کاربرد شبکة عصبی نگاشت خود سامانده برای پهنه‌بندی رقومی زمین‌ساختی:راهکاری جدید برای پهنه‌بندی زمین‌ساختی ایران

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

بخش علوم زمین، دانشکده علوم، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

چکیده

یکی از اساسی‌ترین مباحث در علوم‌زمین، تهیه و رسم نقشه‌های مختلف پهنه‌بندی زمین‌ساختی است. روش‌های مرسوم و متداول در پهنه‌بندی زمین‌ساختی نه تنها با قضاوت‌های  ذهنی همراه است، بلکه تفسیر حجم بالای داده‌ها مشکل و در عمل خارج از توانایی‌ بشر است. برای پرهیز از این نواقص و اشکال‌ها، روش‌های علمی رقومی استخراج اطلاعات از داده‌ها (data mining) می‌تواند به عنوان ابزاری مفید و مؤثر برای تهیه و رسم نقشه‌های رقومی جدید در علوم‌زمین مورد استفاده قرار گیرد. در این مقاله، شبکة عصبی نگاشت خودسامانده (self-organizing map) که یکی از روش‌های متداول استخراج اطلاعات از داده‌ها است، برای پهنه‌بندی رقومی زمین‌ساختی ایران زمین به کار گرفته شده است. SOM نوعی شبکه عصبی مصنوعی غیرنظارتی (unsupervised artificial neural network) است که برای الگوشناسی (pattern recognition) و خوشه‌بندی (clustering) داده‌های چند بعدی به کار می‌رود. تجسم visualization)) داده‌های چند بعدی در پدیده نگاشت (feature map) دوبعدی با حفظ توپولوژی (مکان‌شناسی) (topological-preserving)، از دیگر ویژگی‌های بارز کاربرد روش SOM در تهیه نقشه‌های رقومی است که نمایانگر میزان همگنی و تقارب پهنه‌های تفکیک شده است. اگر چه نقشه‌های رقومی که در این پژوهش تهیه شده شباهت‌های بسیاری با نقشه‌های سنتی (conventional maps) دارد، لکن نقشه‌های SOM از توانمندی‌های بهتری برای تفکیک و تفسیر مناطق مختلف برخوردار هستند. روش جدید افزون‌بر تفکیک پهنه‌های زمین‌ساختی، میزان همگنی هر پهنه را نیز مشخص می‌نماید. مناطق با تاریخچه تحولات زمین‌شناسی مشابه، صرفنظر از موقعیت جغرافیایی‌شان، در یک پهنه قرار می‌گیرند. برای مثال نتایج حاصل از این روش حاکی از آن است که پهنه‌های لوت و گاوخونی اصفهان نسبت به پهنه‌های مکران و آذربایجان غربی از درجه همگنی بالاتری برخوردارند. مناطق کپه داغ و راندگی زاگرس نیز با وجود واقع شدن در دو منطقة‌ جغرافیایی متفاوت، برای یک پهنه با ویژگی‌‌های مشابه منفک شده‌‌اند. افزون‌بر آن، در نقشه رقومی تهیه شده، پهنه مکران از رشته کوه‌های خاور ایران و پهنة آذربایجان غربی از رشته کوه‌های البرز تفکیک شده‌اند. قابل توجه است که نتایج به دست آمده توسط SOM  فقط براساس متغیرهای ژئوفیزیکی، زمین‌شناسی و لرزه‌خیزی یاد شده است، بنابراین باید در تعیین شباهت و تمایز بین نقشه‌های رقومی و زمین‌ساختی رایج دقت لازم به عمل آید.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Application of SOM Neural Network for Numerical Tectonic Zoning: A New Approach for Tectonic Zoning of Iran

نویسندگان [English]

  • Ahmad Zamani
  • M. Nedaei
Earth Sciences Department, Faculty of Sciences, Shiraz University, Shiraz, Iran
چکیده [English]

