探索地球顫動的奧秘

想象一下，如果地球是一個巨大的生物，那么地震就像是它的一次打嗝或是身體的一次抖動。這聽起來似乎有點滑稽，但地震其實就是地球在告訴我們它是“活”的，它有自己的呼吸和脈動。地球的板塊相互擠壓、拉扯，就像我們緊握或拉扯一塊巨大的橡皮泥，最終這些力量釋放，地球便會震動，這就是地震。讓我們一起穿越到地球內(nèi)部，揭開地震背后的秘密，探索讓大地顫抖的奇妙力量。

文/苗晶良 王國強

苗晶良，中國科協(xié)創(chuàng)新戰(zhàn)略研究院助理研究員。

王國強，中國科協(xié)創(chuàng)新戰(zhàn)略研究院研究員。

根據(jù)史書《竹書紀(jì)年》的記載，人類歷史上最早記錄的地震發(fā)生于公元前23世紀(jì)堯舜時代，距今已經(jīng)有4000多年的歷史。那時沒有高科技設(shè)備，古人對地震的理解充滿了神秘色彩。他們認(rèn)為，地震是神靈在發(fā)怒或是自然界在傳遞某種神秘的信息。在古希臘，人們相信是海洋之神波塞冬在憤怒時用三叉戟敲擊大地，引發(fā)了地震。在日本，傳說中有一條巨大的鯰魚，它背負(fù)著整個島國，每當(dāng)它動一動，大地就會震顫。在印度的故事里，地球由一只大海龜背負(fù)著，而地震就是大海龜調(diào)整身體姿勢時引起的。美洲的瑪雅人則認(rèn)為，地球由一對巨大的鱷魚托舉著，它們不時的移動造成了地震。

海洋之神波塞冬在憤怒時用三叉戟敲擊大地

隨著科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，人類不再依賴傳說來解釋地震，而是發(fā)明出各種高科技儀器來監(jiān)測和研究地震。人類用科學(xué)的眼光觀察地震，分析地震，逐漸揭開了地震背后的科學(xué)奧秘。

揭開地震的神秘面紗

那么，地震到底是怎么引發(fā)的？地球不僅僅是我們腳下堅實的土地，它還是一個充滿活力、不斷變化的生態(tài)系統(tǒng)。地球由多層不同的材料組成，最外層是地殼，它并不是連續(xù)的一整塊，而是由許多不同的板塊組成。這些板塊不是靜止的，它們以每年幾厘米的速度移動，有時相互遠(yuǎn)離，有時相互靠近，有時甚至相互擦過。當(dāng)這些板塊碰撞、擠壓或滑過彼此時，它們的邊緣會積累巨大的能量。就像用手緊緊按住一塊海綿，然后突然放開，海綿會迅速膨脹，釋放出所有被壓縮的空氣，地震的發(fā)生也是一個類似的過程。當(dāng)板塊之間的壓力增大到一定程度，無法再保持穩(wěn)定時，這些板塊會突然移動，釋放出累積的能量，這種能量的釋放就會導(dǎo)致地震。因此，地震主要發(fā)生在板塊之間，如洋脊、海溝、裂谷、板塊擠壓出的山脈等構(gòu)造活動帶。

目前，全球主要有三大地震帶。其中最主要的是環(huán)太平洋地震帶，世界上約80%的大型地震發(fā)生于此。這一地震帶因太平洋板塊及其周圍多個小板塊的移動和相互作用而特別活躍，不僅地震頻發(fā)，而且火山活動也非常頻繁。其次是歐亞地震帶。該帶從歐洲地中海經(jīng)希臘、土耳其、中國的西藏延伸到太平洋及阿爾卑斯山，也稱地中海-喜馬拉雅地震帶，全球約15%的大型地震發(fā)生于此。這個地震帶經(jīng)過的區(qū)域人口密集，地震發(fā)生時往往造成重大的人員和財產(chǎn)損失。最后是海嶺地震帶，分布在太平洋、大西洋、印度洋中的海嶺（海底山脈）。這里的地殼板塊正在分離，形成新的地殼物質(zhì)。雖然這個地震帶的大部分位于水下，遠(yuǎn)離人類居住區(qū)，但如冰島這樣直接位于大西洋中脊上方的地區(qū)還是會經(jīng)歷十分劇烈的地震活動。

