gtcrustГеодинамика и тектонофизикаGeodynamics & Tectonophysics2078-502XInstitute of the Earth's crust of the Russian Academy of Sciences, Siberian Branch10.5800/GT-2025-16-5-0854wkekwdgtcrust-2115Research ArticleСОВРЕМЕННАЯ ГЕОДИНАМИКАRECENT GEODYNAMICSПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ МАШИННОГО ОБУЧЕНИЯ В ЗАДАЧЕ ОБНАРУЖЕНИЯ ПРЕДВЕСТНИКОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ ПО ДАННЫМ МОНИТОРИНГА СЕЙСМИЧЕСКИХ ШУМОВ В БАЙКАЛЬСКОЙ РИФТОВОЙ СИСТЕМЕMACHINE LEARNING METHODS TO SOLVE THE PROBLEM OF DETECTING EARTHQUAKE PRECURSORS BASED ON SEISMIC NOISE MONITORING DATA FOR THE BAIKAL RIFT SYSTEMГригорюкА. П.GrigoryukA. P.

630090, Новосибирск, пр-т Академика Лаврентьева, 6

Andrey P. Grigoryuk

6 Academician Lavrentiev Ave, Novosibirsk 630090

and@opg.sscc.ruБрагинскаяЛ. П.BraginskayaL. P.

630090, Новосибирск, пр-т Академика Лаврентьева, 6

6 Academician Lavrentiev Ave, Novosibirsk 630090

КовалевскийВ. В.KovalevskyV. V.

630090, Новосибирск, пр-т Академика Лаврентьева, 6

6 Academician Lavrentiev Ave, Novosibirsk 630090

ДобрынинаА. А.DobryninaA. A.

664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 128; 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 134;670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6а, Республика Бурятия

128 Lermontov St, Irkutsk 664033; 134 Lermontov St, Irkutsk 664033; 6а Sakhyanova St, Ulan-Ude 670047, Republic of Buryatia

Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАНРоссияInstitute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут земной коры СО РАН; Институт динамики систем и теории управления им. В.М. Матросова СО РАН; Геологический институт им. Н.Л. Добрецова СО РАНРоссияInstitute of the Earth’s Crust, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Matrosov Institute of System Dynamics and Control Theory, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Dobretsov Geological Institute, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202517102025165854854Copyright © Григорюк А.П., Брагинская Л.П., Ковалевский В.В., Добрынина А.А., 20252025Григорюк А.П., Брагинская Л.П., Ковалевский В.В., Добрынина А.А.Grigoryuk A.P., Braginskaya L.P., Kovalevsky V.V., Dobrynina A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.gt-crust.ru/jour/article/view/2115

В работе исследовался спектральный состав микросейсмического шума (МСШ) за несколько часов перед слабыми и умеренными сейсмическими событиями в Байкальской рифтовой системе по данным мониторинга. Рассматривались 40 землетрясений с энергетическим классом К=9.5–14.5 на эпицентральных расстояниях от 10 до 120 км от пункта мониторинга. Обнаружено статистически значимое изменение спектрального состава МСШ, по сравнению с фоновыми значениями. При этом в диапазоне 0.5–2.5 Гц наблюдалось повышение спектральной плотности мощности, а на более высоких частотах, приблизительно от 4 Гц до 16 Гц, – ее понижение. Методами машинного обучения была построена модель бинарной классификации записей МСШ, позволяющая по его спектральному составу обнаруживать краткосрочные предвестники землетрясений в период их подготовки. Исследования проводились на базе цифровой платформы (https://izk.sscc.ru). Сейсмические данные поступают на цифровую платформу с полигонов комплексного мониторинга опасных геологических процессов Института земной коры СО РАН, г. Иркутск.

