AI識(shí)別出地震先兆信號(hào)？機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)神秘關(guān)聯(lián)，人類有望預(yù)測(cè)地震
發(fā)布人：傳感器技術(shù)
時(shí)間：2024-01-04
來(lái)源：工程師
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【導(dǎo)讀】10年前，「地震預(yù)測(cè)」在圈內(nèi)還是如尼斯湖水怪一般的奇談怪論，但機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展，已經(jīng)讓「準(zhǔn)確預(yù)測(cè)地震」的可能性，又往前邁進(jìn)了一步。最近一段時(shí)間，世界各地地震頻發(fā)。就在1月1日，日本突發(fā)里氏7.6級(jí)的地震，隨后陸續(xù)有災(zāi)情傳出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前至少已有62人死亡。
而下面這個(gè)問(wèn)題，也再一次被提起：人類究竟什么時(shí)候能及時(shí)預(yù)測(cè)地震呢？別急，已經(jīng)在進(jìn)步了。現(xiàn)在，在用AI和其他技術(shù)及時(shí)預(yù)測(cè)地震這個(gè)方向，研究者取得了不少突破。科學(xué)家通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)研究斷層線的「慢地震」（預(yù)示地震到來(lái)的有用指標(biāo)）信號(hào)，有望能作為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)地震的科學(xué)依據(jù)。而AI技術(shù)也成為了分辨地震信號(hào)和其他地質(zhì)學(xué)噪聲的重要工具。
地震預(yù)警
2017年9月，在墨西哥城發(fā)生8.2級(jí)地震前約兩分鐘，刺耳的警報(bào)器提醒居民地震即將來(lái)臨。現(xiàn)在在全世界范圍內(nèi)普遍采用的這種地震預(yù)警系統(tǒng)，可以在潛在的破壞性地震開(kāi)始后三到五秒內(nèi)，向受災(zāi)地區(qū)發(fā)出響亮的信號(hào)。
首先，靠近斷層的地震儀可以捕捉到地震的開(kāi)始，精細(xì)編程的算法會(huì)確定震級(jí)可能的大小。如果是中型或大型地震，發(fā)出的警報(bào)會(huì)比地震本身傳播得更快，從而提供幾秒鐘到幾分鐘窗口期。這個(gè)時(shí)間窗口至關(guān)重要：就在這短短的幾秒鐘到幾分鐘，人們可以關(guān)閉電力和天然氣管道，將消防車移到街道上，轉(zhuǎn)移到安全的地方。但這些預(yù)警系統(tǒng)有局限性，存在誤報(bào)和漏報(bào)的情況。更重要的是，它的作用只是預(yù)警，并不是預(yù)測(cè)。「地震預(yù)測(cè)」，不再是無(wú)稽之談
預(yù)測(cè)地震，是一件極其困難的事。但這幾年，開(kāi)始有了希望的苗頭。本文作者地震學(xué)博士Allie Hutchison表示，2013年當(dāng)自己開(kāi)始攻讀地震學(xué)博士學(xué)位時(shí)，預(yù)測(cè)地震這個(gè)話題顯得很不嚴(yán)肅，仿佛尋找尼斯湖水怪一樣，不屬于主流研究的范疇。
但僅僅七年后，很多事情都發(fā)生了變化。2020年開(kāi)始，當(dāng)Hutchison開(kāi)始第二次博士后研究時(shí)，她發(fā)現(xiàn)業(yè)內(nèi)的科學(xué)家對(duì)于地震預(yù)測(cè)的態(tài)度更為開(kāi)放了。她所在的項(xiàng)目Tectonic正是使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)推進(jìn)地震預(yù)測(cè)的。歐洲研究委員會(huì)深信這個(gè)項(xiàng)目的潛力，提供了為期四年、340萬(wàn)歐元的捐款資助。如今，許多備受尊敬的科學(xué)家，都在各自的子領(lǐng)域中取得了進(jìn)展。比如一種沿著斷層線的「慢地震」行為（預(yù)示地震到來(lái)的有用指標(biāo)），以及地震噪聲。但仍然很困難預(yù)測(cè)地震之所以如此困難，是因?yàn)閷＜覀兡苤赖氖虑閷?shí)在是太少了。20世紀(jì)60年代，板塊構(gòu)造理論就被廣泛接受了，但幾十年后，人們對(duì)于地震成因的理解，也只是應(yīng)力累積到臨界閾值，就會(huì)通過(guò)地震釋放。
