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2021年03月23日
【中国青年报】零距离 跨越千年的科研“接力” 1秒摸清地震“脾气”


人工智能算法计算震源机制解流程图。 受访者供图

课题组合影。 受访者供图

课题组在进行科研训练和讨论。 受访者供图

地震是破坏力较大的自然灾害之一。地震科学的每一次进步和飞跃,都象征着人类与自然灾害抗争的决心。

公元132年(东汉顺帝阳嘉元年),张衡发明了世界第一台地震观测仪器——候风地动仪,开启了人类利用仪器观测地震的历史。

时针飞速拨转,近年来,人工智能、大数据、云计算等技术的广泛应用,为地震科学带来新的曙光和可能。

采用人工智能方法,可在1秒内算出震源机制参数,摸清地震“脾气”,有效提升地震监测和风险防范能力。这是中国科学技术大学地球和空间科学学院张捷教授课题组最新的研究成果。论文日前发表于《自然-通讯》杂志。

对于这一成果,该论文的3位审稿人一致评价:“这是非常激动人心的突破性成果。”

目前,张捷课题组成员15人,有14人是90后。近日,中青报·中青网记者采访了这群年轻的科研人员。

地震监测需要的“神秘”参数

张捷教授介绍,地球内部运动导致板块之间相互挤压碰撞,进而造成板块内部错动、破裂,是引发地震的主要原因。地震的“时(发震时刻)、空(震源位置)、强(地震震级)”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机制解(即震源机制参数,学界也叫震源机制解——记者注)也是破解地震信息的重要参数。

何为震源机制解?张捷解释,这是利用地震观测资料来研究地震发生时,震源处的作用力和断层错动性质,其参数包含断层走向(strike)、断层倾角(dip)、滑移角(rake)等。

摸清震源机制解,不仅可以帮助了解断层的类型,还能揭示断层在地震发生时具体的运动情况、破裂方向、破裂速度,描述滑断面的走向、倾向、倾角等特征。

通俗地说,对于发生在陆地上的地震,震源机制解可能用于由前震预测主震,或由主震资料预测强余震,揭示震源附近的应力分布状况。也能帮助判读出是地震带中哪个断层系在活动、其应力方向在哪、附近类似断层会不会出现危险等情况;对于海洋以及近海、沿岸区域的地震,震源机制解可以为海啸预警、海啸灾害的评估提供关键的信息。

张捷介绍,自1938年地震学家第一次推算以来,快速获取震源机制解一直是科学难题。通常,科学家通过记录到的地震波极性以及全波形信息,反向演算震源机制解。但反推耗费时间、计算量大,目前,世界各地地震监测台网在地震速报信息里,只有发震时刻、震级、地点和深度,并不包括震源机制解。

他补充说,地震发生时,地震波信号传到地震台网,专业人员采用理论算法处理地震数据。但往往在地震发生几分钟或更长的时间后才能报出震源机制解。3-10分钟后,地震往往已经造成破坏。

2004年,里氏9.3级印度洋大地震引发强烈海啸,席卷了包括印度尼西亚、斯里兰卡、马尔代夫等国,造成了巨大人员伤亡和财产损失。震后15分钟,海啸最先到达印尼,但却没有预警,最后造成14个国家共22万余人失去生命。张捷分析,若能在震后快速得到该地震是逆冲破裂的震源机制并发出预警,将会大大减少伤亡。

在最新成果中,张捷课题组就利用人工智能技术和深度机器学习算法,提出新的深度卷积神经网络——震源机制网络(FMNet),利用全波形信息快速估计震源机制。

课题组首先在研究区域模拟出理论地震波形图,用于训练人工智能网络。之后将实际地震波形数据输入到训练好的人工智能网络中,从而输出地震震源机制解。“地震发生后,实际地震数据进入人工智能系统,不到1秒时间,系统就能准确估算出震源机制解,为灾情判断、灾害评估提供有力支持。”张捷说。

该项目也受到了中国地震局地震预测研究所基本科研业务费实验场项目和国家重点研发计划项目“地震预警新技术研究与示范应用”的资助。

地震监测,跨越千年的科学“接力”

关于地震的研究一直在曲折中进行。研究的时间维度已跨越了上千年。

“中有都柱,傍行八道,施关发机……”根据《后汉书·张衡传》记载,张衡发明的地动仪利用了惯性摆的原理。古人实现了用聪明智慧“感知”地震。

中国地震局信息技术学科组顾问、地震预测研究所研究员陈会忠在撰文指出,在地动仪发明之后的几个世纪里,世界上均无关于地震观测仪器方面的记载。19世纪中叶开始,随着西方国家和日本相继研制了定量记录地面运动的地震仪,地震监测仪器与监测方式不断更新。

1966年3月,河北邢台地区相继发生6.8级和7.2级多次强烈地震。当时,我国的地震台均为人工值守,像邢台这样的大地震从数据集中到完成基本参数的测定,需约数小时甚至数天。

