“地震預(yù)警”刷屏，它背后是一個(gè)怎樣的系統(tǒng)？
6 月 17 日 22 時(shí) 55 分，在四川宜賓市長(zhǎng)寧縣發(fā)生 6.0 級(jí)地震，多地實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警，截至目前地震已造成 12 人死亡，134 人受傷，武警、消防、民兵、礦山救護(hù)隊(duì)等 2895 人仍在現(xiàn)場(chǎng)救援。
值得注意的是，這次地震發(fā)生之后，包括成都主城區(qū)在內(nèi)的不少地方都提前發(fā)出了地震預(yù)警，并通過(guò)電視、大喇叭等多種手段提醒民眾及時(shí)避險(xiǎn)。
成都提前 61 秒左右收到預(yù)警，共有 110 個(gè)社區(qū)實(shí)現(xiàn)“大喇叭” 倒計(jì)時(shí)，為大家及時(shí)疏散提供了寶貴的機(jī)會(huì)，事后預(yù)警系統(tǒng)的倒計(jì)時(shí)視頻在網(wǎng)上刷屏。
有的網(wǎng)友在看電視劇，有的網(wǎng)友在看球，突然地震預(yù)警就來(lái)了。
另外，據(jù)了解，就在地震發(fā)生之前，大陸地震預(yù)警網(wǎng)還成功的預(yù)警了本次地震，這其中就包括提前 10 秒向宜賓預(yù)警。
網(wǎng)友表示：聽(tīng)到預(yù)警聲音感動(dòng)得想哭，這個(gè)地震預(yù)警網(wǎng)真的很厲害!希望能普及!
地震為啥可以被預(yù)警?它的原理是什么呢?
地震發(fā)生最初時(shí)，產(chǎn)生兩種波，一種是速度快但破壞力有限的縱波，速度約每秒 6 公里;一種是跑得較慢但破壞性更大的橫波，傳播速度約為每秒 3.5 公里。
地震預(yù)警系統(tǒng)就是利用了縱波比橫波傳播速度快、電磁波又遠(yuǎn)比地震波快的原理。
地震一旦發(fā)生，深入地下的探測(cè)儀器就可以檢測(cè)到縱波，然后傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)即刻能計(jì)算出震級(jí)、烈度、震源等大致信息，迅速向破壞性地震波尚未波及的區(qū)域發(fā)出地震避險(xiǎn)警報(bào)。
預(yù)警體系的有效運(yùn)轉(zhuǎn)，依托于一個(gè)強(qiáng)大的地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。
通常來(lái)說(shuō)，越是接近震中，能提供預(yù)警的時(shí)間就越短;離震中越遠(yuǎn)，提供的預(yù)警時(shí)間越長(zhǎng)，但意義也隨之削弱。
地震預(yù)警信息的背后是一個(gè)怎樣的系統(tǒng)呢?
那么，這個(gè)地震預(yù)警系統(tǒng)到底是什么神器呢?從成都高新減災(zāi)研究所處獲悉，此次成功預(yù)警地震的，為該所與應(yīng)急管理部門(mén)(包括原市縣地震部門(mén))聯(lián)合建設(shè)的大陸地震預(yù)警網(wǎng)。
成都高新減災(zāi)研究所所長(zhǎng)王暾博士
據(jù)成都高新減災(zāi)研究所所長(zhǎng)王暾博士介紹：我們所做的工作是地震預(yù)警，而并非地震預(yù)報(bào)，臨震預(yù)報(bào)仍然是世界難題。地震預(yù)警只能減少人員損傷，而不能做到避免。
為了實(shí)現(xiàn)地震預(yù)警，需要在可能發(fā)生地震的區(qū)域安裝地震預(yù)警的傳感器。這種傳感器并不昂貴，也不需要在野外安裝，可以通過(guò)實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)(甚至是 2G 網(wǎng)絡(luò))來(lái)傳遞地震波的數(shù)據(jù)，地震預(yù)警的傳感器甚至可以固定在墻上。