地震的發(fā)生往往突發(fā)性強，而且破壞性大，會帶來慘重的傷亡和巨大的經(jīng)濟損失，所造成的社會影響也比其他自然災(zāi)害更為廣泛、強烈。一次地震持續(xù)的時間往往只有幾十秒，然而，就是在這么短的時間里，一次強震就可以摧毀一座城市，威力之大堪比一次大規(guī)模核打擊。例如，汶川地震釋放出的能量相當(dāng)于幾百顆原子彈的威力。國際上廣泛使用里氏震級來描述地震的強度。它是由美國地震學(xué)家查爾斯·里克特于1935年提出的，因此得名里氏震級。里氏震級是通過測量地震波在標(biāo)準(zhǔn)距離（約100千米）上的最大振幅來計算的。震級每增加1個單位，振幅增加10倍，釋放的能量大約增加31.6倍。這是一個對數(shù)尺度，意味著地震釋放的能量與震級成指數(shù)關(guān)系。例如，里氏震級5級的地震釋放的能量是4級的31.6倍。值得注意的是，原始的里氏震級量表主要適用于測量美國加利福尼亞州小至中等規(guī)模地震的大小。對于大型地震或非加利福尼亞州地區(qū)的地震，現(xiàn)代地震學(xué)通常使用更全面的矩震級來表示地震的大小，因為它能更準(zhǔn)確地反映地震釋放的總能量。因此，雖然里氏震級仍被廣泛提及，但在科學(xué)和工程領(lǐng)域矩震級是更常用的量度標(biāo)準(zhǔn)。

地震前通常沒有明顯的預(yù)兆，以至于來不及逃避，很容易造成大規(guī)模的災(zāi)難。除此之外，地震引發(fā)的破壞并非地面的震動那么簡單。除了直接造成的損失外，地震還會引發(fā)一系列后續(xù)的次生災(zāi)害，這些災(zāi)害有時甚至比地震本身造成的損害更為嚴(yán)重。通常情況下，這些次生或間接的災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失高于直接損失。例如，巨大的滑坡就是一種典型的次生災(zāi)害，其他還包括火災(zāi)、水災(zāi)、泥石流等。而且，這些次生災(zāi)害不僅限于自然現(xiàn)象，還可能引發(fā)如瘟疫等公共衛(wèi)生危機。因此，世界各國非常重視提高社會的整體抗震減災(zāi)能力，其中地震監(jiān)測就是一個十分重要的手段。

從候風(fēng)地動儀到全球地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

地震儀是檢測記錄地震波的儀器，由地震檢波器（或稱地震計）和采集器以及供電系統(tǒng)組成。其內(nèi)部配有傳感器，可以將地震波轉(zhuǎn)化為電信號后輸出在屏幕或者紙上。地震儀設(shè)計之初是為了探測自然地震的發(fā)生，隨著技術(shù)的迭代升級，現(xiàn)在地震儀的用途已經(jīng)大大擴展，它還被廣泛用于石油勘探、地殼探查研究，以及監(jiān)測火山噴發(fā)等其他方面。

古代的地震儀中，最為人們熟知的是學(xué)生時期課本中描述的“候風(fēng)地動儀”，它是中國東漢時期的天文學(xué)家張衡在公元132年設(shè)計制造的，最初記載于《后漢書·張衡傳》。這篇文獻(xiàn)關(guān)于候風(fēng)地動儀的描述僅196字。現(xiàn)在看到的候風(fēng)地動儀的模型其實都是后人根據(jù)古籍復(fù)原的，不過，不同學(xué)者對它的復(fù)原方案還存在一些爭議。候風(fēng)地動儀是由精銅制成的古代儀器，其直徑大約為8尺，按照漢代的尺寸換算，相當(dāng)于現(xiàn)在的1.8~1.9米，外觀酷似一個酒樽。這個地動儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常精密，主要由位于中心的都柱和圍繞其周圍的八組復(fù)雜的牙機裝置組成。地動儀的候風(fēng)擺位于這些牙機裝置之一的旁邊，當(dāng)候風(fēng)擺移動到觸發(fā)點時，就會激活牙機裝置，這個過程被描述為“施關(guān)發(fā)機”，意指機械被啟動。地動儀的外圍裝飾著8個龍頭，每個龍頭都含著一個小銅球，下方則是張開口的蟾蜍雕像。一旦檢測到地震，都柱內(nèi)的候風(fēng)擺會微微搖動，觸發(fā)相應(yīng)的機械裝置，導(dǎo)致相應(yīng)的龍頭張開口，小銅球隨即落入蟾蜍的嘴里。通過這種方式，人們可以確定地震發(fā)生的時間和方向。這套機制靈敏度極高，能在地震波初到時立即反應(yīng)，顯示出古人的巧思和智慧。候風(fēng)地動儀這項古代發(fā)明因此被認(rèn)為是人類最早監(jiān)測地震的裝置。