The paper deals with the monitoring-based determination of spectral composition of microseismic noise (MSN) several hours before weak and moderate seismic events in the Baikal rift system. Consideration is being given to 40 earthquakes with an energy class of K=9.5–14.5 at 10 to 120 km distances from the epicenters to the monitoring sites. It has been found that the change in spectral composition of MSN is statistically significant compared to background values. The frequency range of 0.5–2.5 Hz exhibits an increase in power spectral density, whereas higher frequencies, approximately 4 to 16 Hz, show its decrease. Machine learning methods were used to construct a binary classification model regarding the records of MSN whose spectral composition allows detecting the occurrence of short-term earthquake precursors. The studies were based on the digital platform (https://izk.sscc.ru). Seismic data is received at the digital platform from integrated monitoring of hazardous geological processes at the sites of the Institute of the Earth’s Crust SB RAS, Irkutsk.

микросейсмический шумпредвестники землетрясениймашинное обучениеБайкальская рифтовая системаземлетрясенияmicroseismic noiseearthquake precursorsmachine learningBaikal rift systemearthquakesИсследование проведено при поддержке Минобрнауки РФ (грант № 075-15-2024-533, проект «Фундаментальные исследования Байкальской природной территории на основе системы взаимосвязанных базовых методов, моделей, нейронных сетей и цифровой платформы экологического мониторинга окружающей среды»). Работа выполнена с использованием оборудования и инфраструктуры УНУ «Южно-Байкальский инструментальный комплекс для мониторинга опасных геодинамических процессов» ЦКП «Геодинамика и геохронология» ИЗК СО РАН.The study was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (grant No. 075-15-2024-533, project "Fundamental research of the Baikal natural territory based on a system of interconnected basic methods, models, neural networks and a digital platform for environmental monitoring"). The work was conducted using the LSRF "South-Baikal instrumental complex for monitoring of hazardous geodynamic processes" of the Centre for Geodynamics and Geochronology at the Institute of the Earth’s Crust SB RAS.ReferencesAnikiev D., Birnie C., bin Waheed U., Alkhalifah T., Gu Ch., Verschuur D.J., Eisner L., 2023. Machine Learning in Microseismic Monitoring. Earth-Science Reviews 239, 104371. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2023.104371.Anikiev D., Birnie C., bin Waheed U., Alkhalifah T., Gu Ch., Verschuur D.J., Eisner L., 2023. Machine Learning in Microseismic Monitoring. Earth-Science Reviews 239, 104371. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2023.104371.Bletery Q., Nocquet J.-M., 2023. The Precursory Phase of Large Earthquakes. Science 381, 297−301. https://doi.org/10.1126/science.adg2565.Bletery Q., Nocquet J.-M., 2023. The Precursory Phase of Large Earthquakes. Science 381, 297−301. https://doi.org/10.1126/science.adg2565.Борняков С.А., Добрынина А.А., Пантелеев И.А., Саньков В.А., Салко Д.В., Встовский Г.В., Мирошниченко А.И., Шагун А.Н., Синцов А.Е., Каримова А.