人工智能系統(tǒng)助力監(jiān)測地震

推薦單位：北京科學(xué)技術(shù)期刊學(xué)會

成果來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

科研代表：張捷

轉(zhuǎn)化作者：項子

地震是一種對人類威脅極大的自然災(zāi)害，全球每年會發(fā)生上百萬次地震。雖然絕大多數(shù)地震對我們沒有太大影響，我們甚至感覺不到震感，但是當(dāng)真正具有破壞性的地震來臨時，我們將面臨無法承受的損失和傷害。1976年發(fā)生的唐山大地震、2008年發(fā)生的汶川地震、2010年發(fā)生的玉樹地震、2013年發(fā)生的雅安地震……房屋頃刻倒塌，背后是無數(shù)個家庭的破碎。2011年發(fā)生的日本福島地震引發(fā)了福島核電站核泄漏事故，使10多萬人逃離福島。

突如其來的大地震往往讓我們手足無措、損失慘重，如果能提前預(yù)測地震，就可以挽救成百上千萬人的生命。

自古以來，人們就對地震預(yù)測具有一定的向往和探索。東漢時期，張衡發(fā)明了能感知地面震動的地動儀，地動儀可以感應(yīng)和探測到已經(jīng)發(fā)生的地震，但不能做到預(yù)測。

日本人曾提出“地震云”的說法，即如果出現(xiàn)了規(guī)律排列的條狀或點狀云，就意味著大地震將要發(fā)生。在1948年日本福井大地震前兩天，就有人提出看到了“地震云”;2008年汶川大地震前夕，也有人提出合肥、九寨溝、鄭州等地出現(xiàn)了“地震云”。但其實“地震云”能預(yù)測地震的說法缺乏科學(xué)依據(jù)，氣象學(xué)家也大都認(rèn)為“地震云”的形成與地震無關(guān)，而是與空氣對流有關(guān)。

還有人認(rèn)為動物能預(yù)測地震。在大地震發(fā)生前夕，家禽和狗往往狂叫不止，這是因為家禽和狗能感覺到地震產(chǎn)生的次聲波，這種次聲波使動物感到不舒適。但根據(jù)動物行為預(yù)測地震其實并不穩(wěn)定，也很難實現(xiàn)，因為動物感知很多時候是在地震發(fā)生后才出現(xiàn)，動物行為也受到各種因素的影響。往往都是大地震發(fā)生后，我們“復(fù)盤”時才回想起動物的這些異常行為。

地震預(yù)測一直以來都是一個公認(rèn)的難題，就目前來說，我們對于地球結(jié)構(gòu)以及地震發(fā)生的機制還不夠清晰，遠(yuǎn)沒有達(dá)到能夠成功預(yù)測的水平。不光是地震會帶來巨大的傷害，有時候強余震也會帶來大量傷亡。預(yù)測強余震并及時采取措施，是避免余震帶來二次傷害的有力措施。隨著研究的深入，我們對地震震源機制有了一定了解，震源時間、位置、震級和震源機制解等震源參數(shù)的確定，有助于評估地震災(zāi)害情況、制定緊急疏散方案、預(yù)測可能出現(xiàn)的強余震的分布情況。

地震的發(fā)生是震源處巖石破裂和錯動的過程，可以采用兩個相對錯動面的走向、傾向及傾角等參數(shù)描述，這些描述地震的參數(shù)就稱為地震震源機制解。與確定地震的其他震源參數(shù)（震源時間、位置和震級）相比，震源機制解的推算與確定計算過程復(fù)雜，通常需要更多的人為交互，而且耗時長，缺乏自動化和效率。目前，世界各地地震監(jiān)測臺網(wǎng)的地震速報信息里并不包括震源機制解，往往需要在地震發(fā)生幾分鐘后甚至幾十分鐘后才能報出震源機制解。我們在全面自動化確定震源機制解方面面臨著巨大挑戰(zhàn)。

為解決震源機制解計算復(fù)雜、計算耗時長等問題，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張捷教授課題組研發(fā)了一套人工智能系統(tǒng)，其能在1秒內(nèi)估算出震源機制解，相關(guān)研究成果于2021年3月發(fā)表在《自然-通訊》上。張捷團(tuán)隊提出了一種新的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并用大規(guī)模的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集來訓(xùn)練這一人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以提高該人工智能系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。該研究成果應(yīng)用于“智能地動”人工智能地震監(jiān)測系統(tǒng)，在地震發(fā)生后，地震數(shù)據(jù)進(jìn)入人工智能系統(tǒng)，在不到1秒的時間，該人工智能系統(tǒng)就能準(zhǔn)確估算出震源機制解，為預(yù)測強余震的可能分布以及震源附近的情況提供有力支持。