaklaşımın yakınlardaki istasyonlara uygulanması, en belirgin tremor kümelerinin yalnızca fumarola en yakın sensörlerde ortaya çıktığını gösterdi; bu da bu sinyallerin ne kadar lokal olduğunu vurguluyor. Son olarak, yazarlar 2025 başından gelen yeni verileri önceden eğitilmiş haritaya projekte ettiler. Nisan ve Mayıs başında, kümeleşme indeksi genel sismik enerjideki artış ve fumarol sıcaklıklarındaki yükselişle birlikte düzenli şekilde tırmandı; bu, daha yoğun hidrotermal aktiviteye işaret ediyordu. Her iki ölçüm de ani düşüş yaptıktan kısa süre sonra, bölge dizideki en büyük deprem olan 4.4 büyüklüğünde bir sarsıntı yaşadı.

Campi Flegrei yakınlarında yaşayanlar için bunun anlamı

Yerel sakinler ve sivil koruma kurumları için kilit mesaj, gelişmiş desen tanıma araçlarının tek bir sismik istasyonu huzursuz bir volkan için erken uyarı kulağına dönüştürebileceğidir. Karmaşık sinyalleri basit parmak izlerine sıkıştırıp bir sinir haritasının bunları sınıflandırmasına izin vererek, yöntem enstrüman sorunlarını otomatik olarak işaretleyebilir, önceden fark edilmeyen depremleri ortaya çıkarabilir ve yükselen gaz ile sıcak sıvıların oluşturduğu sürekli tremordaki değişimleri izleyebilir. Tek başına patlamaları öngörmese de, bu yaklaşım bilim insanlarına Campi Flegrei’nin gün be gün nasıl soluduğu ve kaydığına dair daha hızlı, daha net bir görünüm sunar ve yeraltı sisteminde olağandışı gerilim işaretleri görüldüğünde uzman dikkatini odaklamalarına yardımcı olur.

Atıf: 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

Anahtar kelimeler: Campi Flegrei, volkan izlemesi, sismik tremor, makine öğrenimi, çok ölçekli entropi