通過(guò)這些傳回來(lái)的數(shù)據(jù)，我們可以判斷地震發(fā)生的位置以及大概的震級(jí)。網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)的處理速度非常快，只需要幾秒鐘的時(shí)間。
據(jù)了解，地震預(yù)警系統(tǒng)是一個(gè)全自動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的秒級(jí)響應(yīng)。
主要是利用電波比地震波傳播速度快的原理，在地震造成破壞前幾秒到幾十秒，發(fā)出地震預(yù)警警報(bào)，提醒民眾及時(shí)避險(xiǎn)，讓重要工程緊急處置以減少經(jīng)濟(jì)損失和次生災(zāi)害。
而電視地震預(yù)警則是利用電視網(wǎng)絡(luò)在電視周邊，發(fā)生強(qiáng)震的時(shí)候，電視就能夠自動(dòng)地彈出幾秒到幾十秒的警報(bào)，以便在強(qiáng)震到來(lái)之前，老百姓在看電視的時(shí)候，就能夠提前避險(xiǎn)。
目前技術(shù)已經(jīng)允許的情況下，只要機(jī)頂盒就能收到震預(yù)警的喇叭，在電視關(guān)著的時(shí)候，也能夠自動(dòng)發(fā)出警報(bào)。
據(jù)王暾所長(zhǎng)介紹，自汶川余震區(qū)發(fā)展的我國(guó)地震預(yù)警成果，已經(jīng)處于全球領(lǐng)先水平。
成都高新減災(zāi)研究所與地震部門(mén)合作建設(shè)的大陸地震預(yù)警網(wǎng)覆蓋面積達(dá) 220 萬(wàn)平方公里，覆蓋我國(guó)地震區(qū)人口 90%，已成功預(yù)警蘆山 7 級(jí)地震、魯?shù)?6.5 級(jí)地震、九寨溝 7 級(jí)地震等 52 次破壞性地震。
不過(guò)王暾表示，雖然目前我國(guó)地震的預(yù)警系統(tǒng)從技術(shù)上已經(jīng)處于全球領(lǐng)先的水平，但是應(yīng)用規(guī)模還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要加快打通地震預(yù)警的“***一公里”。
***一公里就是希望把這樣的預(yù)警信息，通過(guò)廣播、手機(jī)和包括移動(dòng)、電信、聯(lián)通的電視、以及全國(guó)的電視網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)網(wǎng)絡(luò)都傳遞到老百姓那去。
有了預(yù)警信息要傳遞到老百姓那里，才能更好地取得減災(zāi)的效果。我們需要共同努力，特別是電視和手機(jī)需要加快。
如何讀懂地震警報(bào)聲?
地震預(yù)報(bào)的警報(bào)聲主要包含幾個(gè)因素：
- 預(yù)估強(qiáng)度，也就是預(yù)計(jì)危害大小，這個(gè)通常用不同的滴滴聲來(lái)表示，“滴滴”表示震感強(qiáng)烈，可能有危害;“滴”表示有震感，但基本無(wú)危害。
- 預(yù)警時(shí)間，也就是會(huì)提前告知地震波還有多長(zhǎng)時(shí)間到達(dá)，一般是用倒計(jì)時(shí)表示。
舉個(gè)例子，假如我們聽(tīng)到的警報(bào)聲是“叮咚-20-滴滴-18-滴滴-16……嗚”，這段警報(bào)中，“叮咚”表示地震預(yù)警啟動(dòng)，還有 20s 到達(dá)，震感強(qiáng)烈，可能有危害;“嗚……”的聲音的到來(lái)則表明破壞性地震波到達(dá)。
假如我們聽(tīng)到的警報(bào)聲是“叮咚-20-滴-18-滴-16-滴滴-14-滴滴……”那就說(shuō)明在第 16 秒的時(shí)候，預(yù)估強(qiáng)度的聲音由“滴”變成“滴滴”，預(yù)警強(qiáng)度則由“基本無(wú)危害”變?yōu)?ldquo;可能有危害”。
現(xiàn)在再來(lái)聽(tīng)一下此次地震警報(bào)發(fā)出的聲音：
為什么預(yù)測(cè)下一場(chǎng)大地震如此困難?