候風(fēng)地動儀復(fù)原模型

（圖片來源：香港大學(xué)）

現(xiàn)代地震儀的早期歷史可以追溯到19世紀(jì)，這是地震科學(xué)（或稱地震學(xué)）作為一門學(xué)科開始形成的時期。在這個時期，科學(xué)家開始設(shè)計和構(gòu)建第一批能夠記錄地震活動的儀器。19世紀(jì)中葉，歐洲和美國的科學(xué)家開始設(shè)計可以測量地面微小運動的儀器。1855年，意大利物理學(xué)家路易吉·帕爾米耶里設(shè)計了一個復(fù)雜的機械裝置，它包括一個裝滿水銀的U型管和一套導(dǎo)電系統(tǒng)，還連接有時鐘和記錄裝置。這個設(shè)計的目的是在地震發(fā)生時，利用水銀的運動來記錄下地震的發(fā)生時間、相對強度以及持續(xù)時間。雖然帕爾米耶里的這個發(fā)明并不是現(xiàn)代地震儀的直接原型，但它的設(shè)計思路促使后來地震儀開始走上獲取更精確記錄的道路，而不僅僅是檢測地震的存在。這標(biāo)志著地震監(jiān)測技術(shù)從簡單的震動感知進(jìn)化到了復(fù)雜的地震數(shù)據(jù)記錄和分析。隨后的一個多世紀(jì)，隨著數(shù)字電子技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷革新，地震監(jiān)測儀器也在快速發(fā)展迭代。

目前，世界已形成全球地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。全球地震監(jiān)測網(wǎng)計劃是20世紀(jì)90年代由美國國家科學(xué)基金會發(fā)起的，由135個放置在世界各地的地震監(jiān)測器構(gòu)成。這些監(jiān)測器能實時記錄地震，然后將數(shù)據(jù)傳送到人造衛(wèi)星，人造衛(wèi)星再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)中心，或者經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)直接傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。集中分析這些數(shù)據(jù)有助于總結(jié)地震前表現(xiàn)的趨勢和模式。同時，它還支持基于地理信息系統(tǒng)及其相關(guān)活動進(jìn)行的數(shù)據(jù)和信息交流的國際網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這個網(wǎng)絡(luò)的建立使科學(xué)家能夠?qū)崟r監(jiān)測全球的地震活動，及時分析相關(guān)數(shù)據(jù)，迅速確定地震的位置、規(guī)模和潛在影響。這對啟動緊急響應(yīng)機制、警告可能受影響地區(qū)的人員撤離非常關(guān)鍵。

對地震的“跨時空占卜”

地震預(yù)測一直是地球科學(xué)研究中最具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域之一。盡管科學(xué)家已經(jīng)取得了理解地震的重大進(jìn)展，但準(zhǔn)確預(yù)測地震的時間、地點和強度的能力依然有限。目前的地震預(yù)測主要依賴于統(tǒng)計學(xué)方法和對歷史地震數(shù)據(jù)的分析。通過長期的觀測和研究，科學(xué)家可以評估特定地區(qū)未來發(fā)生地震的可能性，并可能識別出某些地區(qū)大地震發(fā)生的周期性模式。

在地震預(yù)測的過程中，科學(xué)家會研究地震前兆現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可能包括地應(yīng)力、地下流體、氫同位素、電磁以及電離層等多方面的異常變化。這些異常變化可以通過各種方法捕捉和分析，如地應(yīng)力觀測法、全球定位系統(tǒng)觀測法和電磁法等。這些異常特征的捕捉和分析是地震預(yù)測的關(guān)鍵，如果異常特征表現(xiàn)為劇烈和持續(xù)的變化，則可能預(yù)示著有較大的地震發(fā)生。