One of the basic discussions in geosciences is construction of different tectonic zoning maps. In conventional tectonic zoning, not only the great amounts of subjective judgment are involved but also accurate interpretation of high-dimensional data is so difficult and out of human capability. To alleviate these deficiencies, quantitative scientific methods in data mining domain can be applied as an effective and useful tool to construct the new numerical maps in geosciences. In this paper self-organizing map (SOM) neural network that is one of the common methods in data mining has been applied for numerical tectonic zoning of Iran. SOM is an unsupervised artificial neural network particularly adept at pattern recognition and clustering of high-dimensional data. Visualization of high-dimensional data in two-dimensional topological-preserving feature map is another specific capability of SOM that represent both homogeneity within and similarity between clusters. Although there are some similarities between SOM's numerical maps constructed here and the conventional maps but SOM method is more powerful for identification and interpretation of different zones than conventional methods. Utilizing SOM method enables us not only to evaluate the degree of homogeneity in each zone, but also to separate regions zone that experience similar geological evolutionary despite of their geographical locations. For instance Lut and Gavkhuni zones show more homogeneity than Makran and Azerbayejan zones also Kopeh-Dagh and Zagros are located at different regions, they have similar features. The results obtained here represent separation between Makran from EastIranianRanges and Western Azerbaijan from AlborzRanges, too. It is important to recognize that the SOM's results are based purely on the geophysical, geological and seismic features presented previously. So correspondences and differences between the SOM's zones and a given zone based on conventional method must receive careful thought.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Tectonic Zoning
  • Clustering
  • Self-Organizing map
  • Neural Network
References
Aghanabati, A., 1986- 1/5,000,000 Sheet, Geological Map of the Middle East. Commission for the Geological Map of the World, Geological Survey of Iran.
Ambraseys, N. N. & Melville, C. P., 1982- A History of Persian Earthquakes. CambridgeUniversity Press, Cambridge, England, 219p.
Axen, G. J., Lam, P. S., Grove, M., Stockli, D. F. & Hassanzadeh, J., 2001- Exhumation History of the Alam Kuh Area, Central Alborz Mountains, Northern Iran: Implications for Caspian subsidence and Collision-Related Tectonics
Berberian, M. & King, C. P., 1981- Towards a paleogeography and tectonic evolution of Iran. Canadian Journal of Earth Science, 18: 210–265.
Berberian, M., 1981- Active faulting and tectonics of Iran. In: Gupta, H.K., Delany, F.M. (Eds.), Zagros Hindu Kush Himalaya Geodynamic Evolution: Geodynamic Series, 3, American Geophysical Union, Washington, DC and Geological Society of America, Boulder, CO, pp. 33–69.
Berthold, M. & Hand, D. J. editors, 1999- Intelligent Data Analysis: an Introduction. Springer.
Boulin, J., 1991- Structures in Southwest Asia and evolution of the eastern Tethys. Tectonophysics, 196: 211–268.
Caputo, M., Keilis-Borok, V. I., Oficerova, E., Ranzman, E. Ya., Rotwain, I., Solovjeff, A., 1980- Pattern recognition of earthquake-prone areas in Italy. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 21: 305–320.
Choubert, G., Faure-Muret, A. M., 1980- Geological World Atlas, 1/10,000,000 Sheets 9, 10 and 11. Commission for the Geological Map of the World, UNESCO, Paris.
Coleman, R. J., 1981- Tectonic setting for ophiolite obduction in Oman. Journal of Geophysical Research. (Special Issue), 86: 2497-2508.
Collyer, P. L., Merriam, D. F., 1973- An application of cluster analysis in mineral exploration. Mathematical Geology, 5:213–223
Davoudzadeh, M. & Weber-Diefenbach, K., 1987- Contribution to the paleogeography, stratigraphy and tectonics of the Upper Paleozoic of Iran. Neues Jahrbnch Fuer Geologie und Palaontologie, 175: 121–145.
Davoudzadeh, M., Lensch, G. & Weber-Diefenbach, K., 1986- Contribution to the paleogeography, stratigraphy and tectonics of the Infracambrian and Lower Paleozoic of Iran. Neues Jahrbnch Fuer Geologie und Palaontologie, 172: 245–269.
Dayhoff, J. E., 1990- Neural network architectures—An introduction. New York: Van Nostrand Reinhold
Dehghani, G. A. & Makris, J., 1983- The gravity field and crustal structure of Iran. In: Geodynamic Project (Geotraverse) in Iran, Geological Survey of Iran, 51: 51–68.
Eftekharnezhad, J., 1980- Subdivision of Iran into different structural realms with relation to sedimentary basins (in Farsi). Bulletin of the Iranian Petroleum Institute, 82: 19–28.
Engdahl, E. R., Jackson, J., Myers, S. C., Bergman, E. A., Priestley, K., 2006- Relocation and assessment of seismicity in the Iran region. Geophysical Journal International, 167: 761-778
Fayyad, U., Piatetsky-Shapiro, G. & Smyth, P., 1996- Knowledge discovery and data mining: Towards a unifying framework, In Proceeding of The Second International Conference on Knowledge Discovery and Data Mining (KDD’96), 82–88.
