地震是破壞力較大的自然災害之一。地震科學的每一次進步和飛躍，都象征著人類與自然災害抗爭的決心。

公元132年(東漢順帝陽嘉元年)，張衡發明了世界第一臺地震觀測儀器——候風地動儀，開啟了人類利用儀器觀測地震的歷史。

時針飛速撥轉，近年來，人工智能、大數據、云計算等技術的廣泛應用，為地震科學帶來新的曙光和可能。

采用人工智能方法,可在1秒內算出震源機制參數，摸清地震“脾氣”，有效提升地震監測和風險防范能力。這是中國科學技術大學地球和空間科學學院張捷教授課題組最新的研究成果。論文日前發表于《自然-通訊》雜志。

對于這一成果，該論文的3位審稿人一致評價：“這是非常激動人心的突破性成果。”

目前，張捷課題組成員15人，有14人是90后。近日，中青報·中青網記者采訪了這群年輕的科研人員。

地震監測需要的“神秘”參數

張捷教授介紹，地球內部運動導致板塊之間相互擠壓碰撞，進而造成板塊內部錯動、破裂，是引發地震的主要原因。地震的“時(發震時刻)、空(震源位置)、強(地震震級)”三要素是了解地震的最基本信息。但不可忽略的是，描述地震破裂的震源機制解(即震源機制參數，學界也叫震源機制解——記者注)也是破解地震信息的重要參數。

何為震源機制解?張捷解釋，這是利用地震觀測資料來研究地震發生時，震源處的作用力和斷層錯動性質，其參數包含斷層走向(strike)、斷層傾角(dip)、滑移角(rake)等。

摸清震源機制解，不僅可以幫助了解斷層的類型，還能揭示斷層在地震發生時具體的運動情況、破裂方向、破裂速度，描述滑斷面的走向、傾向、傾角等特征。

通俗地說，對于發生在陸地上的地震，震源機制解可能用于由前震預測主震，或由主震資料預測強余震，揭示震源附近的應力分布狀況。也能幫助判讀出是地震帶中哪個斷層系在活動、其應力方向在哪、附近類似斷層會不會出現危險等情況;對于海洋以及近海、沿岸區域的地震，震源機制解可以為海嘯預警、海嘯災害的評估提供關鍵的信息。

張捷介紹，自1938年地震學家第一次推算以來，快速獲取震源機制解一直是科學難題。通常，科學家通過記錄到的地震波極性以及全波形信息，反向演算震源機制解。但反推耗費時間、計算量大，目前，世界各地地震監測臺網在地震速報信息里，只有發震時刻、震級、地點和深度，并不包括震源機制解。

他補充說，地震發生時，地震波信號傳到地震臺網，專業人員采用理論算法處理地震數據。但往往在地震發生幾分鐘或更長的時間后才能報出震源機制解。3-10分鐘后，地震往往已經造成破壞。

2004年，里氏9.3級印度洋大地震引發強烈海嘯，席卷了包括印度尼西亞、斯里蘭卡、馬爾代夫等國，造成了巨大人員傷亡和財產損失。震后15分鐘，海嘯最先到達印尼，但卻沒有預警，最后造成14個國家共22萬余人失去生命。張捷分析，若能在震后快速得到該地震是逆沖破裂的震源機制并發出預警，將會大大減少傷亡。

在最新成果中，張捷課題組就利用人工智能技術和深度機器學習算法，提出新的深度卷積神經網絡——震源機制網絡(FMNet)，利用全波形信息快速估計震源機制。

課題組首先在研究區域模擬出理論地震波形圖，用于訓練人工智能網絡。之后將實際地震波形數據輸入到訓練好的人工智能網絡中，從而輸出地震震源機制解。“地震發生后，實際地震數據進入人工智能系統，不到1秒時間，系統就能準確估算出震源機制解，為災情判斷、災害評估提供有力支持。”張捷說。

該項目也受到了中國地震局地震預測研究所基本科研業務費實驗場項目和國家重點研發計劃項目“地震預警新技術研究與示范應用”的資助。

地震監測，跨越千年的科學“接力”

關于地震的研究一直在曲折中進行。研究的時間維度已跨越了上千年。

“中有都柱，傍行八道，施關發機……”根據《后漢書·張衡傳》記載，張衡發明的地動儀利用了慣性擺的原理。古人實現了用聰明智慧“感知”地震。

中國地震局信息技術學科組顧問、地震預測研究所研究員陳會忠在撰文指出，在地動儀發明之后的幾個世紀里，世界上均無關于地震觀測儀器方面的記載。19世紀中葉開始，隨著西方國家和日本相繼研制了定量記錄地面運動的地震儀，地震監測儀器與監測方式不斷更新。

1966年3月，河北邢臺地區相繼發生6.8級和7.2級多次強烈地震。當時，我國的地震臺均為人工值守，像邢臺這樣的大地震從數據集中到完成基本參數的測定，需約數小時甚至數天。