20世纪70年代开始,我国地震台网开始打造国家基本台站和区域地震台站相结合的布局。自主研发的系列地震仪器和地震台站的建设,增强地震监测的能力,也为各级政府提供地震信息服务。

同时,世界上多个地震频发的国家纷纷建立针对特定工程、特定城市等的地震预警系统。“从机械式模拟信号记录发展到自动化数字信号记录,从单台监测发展到到台阵、台网地震监测,地震科学不断进步。”张捷教授课题组成员、博士后朱慧宇介绍。

值得一提的是,“十五”期间,我国开始实施《中国数字地震观测网络》工程,建设了105个国家地震台、685个区域级测震台和32个省级区域地震台网中心。

据介绍,汶川大地震等灾害的发生也进一步引发思考——地震观测必须为挽救生命和降低灾害损失服务。

2015年6月,国家发改委正式批复了中国地震局“国家地震烈度速报与预警工程”,2018年工程启动实施。地震观测和地震科学数据处理从物理驱动转向数据驱动,可以达到地震后5-10秒就发出地震警报。

“当前许多国家监测地震信息,还是采用自动算法与专业人员人工计算相结合的方式,这就要求地震监测人员24小时待命。”朱慧宇介绍,当实际地震数据进入课题组研发的人工智能系统,系统不仅能准确估算出地震的位置、深度、震级和震源机制等参数,还能实时演示地震活动空间图像。

同时,系统有深度学习能力,能根据数据库中汇集的上百万个地震资料,结合地震学理论,快速处理正在发生的地震数据。“科技的力量正催生地震科学领域的新业态,带来防震减灾领域的技术革命。”朱慧宇感慨。

“提高地震预测预警的准确性,需要密集的高频监测数据采集和实时处理,现有的人机结合工作模式已不适应这一要求。”针对此课题成果,中国地震局科技与国际合作司司长车时评价说:“该成果为地震监测、预测预警业务实现快速、高效的智能化转型提供了坚实基础。”

“地震发生后,每一秒都万分宝贵,尽早报出震源机制解,能向地震波还没到达的地区预警,为公众采取防护措施、政府确定救援方案抢出时间。”朱慧宇举例,如果人们能在地震发生前3秒收到预警,伤亡人数可以降低14%;如果提前10秒发布预警,伤亡人数可以降低39%。

“1秒”的演进

听上去很轻松的“1秒”,这项黑科技背后是科研人长期的探索和坚守。

张捷教授于1981年考入中国科学技术大学,获地球物理学学士,在麻省理工学院获地球物理学博士学位。长期致力于地球物理石油勘探、地震监测、生物医药等领域的科研与技术创新。在他看来,科研并非一蹴而就,无论经历多少困难,都要始终坚信从事科研工作的价值观。

早在2014年,张捷课题组就与中国科大计算机学院教授陈恩红课题组合作,用互联网搜索引擎技术,在研究区域事先建立庞大的波形数据库,通过快速搜索算法实现对波形的快速匹配,实现快速报出数据库里存好的震源机制解。

该论文发表在《自然-通讯》上。随后,方法在四川、云南投入地震监测,成为当时最先进的震源机制解速报技术。

但这一方法受数据库约束,难以应用于范围较大的地震监测区域。课题组开始了又一轮攻关,不断完善系统准确性和可靠性,这一深耕,又是7年。

在最新成果中,课题组首次利用人工智能方法,利用深度机器算法,适用于大区域地震监测。

但在某个区域,历史地震样本不够,如何保证机器学习知识的充分性?朱慧宇解释,课题组采用理论计算数据做训练样本的方法,能够解决这一问题,让系统更聪明,还会验算。

“平时,老师不断鼓励我们参加各种国际学术会议,除了分享我们新的进展外,也能了解国际行业前沿动态,哪怕每天只花一小时学习别人的成果,也很有用。”课题组研究生王函说。

其实,2018年,张捷教授团队就与中国地震局合作完成“智能地动”人工智能地震监测系统,系统已在云南、四川的地震实验场试用。基于评估结果,“智能地动”系统与专业人员人工计算处理的结果非常接近。

科研探索永无止境。去年,运用人工智能技术,课题组又进一步实现在两秒内推算出震源机制解。朱慧宇介绍,近期,“1秒算出震源机制解”的黑科技就将在“智能地动”系统上试运行。

正如课题组研究生张基所言,团队小伙伴们注重科研的实际应用问题,每次得出的新方法,都需要在实际数据中进行反复测试验证,确保让新方法能够分析并解决实际问题。

在张捷看来,任何一项科研工作都应该聚焦“创新”二字,学生不能像上课学习那样依赖老师,必须敢于探索未知领域,肩负起科研创新的使命。

平时,张捷常对第一次尝试科研的学生说:“你要坚信,你是世界上第一个做这个课题的人,你能告诉全人类这个问题是怎么回事!”


中青报·中青网记者 王海涵 王磊 通讯员 范琼 来源:中国青年报 ( 2021年03月23日 12 版)

http://zqb.cyol.com/html/2021-03/23/nw.D110000zgqnb_20210323_1-12.htm


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