讓我們先從一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題開(kāi)始：下一次大地震將在哪里發(fā)生?
研究表明，較大的斷層通常會(huì)引起較大的地震。理論上，如果所有的斷層都被繪制出來(lái)了，那么我們應(yīng)該能夠?qū)σ粋€(gè)特定地區(qū)可能經(jīng)歷的***烈的地震加以限制。
這一點(diǎn)很重要，因?yàn)榈卣疳尫诺哪芰孔兓赡苁侨f(wàn)億次方的(quadrillions)。
然而，估計(jì)斷層大小和釋放的相應(yīng)能量并不總是那么簡(jiǎn)單。斷層常表現(xiàn)出復(fù)雜的幾何形態(tài)，使得對(duì)斷層區(qū)域的建模變得復(fù)雜。
此外，斷層可能同時(shí)破裂：在新西蘭 2016 年的 Kaikōura 地震期間，13 個(gè)不同的斷層同時(shí)破裂。
此外，最近的歷史證明，地震大小并不總是與損害相關(guān);根據(jù)發(fā)生的地點(diǎn)，中等震級(jí)的地震可能比“大”地震更具破壞性。
例如，1994 年加利福尼亞州北嶺 6.7 級(jí)地震造成重大財(cái)產(chǎn)損失和生命損失，而 2018 年斐濟(jì) 8.2 級(jí)地震強(qiáng)度為 178 倍，并未造成任何損失。因此，地震的震級(jí)并不能說(shuō)明整個(gè)情況。
1900 年-2013 年地震 7.0 級(jí)及以上的地圖
現(xiàn)在來(lái)回答更加復(fù)雜的問(wèn)題：下一次大地震何時(shí)發(fā)生?預(yù)測(cè)時(shí)間是地震預(yù)測(cè)中最難的挑戰(zhàn)。事實(shí)上，有兩種理論可以告訴我們(***的)預(yù)測(cè)是有缺陷的。
***種理論稱(chēng)為彈性回跳理論，它指出地殼在強(qiáng)烈的壓力下會(huì)彎曲變形，直到最終在應(yīng)變下斷裂。
沿著斷裂的滑移(即地震)使兩側(cè)的巖石回彈到變形較小的狀態(tài)，并釋放儲(chǔ)存的能量，從而使累積應(yīng)變的過(guò)程重新開(kāi)始。
第二種理論被稱(chēng)為特征地震，它描述了研究最多的地震產(chǎn)生的斷層似乎有不同的區(qū)段。
在兩次地震之間的間隔期內(nèi)，這些板塊反復(fù)破裂，積累了相同數(shù)量的應(yīng)變，從而產(chǎn)生了相似震級(jí)的地震。
假設(shè)這兩個(gè)理論一直存在，你可以根據(jù) 1)***未受力應(yīng)變的位置，2)自上次地震發(fā)生以來(lái)的時(shí)間，以及 3)對(duì)斷層帶的精確了解(在許多地區(qū)我們可能永遠(yuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn))來(lái)預(yù)測(cè)下一次地震何時(shí)發(fā)生。
我們能做什么?今天，預(yù)測(cè)方法主要集中在概率地震預(yù)測(cè)，即在一定時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)特定區(qū)域內(nèi)的一般地震災(zāi)害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)估。
概率預(yù)測(cè)涉及地震可能發(fā)生的概率，而早期的確定性預(yù)測(cè)技術(shù)涉及確定地震何時(shí)發(fā)生。
概率預(yù)測(cè)可以向可能更容易發(fā)生地震風(fēng)險(xiǎn)的地區(qū)提供警告，使他們能夠在潛在的未來(lái)發(fā)生地震之前，通過(guò)改進(jìn)的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)和應(yīng)急措施來(lái)加強(qiáng)抗震能力。
第二個(gè)有希望的發(fā)展是地震預(yù)警系統(tǒng)。在發(fā)現(xiàn)地震后，它會(huì)為可能受影響的鄰近地區(qū)提供幾秒到幾分鐘的實(shí)時(shí)警告。
該系統(tǒng)利用了地震波的不同速度，這些地震波構(gòu)成了地震輻射的能量。簡(jiǎn)而言之，如果系統(tǒng)在更危險(xiǎn)、速度較慢的表面波到達(dá)之前檢測(cè)到最快波(稱(chēng)為 P 波)的***次到達(dá)，則可以觸發(fā)警報(bào)(見(jiàn)下圖)。
