مراقبة الأرض المضطربة تحسباً للزلزال الكبير القادم

طائرة USGS Wave Glider في مهمة، مزودة بأجهزة Sonardyne GNSS-A. حقوق الصورة: USGS

عندما ضرب زلزال تشيغنيك الذي بلغت قوته 8.2 درجة قبالة سواحل ألاسكا في عام 2021، كان بمثابة إشارة تحذير كبيرة.

أكبر زلزال في الولايات المتحدة منذ عام 1965 وواحد من أكبر الزلازل على مستوى العالم في السنوات الأخيرة؛ لقد كان بمثابة تذكير بالمخاطر الجيولوجية الكامنة، بعيدًا عن الأنظار، قبالة سواحلنا.

قد تتسبب أحداث بحرية كهذه في حدوث تسونامي، مما يعرض المدن والمناطق الساحلية الرئيسية للخطر.

لكن حتى وقت قريب، كان النشاط الجيولوجي الذي يؤدي إلى زلزال مثل زلزال تشيغنيك نقطة عمياء كبيرة بالنسبة للعلماء، حيث كان مخفياً وغير قابل للوصول إليه تحت الأمواج.

والآن، بفضل التعاون والتطوير المستمر بين شركة سوناردين للتكنولوجيا تحت الماء، ومعهد سكريبس لعلوم المحيطات، وهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (USGS)، لم تعد القدرة على مراقبة كوكبنا المضطرب عن بعد ممكنة فحسب، بل أصبحت ممارسة معيارية أيضاً.

باستخدام تقنية تسمى GNSS-A، تتم مراقبة مساحة متزايدة من السواحل الأكثر عرضة لمخاطر الزلازل والتسونامي، بما في ذلك ساحل المحيط الهادئ الأمريكي.

ما هو نظام GNSS-A؟

يعمل نظام GNSS-A من خلال دمج تحديد المواقع عبر الأقمار الصناعية مع الصوتيات تحت الماء لتتبع حركة قاع البحر بدقة تصل إلى مستوى السنتيمتر. تقوم سفينة سطحية غير مأهولة (USV) مزودة بحمولة GNSS-A من شركة سوناردين بدوريات فوق مجموعة من أجهزة الإرسال والاستقبال من نوع سوناردين Fetch الموجودة في قاع البحر.

إن الجمع بين موقعها السطحي المعروف والنبضات الصوتية التي تصل إلى كل جهاز إرسال واستقبال Fetch يسمح لها بحساب الموقع الدقيق لكل جهاز إرسال واستقبال - وبالتالي موقع قاع البحر الذي تستقر عليه.

من خلال تكرار هذه القياسات بمرور الوقت، يستطيع العلماء تتبع حركة الصفائح التكتونية عبر الصدوع لفهم وتقدير مخاطر الزلازل والتسونامي بشكل أفضل.

تُعد هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (USGS) إحدى المنظمات التي تستخدم هذه التقنية لمراقبة مناطق الاندساس، حيث تنزلق صفيحة تحت أخرى.

بدأوا باستكشاف استخدامه لأول مرة في عام 2017، بالتعاون مع جامعة هاواي ومعهد سكريبس، وباستخدام طائرة شراعية موجية وأجهزة استشعار قاع البحر، من أجل قياس كيفية تقييد الاحتكاك بين صفيحتين تكتونيتين للانزلاق وتسببه في تراكم الإجهاد - قياس "مدى تماسك الصفائح" بشكل أساسي.

ومنذ ذلك الحين، استمروا في المساهمة في تطوير نظام GNSS-A باستخدام وحدات Sonardyne GNSS-A وأجهزة الإرسال والاستقبال Fetch.

تجهيز طائرة USGS Wave Glider للإطلاق على متن سفينة الأبحاث North Wind التابعة لجامعة ولاية كاليفورنيا للفنون التطبيقية (جامعة هومبولت). حقوق الصورة: هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (USGS)

توسيع نطاق مراقبة نظام GNSS-A على طول منطقة اندساس كاسكاديا

يمثل محور تركيز كبير لهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية منطقة اندساس كاسكاديا، وهي صدع يبلغ طوله 1000 كيلومتر قبالة ساحل شمال غرب المحيط الهادئ ويمتد من جزيرة فانكوفر في كندا إلى شمال كاليفورنيا.

بين عامي 2021 و 2025، قامت هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية بتركيب أربعة مواقع مراقبة في قاع البحر قبالة ساحل المحيط الهادئ الأمريكي عند أقصى امتداد جنوبي لهذه المنطقة.