Gelfand, I. M., Guberman, Sh. I., Izvekova, M. L., Keilis-Borok, V. I., Ranzman, E. Ja., 1972- Criteria of high seismicity, determined by pattern recognition. Tectonophysics, 13:415–422.
Gelfand, I. M., Guberman, Sh. A., Kalezkaja, M. S., Keilis-Borok, V. I., Ranzman, E. Ia., Rotwain, I. M., Zhidkov, M. P., 1974a- Recognition of places where strong earthquakes may occur, II. Four regions of Asia Minor and S-E Europe (in Russian). Computational Seismology 7: 1–40.
Gelfand, I. M., Guberman, Sh. A., Keilis-Borok, V. I., Knopoff, L., Press, F., Ranzman, E. Ya., Rotwain, I. M., Sadovsky, A. M., 1976- Pattern recognition applied to earthquake epicenters in California. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 11: 227–283.
Gutenberg, B. & Richter, C. F., 1954- Seismicity of the Earth and its Associate Phenomena. PrincetonUniversity Press, Princeton, NJ, 310p.
Häkkinen, E. & Koikkalainen, P., 1997- The neural data analysis environment. In Proceedings of the Workshop on Self-Organizing Map, 69–74.
Hand, D., Mannila, H. & Smyth, P., 2001- Principles of Data Mining. The MIT Press.
Harff, J., Davis, J. C., 1990- Regionalization in geology by multivariate classification. Mathematical Geology, 22: 573–588.
Hewitson, B. C., & Crane, R. G., 1994- Neural nets: Applications in geography. London: Kluwer Academic Publishers.
Hewitson, B. C., & Crane, R. G., 2002- Self-organizing maps: Applications to synoptic climatology. Climate Research, 22: 13–26.
Iivarinen, J., Kohonen, T., Kangas, J. & Kaski. S., 1994- Visualizing the Clusters on the Self-Organizing Map. In Christer Carlsson, Timo Järvi, and Tapio Reponen, editors, Proceedings of Conference on Artificial Intelligence Research in Finland, number 12 in Proceedings of Conference of Finnish Artificial Intelligence Society, pp. 122–126, Helsinki, Finland, Finnish Artificial Intelligence Society.
Karakaisis, G. F., 1994- Long-term earthquake prediction in Iran based on the time- and magnitude-predictable model. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 83: 129–145.
Kaski, S., Kangas, J. & Kohonen, T., 1998- Bibliography of self-organizing map (SOM) papers: 1981-1997. Neural Computing Surveys, 1:102–350.
Kohonen, T., 1995- Self-organizing maps. Springer, Berlin.
Lin, G. F. & Chen, L. H., 2006- Identification of homogeneous regions for regional frequency analysis using the self-organizing map, Journal of Hydrology, 324:1-9
Merkl, D. & Rauber, A., 1997- Alternative ways for cluster visualization in self-organizing maps. In Proceedings of the Workshop on Self-Organizing Map, pp.106–111.
Meyer, B. & Le Dortz, K. , 2007- Strike slip kinematics in Central and Eastern Iran: Estimating fault slip-rate averaged over the Holocene, Tectonics, 26: TC5009
Nabavi, M. H., 1976- An introduction to the Iranian geology (in Farsi). Geological Survey of Iran, 38: 110pp.
Nowroozi, A. A., 1971- Seismotectonics of the Persian Plateau, eastern Turkey, Caucasus, and Hindu-Kush regions. Bulletin of the Seismological Society of America, 61: 317–341.
Nowroozi, A. A., 1976- Seismotectonic provinces of Iran. Bulletin of the Seismological Society of America, 66: 1249–1276.
Nowroozi, A. A., 1979- Reply to M. Berberian: comparison between instrumental and macroseismic epicenters. Bulletin of the Seismological Society of America, 69: 641–649.
Parks, J. M., 1966- Cluster analysis applied to multivariate geologic problems. Journal of Geology, 74: 703–715.
Potter, D. R., 1996- Correlation between observed seismicity and GPS-derived aseismic crustal deformation rates in Southern California. EOS, Transactions of the American Geophysical Union, 77: 148–149
Reiben, H., 1955- The geology of the Tehran plain: American Journal of Science, 253 (11): 617-639.
Shoja-Taheri, J. & Niazi, M., 1981- Seismicity of the Iranian Plateau and bordering regions, Bulletin of the Seismological Society of America, 71: 477–489.
Stahl, A. F., 1911- Zur geologie von Persien. In: Handbuch der Regionalen Geologie, Band 5, Heft 8, Heidelberg, Germany, 46pp.
Stöcklin, J. & Nabavi, M.H., 1973- 1/2,500,000 sheet, tectonic map of Iran. Geological Survey of Iran.
Stöcklin, J., 1968- Structural history and tectonics of Iran: a review, Bulletin of the American Association of Petroleum Geologists, 52: 1229–1258.
Stöcklin, J., 1977- Structural correlation of the Alpine ranges between Iran and Central Asia. Mémoire H series, Societé géologique de France, 8: 335–353.
Swan, A. R. H., Sandilands, M., 1995- Introduction to Geological Data Analysis, Blackwell Science, Oxford, 446pp.
Takin, M., 1972- Iranian geology and continental drift in the Middle East. Nature, 235: 147–150.
Ultsch, A. & Siemon, H. P., 1990- Kohonen’s Self Organizing Feature Maps for Exploratory Data Analysis. In Proceedings of International Neural Network Conference (INNC’90), pp. 305–308, Dordrecht, Netherlands,. Kluwer.
URL http://www.cis.hut.fi/projects/somtoolbox/
White, R. S. & Ross, D. A., 1979- Tectonics of the western Golf of Oman, Journal of Geophysical Research, 84:3479-3489.
Zamani, A. & Hashemi, N., 2000- A comparison between seismicity, topographic relief, and gravity anomalies of the Iranian Plateau, Tectonophysics, 327: 25–36.
Zamani, A. & Hashemi, N., 2004- Computer-based self-organized tectonic zoning: a tentative pattern recognition for Iran, Computers & Geosciences, 30: 705–718