地震是破壞力較大的自然災(zāi)害之一。地震科學(xué)的每一次進(jìn)步和飛躍，都象征著人類與自然災(zāi)害抗?fàn)幍臎Q心。

公元132年(東漢順帝陽(yáng)嘉元年)，張衡發(fā)明了世界第一臺(tái)地震觀測(cè)儀器——候風(fēng)地動(dòng)儀，開啟了人類利用儀器觀測(cè)地震的歷史。

時(shí)針飛速撥轉(zhuǎn)，近年來(lái)，人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為地震科學(xué)帶來(lái)新的曙光和可能。

采用人工智能方法,可在1秒內(nèi)算出震源機(jī)制參數(shù)，摸清地震“脾氣”，有效提升地震監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)防范能力。這是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院張捷教授課題組最新的研究成果。論文日前發(fā)表于《自然-通訊》雜志。

對(duì)于這一成果，該論文的3位審稿人一致評(píng)價(jià)：“這是非常激動(dòng)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(bào)·中青網(wǎng)記者采訪了這群年輕的科研人員。

地震監(jiān)測(cè)需要的“神秘”參數(shù)

張捷教授介紹，地球內(nèi)部運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致板塊之間相互擠壓碰撞，進(jìn)而造成板塊內(nèi)部錯(cuò)動(dòng)、破裂，是引發(fā)地震的主要原因。地震的“時(shí)(發(fā)震時(shí)刻)、空(震源位置)、強(qiáng)(地震震級(jí))”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(jī)制解(即震源機(jī)制參數(shù)，學(xué)界也叫震源機(jī)制解——記者注)也是破解地震信息的重要參數(shù)。

何為震源機(jī)制解?張捷解釋，這是利用地震觀測(cè)資料來(lái)研究地震發(fā)生時(shí)，震源處的作用力和斷層錯(cuò)動(dòng)性質(zhì)，其參數(shù)包含斷層走向(strike)、斷層傾角(dip)、滑移角(rake)等。

摸清震源機(jī)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(fā)生時(shí)具體的運(yùn)動(dòng)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(duì)于發(fā)生在陸地上的地震，震源機(jī)制解可能用于由前震預(yù)測(cè)主震，或由主震資料預(yù)測(cè)強(qiáng)余震，揭示震源附近的應(yīng)力分布狀況。也能幫助判讀出是地震帶中哪個(gè)斷層系在活動(dòng)、其應(yīng)力方向在哪、附近類似斷層會(huì)不會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)等情況;對(duì)于海洋以及近海、沿岸區(qū)域的地震，震源機(jī)制解可以為海嘯預(yù)警、海嘯災(zāi)害的評(píng)估提供關(guān)鍵的信息。

張捷介紹，自1938年地震學(xué)家第一次推算以來(lái)，快速獲取震源機(jī)制解一直是科學(xué)難題。通常，科學(xué)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(jī)制解。但反推耗費(fèi)時(shí)間、計(jì)算量大，目前，世界各地地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)在地震速報(bào)信息里，只有發(fā)震時(shí)刻、震級(jí)、地點(diǎn)和深度，并不包括震源機(jī)制解。

他補(bǔ)充說，地震發(fā)生時(shí)，地震波信號(hào)傳到地震臺(tái)網(wǎng)，專業(yè)人員采用理論算法處理地震數(shù)據(jù)。但往往在地震發(fā)生幾分鐘或更長(zhǎng)的時(shí)間后才能報(bào)出震源機(jī)制解。3-10分鐘后，地震往往已經(jīng)造成破壞。

2004年，里氏9.3級(jí)印度洋大地震引發(fā)強(qiáng)烈海嘯，席卷了包括印度尼西亞、斯里蘭卡、馬爾代夫等國(guó)，造成了巨大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。震后15分鐘，海嘯最先到達(dá)印尼，但卻沒有預(yù)警，最后造成14個(gè)國(guó)家共22萬(wàn)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(jī)制并發(fā)出預(yù)警，將會(huì)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(shù)和深度機(jī)器學(xué)習(xí)算法，提出新的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)——震源機(jī)制網(wǎng)絡(luò)(FMNet)，利用全波形信息快速估計(jì)震源機(jī)制。

課題組首先在研究區(qū)域模擬出理論地震波形圖，用于訓(xùn)練人工智能網(wǎng)絡(luò)。之后將實(shí)際地震波形數(shù)據(jù)輸入到訓(xùn)練好的人工智能網(wǎng)絡(luò)中，從而輸出地震震源機(jī)制解。“地震發(fā)生后，實(shí)際地震數(shù)據(jù)進(jìn)入人工智能系統(tǒng)，不到1秒時(shí)間，系統(tǒng)就能準(zhǔn)確估算出震源機(jī)制解，為災(zāi)情判斷、災(zāi)害評(píng)估提供有力支持。”張捷說。

