更加快速！科學(xué)家用計算機算法識別大地震

世界上最大的構造板塊在日本海岸附近震動(dòng)兩分鐘后，日本氣象廳向大約5000萬(wàn)居民發(fā)出了最后警告：8.1級地震引發(fā)的海嘯正向海岸逼近。但直到海浪到達數小時(shí)后，專(zhuān)家們才估算出2011年3月11日日本東北地震的真實(shí)規模。最終，它的震級達到了9級，造成至少1.8萬(wàn)人死亡，其中一些地區甚至從未收到過(guò)警報。

現在，科學(xué)家找到了一種更加快速獲得準確數據的方法，即使用計算機算法來(lái)識別從斷層中以光速發(fā)射的引力波的尾跡。

“這是一種識別大地震的全新方法。”未參與此項研究的加州大學(xué)伯克利分校的地震學(xué)家Richard Allen說(shuō)，“如果我們實(shí)施這個(gè)算法，就會(huì )更有信心確定這是否為一場(chǎng)真正的大地震，可以更早地在更大的范圍內發(fā)出警報。”

科學(xué)家通常利用地震儀等設備，通過(guò)監測地面振動(dòng)或地震波來(lái)探測地震。但地震儀提供的預警量取決于地震與其之間的距離，以及傳播速度低于每秒6公里的地震波的速度。日本、墨西哥和加利福尼亞的地震網(wǎng)絡(luò )提供幾秒甚至幾分鐘的預警，這種方法在相對較小的地震中效果良好。“但超過(guò)7級以上，地震波就會(huì )使地震儀飽和，這使得最具破壞性的地震，如日本東北地震，難以識別。”Allen說(shuō)。

最近，參與尋找引力波(由大質(zhì)量物體運動(dòng)在時(shí)空中產(chǎn)生的漣漪)的研究人員意識到，這些以光速傳播的重力信號也可以用來(lái)監測地震。“這個(gè)想法是，一旦質(zhì)量移動(dòng)到任何地方，引力場(chǎng)就會(huì )發(fā)生變化，而且所有東西都能感覺(jué)到它。”佛羅里達大學(xué)致力于激光干涉儀引力波天文臺研究的物理學(xué)家Bernard Whiting說(shuō)，“令人驚訝的是，即使在地震儀中也會(huì )出現這種信號。”

果然，在2016年，Whiting和同事報告說(shuō)，常規地震儀可以探測到這些重力信號。地震導致質(zhì)量的巨大變化;這些位移會(huì )產(chǎn)生引力效應，使現有的引力場(chǎng)和地震儀下的地面變形。通過(guò)測量?jì)烧咧g的差異，科學(xué)家得出結論，他們可以創(chuàng )建一種新的地震預警系統。重力信號在第一次地震波到達之前就會(huì )出現在地震儀上，這部分信號通常被忽略。Whiting說(shuō)，通過(guò)將來(lái)自幾十個(gè)地震儀的信號相互疊加，科學(xué)家可以識別模式來(lái)解釋大型事件的規模和位置。

現在，蔚藍海岸大學(xué)的博士后Andrea Licciardi和同事建立了一種機器學(xué)習算法來(lái)進(jìn)行模式識別。他們對模型進(jìn)行了數十萬(wàn)次模擬地震的訓練，然后在日本東北地區的真實(shí)數據集上進(jìn)行測試。研究人員在《自然》報道稱(chēng)，該模型在大約50秒內準確預測了地震的震級——比其他最先進(jìn)的早期預警系統更快。

重力信號太弱，無(wú)法用現有技術(shù)探測8.3級以下的地震，該系統不太可能在地震儀覆蓋的地震區提供更多的預警。但艾倫說(shuō)，它可以提供更可靠的大地震規模估計，這對預測海嘯尤其重要，因為海嘯通常需要額外10或15分鐘才能到達。這篇論文的合著(zhù)者、蔚藍海岸大學(xué)地震學(xué)家Jean-Paul Ampuero說(shuō)，有了這項技術(shù)，日本的地震學(xué)家就可以準確地確定震級，并在“地震開(kāi)始后1到2分鐘”發(fā)出適當的警報。

但這項技術(shù)目前尚未投入使用，因為它還沒(méi)有對數據進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。該模型將在日本部署，但僅適用于可能產(chǎn)生“大地震”的特定斷層帶產(chǎn)生的地震。Licciardi說(shuō)，該算法需要單獨訓練，以便在不同地區使用，研究人員目前正在秘魯和智利的地震臺網(wǎng)中進(jìn)行訓練。

“我們有了第一代算法……這是一個(gè)巨大的進(jìn)步。”Allen，“現在讓我們去看看它是否真的有效。”(作者：李木子)

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