20世紀70年代開始，我國地震臺網開始打造國家基本臺站和區域地震臺站相結合的布局。自主研發的系列地震儀器和地震臺站的建設，增強地震監測的能力，也為各級政府提供地震信息服務。

同時，世界上多個地震頻發的國家紛紛建立針對特定工程、特定城市等的地震預警系統。“從機械式模擬信號記錄發展到自動化數字信號記錄，從單臺監測發展到到臺陣、臺網地震監測，地震科學不斷進步。”張捷教授課題組成員、博士后朱慧宇介紹。

值得一提的是，“十五”期間，我國開始實施《中國數字地震觀測網絡》工程，建設了105個國家地震臺、685個區域級測震臺和32個省級區域地震臺網中心。

據介紹，汶川大地震等災害的發生也進一步引發思考——地震觀測必須為挽救生命和降低災害損失服務。

2015年6月，國家發改委正式批復了中國地震局“國家地震烈度速報與預警工程”，2018年工程啟動實施。地震觀測和地震科學數據處理從物理驅動轉向數據驅動，可以達到地震后5-10秒就發出地震警報。

“當前許多國家監測地震信息，還是采用自動算法與專業人員人工計算相結合的方式，這就要求地震監測人員24小時待命。”朱慧宇介紹，當實際地震數據進入課題組研發的人工智能系統，系統不僅能準確估算出地震的位置、深度、震級和震源機制等參數，還能實時演示地震活動空間圖像。

同時，系統有深度學習能力，能根據數據庫中匯集的上百萬個地震資料，結合地震學理論，快速處理正在發生的地震數據。“科技的力量正催生地震科學領域的新業態，帶來防震減災領域的技術革命。”朱慧宇感慨。

“提高地震預測預警的準確性，需要密集的高頻監測數據采集和實時處理，現有的人機結合工作模式已不適應這一要求。”針對此課題成果，中國地震局科技與國際合作司司長車時評價說：“該成果為地震監測、預測預警業務實現快速、高效的智能化轉型提供了堅實基礎。”

“地震發生后，每一秒都萬分寶貴，盡早報出震源機制解，能向地震波還沒到達的地區預警，為公眾采取防護措施、政府確定救援方案搶出時間。”朱慧宇舉例，如果人們能在地震發生前3秒收到預警，傷亡人數可以降低14%;如果提前10秒發布預警，傷亡人數可以降低39%。

“1秒”的演進

聽上去很輕松的“1秒”，這項黑科技背后是科研人長期的探索和堅守。

張捷教授于1981年考入中國科學技術大學，獲地球物理學學士，在麻省理工學院獲地球物理學博士學位。長期致力于地球物理石油勘探、地震監測、生物醫藥等領域的科研與技術創新。在他看來，科研并非一蹴而就，無論經歷多少困難，都要始終堅信從事科研工作的價值觀。

早在2014年，張捷課題組就與中國科大計算機學院教授陳恩紅課題組合作，用互聯網搜索引擎技術，在研究區域事先建立龐大的波形數據庫，通過快速搜索算法實現對波形的快速匹配，實現快速報出數據庫里存好的震源機制解。

該論文發表在《自然-通訊》上。隨后，方法在四川、云南投入地震監測，成為當時最先進的震源機制解速報技術。

但這一方法受數據庫約束，難以應用于范圍較大的地震監測區域。課題組開始了又一輪攻關，不斷完善系統準確性和可靠性，這一深耕，又是7年。

在最新成果中，課題組首次利用人工智能方法，利用深度機器算法，適用于大區域地震監測。

但在某個區域，歷史地震樣本不夠，如何保證機器學習知識的充分性?朱慧宇解釋，課題組采用理論計算數據做訓練樣本的方法，能夠解決這一問題，讓系統更聰明，還會驗算。

“平時，老師不斷鼓勵我們參加各種國際學術會議，除了分享我們新的進展外，也能了解國際行業前沿動態，哪怕每天只花一小時學習別人的成果，也很有用。”課題組研究生王函說。

其實，2018年，張捷教授團隊就與中國地震局合作完成“智能地動”人工智能地震監測系統，系統已在云南、四川的地震實驗場試用。基于評估結果，“智能地動”系統與專業人員人工計算處理的結果非常接近。

科研探索永無止境。去年，運用人工智能技術，課題組又進一步實現在兩秒內推算出震源機制解。朱慧宇介紹，近期，“1秒算出震源機制解”的黑科技就將在“智能地動”系統上試運行。

正如課題組研究生張基所言，團隊小伙伴們注重科研的實際應用問題，每次得出的新方法，都需要在實際數據中進行反復測試驗證，確保讓新方法能夠分析并解決實際問題。

在張捷看來，任何一項科研工作都應該聚焦“創新”二字，學生不能像上課學習那樣依賴老師，必須敢于探索未知領域，肩負起科研創新的使命。

平時，張捷常對第一次嘗試科研的學生說：“你要堅信，你是世界上第一個做這個課題的人，你能告訴全人類這個問題是怎么回事!”

2021年03月23日 12 版

關鍵詞： 地震“脾氣”