但對(duì)于沿著給定斷層線正在發(fā)生什么，專家們基本上一無(wú)所知。他們可以通過(guò)使用地震波和繪制地震位置來(lái)構(gòu)建斷層的近似地圖，但無(wú)法直接測(cè)量它所承受的應(yīng)力，也無(wú)法量化地面移動(dòng)的閾值。在地震預(yù)測(cè)上能做到的最好的事，就是了解特定地區(qū)地震發(fā)生的頻率。
比如，上一次導(dǎo)致加州圣安德烈亞斯斷層南部全長(zhǎng)斷裂的地震是在1857年。據(jù)估計(jì)，那里發(fā)生大地震的平均時(shí)間間隔在100到180年之間。根據(jù)粗略計(jì)算，第二次地震可能「遲到」了。當(dāng)然，這種復(fù)發(fā)間隔可能差異會(huì)很大，樣本量?jī)H限于人類歷史范圍內(nèi)、地質(zhì)記錄中所記載的范圍，而這些，僅僅是地球歷史上發(fā)生過(guò)的地震的極小一部分。曾經(jīng)，專家們一度非常有信心。1985年，科學(xué)家沿著加州中部圣安德烈亞斯斷層的帕克菲爾德部分安裝了地震儀和其他地震監(jiān)測(cè)設(shè)備。
與其他斷層沿線的地震相比，該地區(qū)發(fā)生的六次地震的間隔時(shí)間異常規(guī)律，因此美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的科學(xué)家非常有信心地預(yù)測(cè)，下一次類似震級(jí)的地震將在1993年之前發(fā)生。但實(shí)際上，這場(chǎng)地震2004年才發(fā)生，所以可以說(shuō)，預(yù)測(cè)失敗了。并且，對(duì)于容易發(fā)生大地震的地區(qū)，間隔可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)百年，不確定性如此之大，這種預(yù)測(cè)方法基本是不靠譜的。對(duì)此，加州理工學(xué)院地球物理學(xué)家、美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局前高級(jí)科學(xué)家Tom Heaton就曾這樣懷疑：我們根本無(wú)法預(yù)測(cè)地震。
在他眼里，地震很大程度上是隨機(jī)過(guò)程——我們可以把概率附加到事件上，但無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。「從物理學(xué)的角度來(lái)看，這是一個(gè)混沌系統(tǒng)。這一切的背后有重要的證據(jù)表明地球的行為是有序的和確定性的。但如果不充分了解地下發(fā)生的事情，就不可能憑直覺(jué)理解這種秩序?！?/span>新工具，讓地震預(yù)測(cè)開(kāi)始靠譜了
第二種可能和地震相關(guān)的信號(hào)，就是卡斯卡迪亞俯沖帶的大地測(cè)量學(xué)家發(fā)現(xiàn)，地殼會(huì)以奇怪的方向緩慢移動(dòng)，科學(xué)家稱之為「緩慢滑行」現(xiàn)象。
發(fā)現(xiàn)第二種奇怪的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)的科學(xué)家們，在日本西南部進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了一種被稱為「慢地震」的信號(hào)。就像常規(guī)地震一樣，這種慢地震能讓地殼中的應(yīng)力重新分布。但是這種「慢地震」持續(xù)的時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，最長(zhǎng)可能長(zhǎng)達(dá)幾年時(shí)間。而在這種「慢地震」期間內(nèi)，普通地震發(fā)生的概率會(huì)大大提高。但是進(jìn)一步的相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)，這種「慢地震」之后只是很可能伴隨普通地震，但結(jié)論并不絕對(duì)。雖然科學(xué)家在「慢地震」和普通地震之間沒(méi)有發(fā)現(xiàn)絕對(duì)的關(guān)聯(lián)，但是有科學(xué)家認(rèn)為：可能地震的前兆信號(hào)就隱藏在其中，只是我們還沒(méi)有辦法足夠好的測(cè)量出這種前兆信號(hào)。而在這些復(fù)雜的信號(hào)中提取有用的信息，就是AI能產(chǎn)生作用的地方了。