وهي جزء من شبكة أوسع على طول منطقة اندساس كاسكاديا حيث يشمل الاندساس ثلاث صفائح، هي إكسبلورر وخوان دي فوكا وغوردا، تنزلق تحت صفيحة أمريكا الشمالية، مما يخلق احتمالية حدوث زلازل بقوة 9 درجات أو أكثر وأمواج تسونامي كبيرة.

تقع مواقع USGS GNSS-A، التي تحتوي كل منها على ثلاثة أجهزة إرسال واستقبال Fetch، على صفيحة Gorda الجنوبية حيث يؤثر عدم اليقين بشأن حركة صفيحة Gorda بالنسبة لحركة صفيحة أمريكا الشمالية على حجم وتكرار الزلازل في المنطقة.

يقول تود إريكسن، مهندس الجيوديسيا في مركز علوم الزلازل التابع لهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية في كاليفورنيا: "قبل أن نمتلك هذه القدرة، كنا قادرين فقط على استخدام شبكات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) على الأرض لتقدير الحركات البطيئة لقاع البحر على بعد 50 ميلاً أو أكثر من الشاطئ، وذلك بمستوى أقل من المليمتر".

"لكن قاع البحر كان نقطة عمياء؛ قطعة مفقودة رئيسية من أحجية التكتونية العالمية، مما يعني أن الحجم الحقيقي للخطر تحت المحيط كان مجهولاً إلى حد كبير. توقفت أجهزتنا عند خط الشاطئ."

في مناطق مثل منطقة اندساس كاسكاديا، حيث تنزلق الصفائح المحيطية تحت صفيحة أمريكا الشمالية، تُسهم المواقع الجيوديسية في قاع البحر في سدّ فجوة كبيرة، مما يساعدنا على فهم مخاطر الزلازل والتسونامي بشكل أفضل. فإذا ما "انغلقت" الصفائح في هذه المنطقة، مُسببةً تراكم الضغط، فإنّ هذا الساحل بأكمله، ومدن مثل فانكوفر وفيكتوريا وسياتل، ستواجه خطرًا كبيرًا من التسونامي.

طائرة Wave Glider مزودة بنظام GNSS-A، تم تحميلها على متن سفينة الأبحاث North Wind في يوريكا، كاليفورنيا، ومحاطة بثلاث علامات جيوديسية لقاع البحر ليتم نشرها على طول منطقة اندساس كاسكاديا. حقوق الصورة: هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية

خريطة طبوغرافية-بحرية لمنطقة اندساس كاسكاديا تُظهر السرعات الجيوديسية على اليابسة وفي مواقع الرصد الجيوديسي لقاع البحر التابعة لهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية ومؤسسة العلوم الوطنية. حقوق الصورة: هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية

رؤى بالغة الأهمية من منطقة اندساس جزر ألوشيان

تُعدّ منطقة اندساس جزر ألوشيان أحد المصادر التكتونية للزلازل الكبيرة التي تراقبها هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية. وقد ضرب زلزال تشيغنيك هذه المنطقة، وكانت الهيئة على أهبة الاستعداد لمهمة الاستجابة لما بعد الزلزال.

قبل بضع سنوات فقط، تم إنشاء ثلاثة مواقع مراقبة GNSS-A في قاع البحر قبالة ألاسكا، في منطقة اندساس جزر ألوشيان، بواسطة فريق من العلماء بتمويل من المؤسسة الوطنية للعلوم الأمريكية (NSF).

وقد أجرت هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية ومعهد سكريبس عدة مسوحات باستخدام طائرات شراعية لقياس الأمواج قبل زلزال تشيغنيك بقوة 8.2 درجة، لمراقبة مواقع المواقع على عمق حوالي 1200 متر من المياه.

في غضون أسابيع من الزلزال، أعادت هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية جهاز قياس الأمواج الخاص بها لقياس الحركة التي حدثت أثناء الزلزال وبعده بفترة وجيزة.

على الرغم من الظروف الجوية الصعبة، جمعت المهمة بيانات عالية الدقة من نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS) وبيانات صوتية بنتائج مذهلة.

يقول إريكسن: "كان التسونامي متواضعًا، لكن الحدث الزلزالي كان الأكبر في الولايات المتحدة منذ ما يقرب من ستة عقود، لذا توقعنا حركة كبيرة. لكن كان من المذهل معرفة مقدارها بالضبط - وقد بلغ 1.4 متر". لقد كانت هذه رؤية بالغة الأهمية للحركة المصاحبة للزلزال واللاحقة له، مما ساعد على فهم ديناميكيات منطقة الاندساس.