使用高速自動(dòng)化，甚至幾秒鐘的警告就足以停止機(jī)器，例如火車(chē)和電梯，并提醒人們注意安全。
地震預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行中：當(dāng)?shù)卣痖_(kāi)始時(shí)，檢測(cè)到快速移動(dòng)的 P 波，可以在較慢移動(dòng)的表面波到達(dá)之前傳播緊急信息。
然而，由于不必要的緊急措施啟動(dòng)，以及對(duì)商業(yè)和日常生活的潛在破壞，對(duì)于從未發(fā)生的地震的錯(cuò)誤警告是昂貴的，就像“狼來(lái)了”的故事，它可能會(huì)破壞未來(lái)預(yù)警的可信度和有效性。
為了避免這些問(wèn)題，可以用人工智能(AI)技術(shù)來(lái)檢測(cè)人類(lèi)無(wú)法看到的地震預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)中的模式和信號(hào)。接下來(lái)介紹兩個(gè)利用 AI 預(yù)測(cè)地震的***研究成果：
①谷歌和哈佛團(tuán)隊(duì)利用深度學(xué)習(xí)來(lái)預(yù)測(cè)地震余震
谷歌和哈佛大學(xué)在 Nature 雜志發(fā)表的一篇論文中，研究人員展示了如何用深度學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)余震位置，而且預(yù)測(cè)結(jié)果比現(xiàn)有模型更可靠。
他們訓(xùn)練了一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在一個(gè)包含 131000 多個(gè)“主震-余震”事件的數(shù)據(jù)庫(kù)中尋找模式，然后在一個(gè)包含 30000 對(duì)類(lèi)似事件的數(shù)據(jù)庫(kù)中測(cè)試其預(yù)測(cè)。
“主震-余震”事件的一個(gè)樣本
深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)比最有用的現(xiàn)有模型(稱(chēng)為“庫(kù)侖破裂應(yīng)力變化”)更可靠。在從 0 到 1 的精度范圍內(nèi)——1 是完全準(zhǔn)確的模型，0.5 是一半準(zhǔn)確的模型——現(xiàn)有庫(kù)侖模型得分為 0.583，而新的 AI 系統(tǒng)達(dá)到 0.849。
“關(guān)于地震，你需要知道三件事情”，研究人員說(shuō)：“它們什么時(shí)候發(fā)生、它們會(huì)有多強(qiáng)烈、它們會(huì)發(fā)生在哪里。
在這項(xiàng)工作之前，我們有經(jīng)驗(yàn)定律來(lái)解釋它們發(fā)生的時(shí)間和規(guī)模，現(xiàn)在我們正在研究它們可能發(fā)生在哪。”
人工智能在這一領(lǐng)域的成功歸功于該技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)之一：它能夠發(fā)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)據(jù)集中以前被忽視的模式。
這在地震學(xué)中尤為重要，因?yàn)樵诘卣饘W(xué)中看到數(shù)據(jù)中的關(guān)聯(lián)性非常困難。
地震事件涉及太多變量，從不同區(qū)域的地面構(gòu)成到地震板塊之間的相互作用類(lèi)型，以及能量在地震波中穿過(guò)地球傳播的方式。理解這一切是非常困難的。
研究人員表示，他們的深度學(xué)習(xí)模型能夠通過(guò)考量一個(gè)被稱(chēng)為“米塞斯屈服準(zhǔn)則”(von Mises yield criterion)的因素來(lái)做出預(yù)測(cè)，這是一種用于預(yù)測(cè)材料何時(shí)開(kāi)始在壓力下破裂的復(fù)雜計(jì)算。
研究人員表示，這個(gè)因素常用于冶金等領(lǐng)域，“但在地震科學(xué)中從未流行過(guò)。”現(xiàn)在，隨著這一新模型的發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)學(xué)家可以研究其關(guān)聯(lián)性。