該項(xiàng)目也受到了中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)項(xiàng)目和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“地震預(yù)警新技術(shù)研究與示范應(yīng)用”的資助。

地震監(jiān)測(cè)，跨越千年的科學(xué)“接力”

關(guān)于地震的研究一直在曲折中進(jìn)行。研究的時(shí)間維度已跨越了上千年。

“中有都柱，傍行八道，施關(guān)發(fā)機(jī)……”根據(jù)《后漢書·張衡傳》記載，張衡發(fā)明的地動(dòng)儀利用了慣性擺的原理。古人實(shí)現(xiàn)了用聰明智慧“感知”地震。

中國(guó)地震局信息技術(shù)學(xué)科組顧問、地震預(yù)測(cè)研究所研究員陳會(huì)忠在撰文指出，在地動(dòng)儀發(fā)明之后的幾個(gè)世紀(jì)里，世界上均無(wú)關(guān)于地震觀測(cè)儀器方面的記載。19世紀(jì)中葉開始，隨著西方國(guó)家和日本相繼研制了定量記錄地面運(yùn)動(dòng)的地震儀，地震監(jiān)測(cè)儀器與監(jiān)測(cè)方式不斷更新。

1966年3月，河北邢臺(tái)地區(qū)相繼發(fā)生6.8級(jí)和7.2級(jí)多次強(qiáng)烈地震。當(dāng)時(shí)，我國(guó)的地震臺(tái)均為人工值守，像邢臺(tái)這樣的大地震從數(shù)據(jù)集中到完成基本參數(shù)的測(cè)定，需約數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天。

20世紀(jì)70年代開始，我國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)開始打造國(guó)家基本臺(tái)站和區(qū)域地震臺(tái)站相結(jié)合的布局。自主研發(fā)的系列地震儀器和地震臺(tái)站的建設(shè)，增強(qiáng)地震監(jiān)測(cè)的能力，也為各級(jí)政府提供地震信息服務(wù)。

同時(shí)，世界上多個(gè)地震頻發(fā)的國(guó)家紛紛建立針對(duì)特定工程、特定城市等的地震預(yù)警系統(tǒng)。“從機(jī)械式模擬信號(hào)記錄發(fā)展到自動(dòng)化數(shù)字信號(hào)記錄，從單臺(tái)監(jiān)測(cè)發(fā)展到到臺(tái)陣、臺(tái)網(wǎng)地震監(jiān)測(cè)，地震科學(xué)不斷進(jìn)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(guó)開始實(shí)施《中國(guó)數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)》工程，建設(shè)了105個(gè)國(guó)家地震臺(tái)、685個(gè)區(qū)域級(jí)測(cè)震臺(tái)和32個(gè)省級(jí)區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)中心。

據(jù)介紹，汶川大地震等災(zāi)害的發(fā)生也進(jìn)一步引發(fā)思考——地震觀測(cè)必須為挽救生命和降低災(zāi)害損失服務(wù)。

2015年6月，國(guó)家發(fā)改委正式批復(fù)了中國(guó)地震局“國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程”，2018年工程啟動(dòng)實(shí)施。地震觀測(cè)和地震科學(xué)數(shù)據(jù)處理從物理驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，可以達(dá)到地震后5-10秒就發(fā)出地震警報(bào)。

“當(dāng)前許多國(guó)家監(jiān)測(cè)地震信息，還是采用自動(dòng)算法與專業(yè)人員人工計(jì)算相結(jié)合的方式，這就要求地震監(jiān)測(cè)人員24小時(shí)待命。”朱慧宇介紹，當(dāng)實(shí)際地震數(shù)據(jù)進(jìn)入課題組研發(fā)的人工智能系統(tǒng)，系統(tǒng)不僅能準(zhǔn)確估算出地震的位置、深度、震級(jí)和震源機(jī)制等參數(shù)，還能實(shí)時(shí)演示地震活動(dòng)空間圖像。

同時(shí)，系統(tǒng)有深度學(xué)習(xí)能力，能根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中匯集的上百萬(wàn)個(gè)地震資料，結(jié)合地震學(xué)理論，快速處理正在發(fā)生的地震數(shù)據(jù)。“科技的力量正催生地震科學(xué)領(lǐng)域的新業(yè)態(tài)，帶來(lái)防震減災(zāi)領(lǐng)域的技術(shù)革命。”朱慧宇感慨。

“提高地震預(yù)測(cè)預(yù)警的準(zhǔn)確性，需要密集的高頻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)處理，現(xiàn)有的人機(jī)結(jié)合工作模式已不適應(yīng)這一要求。”針對(duì)此課題成果，中國(guó)地震局科技與國(guó)際合作司司長(zhǎng)車時(shí)評(píng)價(jià)說：“該成果為地震監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)快速、高效的智能化轉(zhuǎn)型提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。”