كان السؤال الأهم هو: هل زاد زلزال تشيغنيك من حالة الإجهاد واحتمالية حدوث تسونامي في الجزء العلوي من الصدع أم لا؟

ويقول: "أظهرت القياسات أن الصدع تحرك أفقياً مسافة 2-3 أمتار في جزء ضحل منه، على عمق أقل من 20 كيلومتراً تحت قاع البحر، مما ساعدنا على فهم كيفية تراكم الإجهاد على طول الصدع وانطلاقه أثناء الزلزال".

"تشير هذه النتائج إلى أن الانزلاق التراكمي قد خفف الضغط على الجزء الضحل من الصدع، وبالتالي، فمن المحتمل أن زلزال تشيغنيك لم يزد من احتمالية حدوث تسونامي في الصدع الضحل."

"كما أظهر ذلك فعالية تقنية GNSS-A وفائدة قياسات GNSS-A سريعة الاستجابة لتقييم مخاطر التسونامي والزلازل في المنطقة بشكل أفضل."

أصول نظام GNSS-A

إن القدرة على قياس حركة الصفائح على قاع البحر ليست بالأمر الجديد. فهي تعتمد على ما كان يُعرف في الأصل بتقنية GNSS-A، والتي طورها معهد سكريبس لأول مرة، وتحديداً ديفيد تشادويل وفريد سبيس.

"كان الجمع بين تحديد المواقع عبر نظام GNSS والقياسات الصوتية لتتبع حركة قاع البحر فكرة ذكية - وقد نجحت"، كما تقول ميشيل بارنيت، مديرة تطوير أعمال علوم المحيطات في شركة سوناردين.

"لكن تكلفة استخدام السفن المأهولة للقيام بعملية تحديد المواقع جعلت الأمر مكلفاً للغاية. كما أنه كان يمثل تحدياً تقنياً."

"لذا، العمل مع سكريبس، في البداية

في العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين، قمنا بتطوير مزيج من أجهزة الاستشعار طويلة العمر من طراز Fetch وحمولة GNSS-A جاهزة للاستخدام لطائرات Wave Gliders التي يمكنها الخروج والقيام بأعمال المسح بتكلفة أقل بكثير من استخدام سفينة مأهولة.

استعادت هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (USGS) طائرة "ويف غلايدر" على متن سفينة الأبحاث "نورث ويند" بعد مسح ناجح. حقوق الصورة: هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (USGS)

يستحق الانتظار، حتى عند انتظار تحسن الأحوال الجوية

إلا أن هذه التقنية لا تخلو من التحديات. فبعد جمع مواقع أجهزة الإرسال والاستقبال في منطقة اندساس جزر ألوشيان، كان إريكسن وفريقه حريصين بطبيعة الحال على الاطلاع على البيانات.

نظراً للكميات الكبيرة من البيانات المعنية - نحن نتحدث عن 25-30 جيجابايت لكل موقع (يتكون من ثلاثة مواقع جلب) - يتم إرسال عينات فرعية فقط إلى الشاطئ من المركبة السطحية غير المأهولة، وذلك في المقام الأول لمراقبة الجودة.

لذا، عليهم الانتظار حتى تعود المركبة السطحية غير المأهولة - أو يتم إعادتها - إلى الشاطئ. وقد أدى انخفاض مستويات ضوء النهار في شتاء ألاسكا (عندما أُجري مسح تشيغنيك) إلى محدودية توافر الطاقة للمركبة السطحية غير المأهولة.

بالإضافة إلى سوء الأحوال الجوية، أثبت تنسيق عملية استعادة البيانات أنها صعبة، مما أدى إلى استغراق أربعة أشهر لاستعادة طائرة Wave Glider وتفريغ البيانات.

ومع ذلك، كان الانتظار يستحق العناء، والنتائج تقدم رؤى أعمق مما حصلنا عليه من قبل.

اقرأ المزيد عن بيانات تشيغنيك في مجلة ساينس أدفانسيس المجلد 9، العدد 17، الكشف عن الانزلاق اللاحق الضحل السريع للزلزال الضخم الذي ضرب تشيغنيك ألاسكا عام 2021 بقوة 8.2 درجة بعد عملية الجيوديسيا لقاع البحر .