А. Тектонофизическая модель очага тектонического землетрясения // Геосистемы переходных зон. 2024. Т. 8. № 4. С. 313–327. https://doi.org/10.30730/gtrz.2024.8.4.313-327.Bornyakov S.A., Dobrynina A.A., Panteleev I.A., Sankov V.A., Salko D.V., Vstovsky G.V., Miroshnichenko A.I., Shagun A.N., Sintsov A.E., Karimova A.A., 2024. Tectonophysical Model of the Tectonic Earthquake Focus. Geosystems of Transition Zones 8 (4), 313–327 (in Russian). https://doi.org/10.30730/gtrz.2024.8.4.313-327.Bornyakov S.A., Dobrynina A.A., Shagun A.N., Sankov V.A., Salko D.V., Miroshnichenko A.I., Vstovsky G.V., Sintsov A.E., 2023. On Similarities Between Deformation Processes Preceding Ice Shocks and Tectonic Earthquakes. Doklady Earth Sciences 508 (2), 91–96. https://doi.org/10.1134/S1028334X22602097.Bornyakov S.A., Dobrynina A.A., Shagun A.N., Sankov V.A., Salko D.V., Miroshnichenko A.I., Vstovsky G.V., Sintsov A.E., 2023. On Similarities Between Deformation Processes Preceding Ice Shocks and Tectonic Earthquakes. Doklady Earth Sciences 508 (2), 91–96. https://doi.org/10.1134/S1028334X22602097.Braginskaya L.P., Grigoryuk A.P., Kovalevsky V.V., Dobrynina A.A., 2023. Digital Platform for Integrated Geophysical Investigations in the Baikal Region. Seismic Instruments 59 (1–3), 54–62. https://doi.org/10.3103/S0747923924700063.Braginskaya L.P., Grigoryuk A.P., Kovalevsky V.V., Dobrynina A.A., 2023. Digital Platform for Integrated Geophysical Investigations in the Baikal Region. Seismic Instruments 59 (1–3), 54–62. https://doi.org/10.3103/S0747923924700063.Добрынина А.А., Перевалова Н.П., Саньков В.А., Едемский И.К., Лухнев А.В. Анализ сейсмических и ионосферных эффектов Кударинского землетрясения 9 декабря 2020 г. // Геодинамика и тектонофизика. 2022. Т. 13. № 2. 0622. https://doi.org/10.5800/GT-2022-13-2s-0622.Dobrynina A.A., Perevalova N.P., Sankov V.A., Edemsky I.K., Lukhnev A.V., 2022. Analysis of the Seismic and Ionospheric Effects of the Kudarinsky Earthquake on December 9, 2020. Geodynamics & Tectonophysics 13 (2), 0622 (in Russian) https://doi.org/10.5800/GT-2022-13-2s-0622.Dobrynina A.A., Sankov V.A., Bornyakov S.A., Korol S.A., Sankov A.V., 2023. Anomalous Seismic Noises from the December 9, 2020 MW=5.6 KUDARA Earthquake in the Baikal Basin. Doklady Earth Sciences 508 (1), 23–29. https://doi.org/10.1134/S1028334X22601912.Dobrynina A.A., Sankov V.A., Bornyakov S.A., Korol S.A., Sankov A.V., 2023. Anomalous Seismic Noises from the December 9, 2020 MW=5.6 KUDARA Earthquake in the Baikal Basin. Doklady Earth Sciences 508 (1), 23–29. https://doi.org/10.1134/S1028334X22601912.Еманов А.Ф., Еманов А.А., Чечельницкий В.В., Шевкунова Е.В., Фатеев А.В., Кобелева Е.А., Подкорытова В.Г., Фролов М.В., Ешкунова И.Ф. Хубсугульское землетрясение 11.01.2021 г. с M=6.7 и его афтершоки // Землетрясения России в 2021 году. Обнинск: ФИЦ ЕГС РАН. 2023. С. 123–132.Emanov A.F., Emanov A.A., Chechelnitsky V.V., Shevkunova E.V., Fateev A.V., Kobeleva E.A., Podkorytova V.G., Frolov M.V., Eshkunova I.F., 2023. Khubsugul Earthquake of January 11, 2021 with M=6.7 and Its Aftershocks. In: Earthquakes of Russia in 2021. GS RAS, Obninsk, p. 123–132 (in Russian).Kong Q., Trugman D.T., Ross Z.E., Bianco M.J., Meade B.J., Gerstoft P., 2019. Machine Learning in Seismology: Turning Data Into Insights. Seismological Research Letters 90 (1), 3–14. https://doi.org/10.1785/0220180259.Kong Q., Trugman D.T., Ross Z.E., Bianco M.J., Meade B.J., Gerstoft P., 2019. Machine Learning in Seismology: Turning Data Into Insights. Seismological Research Letters 90 (1), 3–14. https://doi.org/10.1785/0220180259.Король С.