然而，地震的生成是一個復(fù)雜的地質(zhì)過程，受到多種因素的影響，這些因素的相互作用難以用現(xiàn)有的科學(xué)模型完全解釋。加之，地震前兆并非總是明顯或一致的，有時大地震發(fā)生前并沒有明顯的前兆，這使預(yù)測工作更加艱巨。因此，雖然科學(xué)家努力通過各種技術(shù)捕捉地震前的異常信號，但目前仍無法準(zhǔn)確預(yù)測地震的具體時間和地點。地震預(yù)測的一個關(guān)鍵難點在于如何區(qū)分真正的地震前兆和其他非地震相關(guān)的異常現(xiàn)象。這項任務(wù)充滿挑戰(zhàn)，但對減少地震造成的損害和提高社會的應(yīng)對能力至關(guān)重要。

盡管地震預(yù)測充滿挑戰(zhàn)，但科學(xué)家并未放棄努力，他們正在采取多種方法來提高地震預(yù)測的準(zhǔn)確性。一方面，科學(xué)家正在不斷提高地震監(jiān)測技術(shù)。這包括提升地震儀的靈敏度，讓我們能夠捕捉到更微小的地震波動，以及擴大全球地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，使我們能夠在更廣泛的區(qū)域內(nèi)監(jiān)測到地震活動。這樣的技術(shù)進(jìn)步意味著我們可以收集到更多更精確的數(shù)據(jù)，為地震預(yù)測提供支持。另一方面，科學(xué)家正致力于構(gòu)建更復(fù)雜和精確的地震模型。這些模型試圖模擬地殼板塊的運動和地震能量的積累過程。通過結(jié)合地質(zhì)學(xué)、物理學(xué)和數(shù)學(xué)等領(lǐng)域的知識，這些模型將更深入地解析地震的成因和過程。例如，通過模擬板塊邊緣的應(yīng)力積累和釋放，科學(xué)家可以更好地預(yù)測哪些區(qū)域最有可能發(fā)生地震，以及這些地震可能的強度。

這些進(jìn)步雖然不能讓我們準(zhǔn)確預(yù)測每一次地震，但它們增加了我們對地震風(fēng)險的了解，有助于我們更好地應(yīng)對潛在的地震災(zāi)害。希望通過不斷的研究和技術(shù)創(chuàng)新，未來我們能夠更有效地預(yù)測地震，減少地震帶來的損失和影響。

人工智能會顛覆地震預(yù)測技術(shù)嗎

近年來，人工智能在地震預(yù)測和監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用正在引起廣泛的關(guān)注，并顯示出極大的潛力。最近的研究表明，人工智能技術(shù)在提高地震預(yù)測的準(zhǔn)確性方面取得了顯著進(jìn)展。例如，研究人員正在使用機器學(xué)習(xí)來分析地殼變形數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在地震發(fā)生前的幾小時內(nèi)顯示出沿斷層的加速變形，類似于緩慢地震的過程。盡管我們目前無法準(zhǔn)確測量這些前兆以進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，但這種方法可能揭示了一些以前被認(rèn)為是噪聲的重要信號。另一項研究來自美國加利福尼亞大學(xué)圣克魯斯分校和德國慕尼黑技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊，他們開發(fā)了一個名為RECAST的深度學(xué)習(xí)模型，該模型在預(yù)測地震余震方面優(yōu)于傳統(tǒng)方法，特別是在處理大型數(shù)據(jù)集時。這項技術(shù)的成功展示了利用深度學(xué)習(xí)進(jìn)行地震預(yù)測的巨大潛力。

目前，基于人工智能的地震預(yù)測研究在實踐中已經(jīng)取得巨大進(jìn)展。美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究人員開發(fā)了一個人工智能算法，該算法在我國進(jìn)行的為期7個月的試驗中正確預(yù)測了70%的地震。研究人員相信，在美國、意大利、日本等擁有強大地震跟蹤網(wǎng)絡(luò)的地方，人工智能可以提高地震預(yù)測的成功率，并將預(yù)測范圍縮小到幾十千米以內(nèi)。因此，人工智能正在逐步顛覆傳統(tǒng)的地震預(yù)測技術(shù)，提供新的工具和方法來增強我們的地震預(yù)測能力。盡管仍存在挑戰(zhàn)，但人工智能的應(yīng)用顯示出在地震預(yù)測和監(jiān)測方面的巨大潛力，未來可能會大大改善我們對地震風(fēng)險的管理和響應(yīng)。

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