盡管這項(xiàng)研究取得了成功，但它還遠(yuǎn)未準(zhǔn)備好在現(xiàn)實(shí)世界中應(yīng)用。首先，AI 模型只關(guān)注由地面***性變化引起的余震，稱(chēng)為靜態(tài)應(yīng)力。
但后續(xù)地震也可能是由于后來(lái)發(fā)生的地面隆隆聲造成的，稱(chēng)為動(dòng)態(tài)壓力?，F(xiàn)有模型也太慢而無(wú)法實(shí)時(shí)工作。
這很重要，因?yàn)榇蠖鄶?shù)余震發(fā)生在地震發(fā)生后的***天，然后每過(guò)一天頻率大致減半。
②機(jī)器學(xué)習(xí)檢測(cè)信號(hào)預(yù)測(cè)地震時(shí)間
此外，機(jī)器學(xué)習(xí)也被用于預(yù)測(cè)地震時(shí)間。發(fā)表在 Nature Geoscience 的兩篇相關(guān)論文中稱(chēng)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)的地震信號(hào)的檢測(cè)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了卡斯卡迪亞(Cascadia)斷層的緩慢滑動(dòng)，這是在其他俯沖帶發(fā)生大地震之前觀察到的一種信號(hào)。(注：Cascadia 斷層是美加西海岸、太平洋東海岸的一條海溝斷層。)
Los Alamos 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)分析 Cascadia 數(shù)據(jù)并發(fā)現(xiàn)巨大的推力會(huì)發(fā)出持續(xù)的震動(dòng)，這是斷層位移的跡象。
更重要的是，他們發(fā)現(xiàn)斷層聲音信號(hào)的響度與其物理變化之間存在直接的平行關(guān)系。
Cascadia 斷層出現(xiàn)的聲音，以前被視為毫無(wú)意義的噪音，預(yù)示著它的脆弱性，這可以幫助我們更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)大地震。
機(jī)器學(xué)習(xí)通過(guò)學(xué)習(xí)自調(diào)整算法來(lái)創(chuàng)建選擇和重新測(cè)試一系列問(wèn)題和答案的決策樹(shù)，來(lái)處理大量地震數(shù)據(jù)集，以找到不同的模式。
去年，研究小組在實(shí)驗(yàn)室模擬了一次地震，用鋼塊與巖石和活塞相互作用，并記錄了他們通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)分析的聲音。
他們發(fā)現(xiàn)，許多地震信號(hào)，以前被認(rèn)為是無(wú)意義的噪聲，精確地指出了模擬斷層何時(shí)會(huì)滑動(dòng)，這是地震預(yù)測(cè)的一個(gè)重要進(jìn)展。更快、更強(qiáng)的地震有更大的信號(hào)。
研究人員在實(shí)驗(yàn)室里模擬地震
研究小組決定將他們的新范式應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)世界：Cascadia 斷層。最近的研究表明，Cascadia 斷層很活躍，但被注意到的活動(dòng)似乎是隨機(jī)的。
該小組分析了該地區(qū)地震臺(tái)站 12 年來(lái)的真實(shí)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的信號(hào)和結(jié)果：Cascadia 持續(xù)的震顫量化了俯沖帶緩慢滑動(dòng)部分的位移。
在實(shí)驗(yàn)室中，作者發(fā)現(xiàn)了一個(gè)類(lèi)似的信號(hào)，可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)大范圍的故障。在 Cascadia 中仔細(xì)監(jiān)控可以提供有關(guān)鎖定區(qū)域的新信息，以提供預(yù)警系統(tǒng)。
那么，下一場(chǎng)大地震何時(shí)會(huì)發(fā)生?或許我們永遠(yuǎn)都不會(huì)知道，但我們相信，隨著計(jì)算能力的增加和算法的優(yōu)化，機(jī)器學(xué)習(xí)將在地震預(yù)測(cè)方面具有巨大的潛力。