А., Саньков А.В., Добрынина А.А., Саньков В.А. Вариации уровня микросейсм перед землетрясениями в Байкальской рифтовой системе // Геодинамика и тектонофизика. 2022. Т. 13. № 2. 0632]. https://doi.org/10.5800/GT-2022-13-2s-0632.Korol S.A., Sankov A.V., Dobrynina А.А., Sankov V.A., 2022. Ambient Seismic Noise Variations Before Earthquakes in the Baikal Rift System. Geodynamics & Tectonophysics 13 (2), 0632 (in Russian) https://doi.org/10.5800/GT-2022-13-2s-0632.Kubo H., Naoi M., Kano M., 2024. Recent Advances in Earthquake Seismology Using Machine Learning. Earth, Planets and Space 76 (1), 36. https://doi.org/10.1186/s40623-024-01982-0.Kubo H., Naoi M., Kano M., 2024. Recent Advances in Earthquake Seismology Using Machine Learning. Earth, Planets and Space 76 (1), 36. https://doi.org/10.1186/s40623-024-01982-0.Logatchev N.A., Florensov N.A., 1978. The Baikal System of Rift Valleys. Tectonophysics 45 (1), 1–13, https://doi.org/10.1016/0040-1951(78)90218-4.Logatchev N.A., Florensov N.A., 1978. The Baikal System of Rift Valleys. Tectonophysics 45 (1), 1–13, https://doi.org/10.1016/0040-1951(78)90218-4.Lyubushin A.A., 2011. Seismic Catastrophe in Japan March 11, 2011: Long-Term Prediction on the Basis of Low-Frequency Microseisms. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics Geophysical Processes and Biosphere 47 (8), 904–921. https://doi.org/10.1134/S0001433811080056.Lyubushin A.A., 2011. Seismic Catastrophe in Japan March 11, 2011: Long-Term Prediction on the Basis of Low-Frequency Microseisms. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics Geophysical Processes and Biosphere 47 (8), 904–921. https://doi.org/10.1134/S0001433811080056.Mignan A., Broccardo M., 2020. Neural Network Applications in Earthquake Prediction (1994–2019): Meta-Analytic and Statistical Insights on Their Limitations. Seismological Research Letters 91 (4), 2330–2342. https://doi.org/10.1785/0220200021.Mignan A., Broccardo M., 2020. Neural Network Applications in Earthquake Prediction (1994–2019): Meta-Analytic and Statistical Insights on Their Limitations. Seismological Research Letters 91 (4), 2330–2342. https://doi.org/10.1785/0220200021.Radziminovich N.A., Miroshnichenko A.I., Zuev F.L., 2019. Magnitude of Completeness, b-Value, and Spatial Correlation Dimension of Earthquakes in the South Baikal Basin, Baikal Rift System. Tectonophysics 759, 44–57, https://doi.org/10.1016/j.tecto.2019.04.002.Radziminovich N.A., Miroshnichenko A.I., Zuev F.L., 2019. Magnitude of Completeness, b-Value, and Spatial Correlation Dimension of Earthquakes in the South Baikal Basin, Baikal Rift System. Tectonophysics 759, 44–57, https://doi.org/10.1016/j.tecto.2019.04.002.Ridzwan N.S.M., Yusoff S.H.M., 2023. Machine Learning for Earthquake Prediction: A Review (2017–2021). Earth Science Informatics 16 (2), 1133–1149. https://doi.org/10.1007/s12145-023-00991-z.Ridzwan N.S.M., Yusoff S.H.M., 2023. Machine Learning for Earthquake Prediction: A Review (2017–2021). Earth Science Informatics 16 (2), 1133–1149. https://doi.org/10.1007/s12145-023-00991-z.Saltykov V.A., 2017. On the Possibility of Using the Tidal Modulation of Seismic Waves for Forecasting Earthquakes. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 53 (2), 250–261. https://doi.org/10.1134/S1069351317010128.Saltykov V.A., 2017. On the Possibility of Using the Tidal Modulation of Seismic Waves for Forecasting Earthquakes. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 53 (2), 250–261. https://doi.org/10.1134/S1069351317010128.San’kov V.A., Levi K.G., Calais E., Déverchère J., Lesne O., Lukhnev A.V., Miroshnichenko A.I., Buddo V.Yu., Zalutskii V.T., Bashkuev Yu.B., 1999. Historic and Holocene Horizontal Movements Measured at the Baikal Geodynamic Test Ground. Russian Geology and Geophysics 40 (3), 414–421.San’kov V.A., Levi K.G., Calais E., Déverchère J., Lesne O., Lukhnev A.V., Miroshnichenko A.I., Buddo V.Yu., Zalutskii V.T., Bashkuev Yu.B., 1999. Historic and Holocene Horizontal Movements Measured at the Baikal Geodynamic Test Ground. Russian Geology and Geophysics 40 (3), 414–421.Seminsky K.Zh., Bornyakov S.A., Dobrynina A.A., Radziminovich N.A., Rasskazov S.V., San’kov V.A., Mialle P., Bobrov A.A. et al., 2021. The Bystrinskoe Earthquake in the Southern Baikal Region (21 September 2020, Mw=5.4): Main Parameters, Precursors, and Accompanying Effects. Russian Geology and Geophysics 62 (5), 589–603. https://doi.org/10.2113/RGG20204296.Seminsky K.Zh., Bornyakov S.A., Dobrynina A.A., Radziminovich N.A., Rasskazov S.V., San’kov V.A., Mialle P., Bobrov A.A. et al., 2021. The Bystrinskoe Earthquake in the Southern Baikal Region (21 September 2020, Mw=5.4): Main Parameters, Precursors, and Accompanying Effects. Russian Geology and Geophysics 62 (5), 589–603. https://doi.org/10.2113/RGG20204296.Семинский К.Ж., Добрынина А.А., Борняков С.А., Саньков В.А., Поспеев А.В., Рассказов С.В., Перевалова Н.П., Семинский И.К. и др. Комплексный мониторинг опасных геологических процессов в Прибайкалье: организация пилотной сети и первые результаты // Геодинамика и тектонофизика. 2022. Т. 13. № 5. 0677. https://doi.org/10.5800/GT-2022-13-5-0677.Seminsky K.Zh., Dobrynina A.A., Bornyakov S.A., Sankov V.A., Pospeev A.V., Rasskazov S.V., Perevalova N.P., Seminskiy I.K. et al., 2022. Integrated Monitoring of Hazardous Geological Processes in Pribaikalye: Pilot Network and First Results. Geodynamics & Tectonophysics 13 (5), 0677 (in Russian) https://doi.org/10.5800/GT-2022-13-5-0677.Sobolev G.A., 2004. Microseismic Variations Prior to a Strong Earthquake. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 40 (6), 455–464.Sobolev G.A., 2004. Microseismic Variations Prior to a Strong Earthquake. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 40 (6), 455–464.Соболев Г.А. Концепция предсказуемости землетрясений на основе динамики сейсмичности при триггерном воздействии. М.: ИФЗ РАН, 2011. 56 с.Sobolev G.A., 2011. A Concept of Predictability of Earthquakes Based on Seismicity Dynamics at Trigger Effect. IPE RAS, Moscow, 56 p. (in Russian)Sobolev G.A., Lyubushin A.A., Zakrzhevskaya N.A., 2008. Asymmetrical Pulses, the Periodicity and Synchronization of Low Frequency Microseisms. Journal of Volcanology and Seismology 2 (2), 118–134. https://doi.org/10.1134/S074204630802005X.Sobolev G.A., Lyubushin A.A., Zakrzhevskaya N.A., 2008. Asymmetrical Pulses, the Periodicity and Synchronization of Low Frequency Microseisms. Journal of Volcanology and Seismology 2 (2), 118–134. https://doi.org/10.1134/S074204630802005X.Соболев Г.А., Пономарев А.В. Физика землетрясений и предвестники. М.: Наука, 2003. 270 с.Sobolev G.A., Ponomarev A.V., 2003. Physics of Earthquakes and Precursors. Nauka, Moscow, 270 p. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.