“地震發(fā)生后，每一秒都萬(wàn)分寶貴，盡早報(bào)出震源機(jī)制解，能向地震波還沒到達(dá)的地區(qū)預(yù)警，為公眾采取防護(hù)措施、政府確定救援方案搶出時(shí)間。”朱慧宇舉例，如果人們能在地震發(fā)生前3秒收到預(yù)警，傷亡人數(shù)可以降低14%;如果提前10秒發(fā)布預(yù)警，傷亡人數(shù)可以降低39%。

“1秒”的演進(jìn)

聽上去很輕松的“1秒”，這項(xiàng)黑科技背后是科研人長(zhǎng)期的探索和堅(jiān)守。

張捷教授于1981年考入中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，獲地球物理學(xué)學(xué)士，在麻省理工學(xué)院獲地球物理學(xué)博士學(xué)位。長(zhǎng)期致力于地球物理石油勘探、地震監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的科研與技術(shù)創(chuàng)新。在他看來(lái)，科研并非一蹴而就，無(wú)論經(jīng)歷多少困難，都要始終堅(jiān)信從事科研工作的價(jià)值觀。

早在2014年，張捷課題組就與中國(guó)科大計(jì)算機(jī)學(xué)院教授陳恩紅課題組合作，用互聯(lián)網(wǎng)搜索引擎技術(shù)，在研究區(qū)域事先建立龐大的波形數(shù)據(jù)庫(kù)，通過快速搜索算法實(shí)現(xiàn)對(duì)波形的快速匹配，實(shí)現(xiàn)快速報(bào)出數(shù)據(jù)庫(kù)里存好的震源機(jī)制解。

該論文發(fā)表在《自然-通訊》上。隨后，方法在四川、云南投入地震監(jiān)測(cè)，成為當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的震源機(jī)制解速報(bào)技術(shù)。

但這一方法受數(shù)據(jù)庫(kù)約束，難以應(yīng)用于范圍較大的地震監(jiān)測(cè)區(qū)域。課題組開始了又一輪攻關(guān)，不斷完善系統(tǒng)準(zhǔn)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(jī)器算法，適用于大區(qū)域地震監(jiān)測(cè)。

但在某個(gè)區(qū)域，歷史地震樣本不夠，如何保證機(jī)器學(xué)習(xí)知識(shí)的充分性?朱慧宇解釋，課題組采用理論計(jì)算數(shù)據(jù)做訓(xùn)練樣本的方法，能夠解決這一問題，讓系統(tǒng)更聰明，還會(huì)驗(yàn)算。

“平時(shí)，老師不斷鼓勵(lì)我們參加各種國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，除了分享我們新的進(jìn)展外，也能了解國(guó)際行業(yè)前沿動(dòng)態(tài)，哪怕每天只花一小時(shí)學(xué)習(xí)別人的成果，也很有用。”課題組研究生王函說。

其實(shí)，2018年，張捷教授團(tuán)隊(duì)就與中國(guó)地震局合作完成“智能地動(dòng)”人工智能地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)已在云南、四川的地震實(shí)驗(yàn)場(chǎng)試用?；谠u(píng)估結(jié)果，“智能地動(dòng)”系統(tǒng)與專業(yè)人員人工計(jì)算處理的結(jié)果非常接近。

科研探索永無(wú)止境。去年，運(yùn)用人工智能技術(shù)，課題組又進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)在兩秒內(nèi)推算出震源機(jī)制解。朱慧宇介紹，近期，“1秒算出震源機(jī)制解”的黑科技就將在“智能地動(dòng)”系統(tǒng)上試運(yùn)行。

正如課題組研究生張基所言，團(tuán)隊(duì)小伙伴們注重科研的實(shí)際應(yīng)用問題，每次得出的新方法，都需要在實(shí)際數(shù)據(jù)中進(jìn)行反復(fù)測(cè)試驗(yàn)證，確保讓新方法能夠分析并解決實(shí)際問題。

在張捷看來(lái)，任何一項(xiàng)科研工作都應(yīng)該聚焦“創(chuàng)新”二字，學(xué)生不能像上課學(xué)習(xí)那樣依賴?yán)蠋?，必須敢于探索未知領(lǐng)域，肩負(fù)起科研創(chuàng)新的使命。

平時(shí)，張捷常對(duì)第一次嘗試科研的學(xué)生說：“你要堅(jiān)信，你是世界上第一個(gè)做這個(gè)課題的人，你能告訴全人類這個(gè)問題是怎么回事!”

2021年03月23日 12 版

關(guān)鍵詞： 地震“脾氣”