AI能從噪音中尋找真正的地震信號(hào)
2017年，新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Paul Johnson開(kāi)始使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)理解地震的數(shù)據(jù)。
他建立了一個(gè)人工模擬地震的實(shí)驗(yàn)室，用各種方法來(lái)模擬地震。比如將巖石樣本放置在金屬框架內(nèi)，將其中心切開(kāi)以模擬斷層，并將其置于圍壓下，讓局部傳感器測(cè)量樣品變形時(shí)發(fā)生的情況。在這個(gè)模擬地震的系統(tǒng)之下，他們發(fā)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)可以幫助研究人員預(yù)測(cè)人為開(kāi)始制造的斷層需要多長(zhǎng)時(shí)間能引發(fā)震動(dòng)。
而令科學(xué)家感到驚喜的是，他們發(fā)現(xiàn)先前很多認(rèn)為是噪聲的信號(hào)，卻被機(jī)器學(xué)習(xí)認(rèn)為是可以做出預(yù)測(cè)的主要信號(hào)。
然后，Johnson開(kāi)始將這些發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于卡斯卡迪亞的地震數(shù)據(jù)。在地震數(shù)據(jù)中他們識(shí)別出了來(lái)自俯沖帶的連續(xù)的信號(hào)。這些「慢地震」信號(hào)開(kāi)始讓科學(xué)家可以重新建立一個(gè)地震數(shù)據(jù)模型。Johnson稱：機(jī)器學(xué)習(xí)能夠建立起一些原本不存在的關(guān)聯(lián)，而其中的一些關(guān)聯(lián)讓人感到非常驚喜。
科學(xué)家們，在用AI做出嘗試
而除此之外，還有其他很多科學(xué)家，也在通過(guò)不同方式來(lái)使用機(jī)器學(xué)習(xí)，對(duì)地震進(jìn)行研究。雖然現(xiàn)在相關(guān)研究還處于早期階段，但機(jī)器學(xué)習(xí)方法可以揭示隱藏的結(jié)構(gòu)和因果關(guān)系，讓數(shù)據(jù)看起來(lái)不再是雜亂無(wú)章的一堆數(shù)字。斯坦福大學(xué)的Mostafa Mousavi和Gregory Beroza等科學(xué)家，在研究如何使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)用單個(gè)地震臺(tái)的地震數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)地震的震級(jí)，這對(duì)地震的早期預(yù)警系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常有用。哈佛大學(xué)地球與行星科學(xué)教授Brendan Meade能夠使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)余震的位置。加州理工學(xué)院的Zachary Ross和其他研究人員使用深度學(xué)習(xí)技術(shù)從噪聲水平很高的數(shù)據(jù)中分辨出地震信號(hào)，從而使得科學(xué)家檢測(cè)出更多的地震。
Beroza、Mousavi和英國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的研究員Margarita Segou通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)識(shí)別地震數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了可能比人類所知多10倍的地震，從而創(chuàng)建了更大的地震數(shù)據(jù)庫(kù)。
他們?cè)?021年發(fā)表在《自然通訊》上的一篇論文中公布了他們的發(fā)現(xiàn)。這些改進(jìn)的數(shù)據(jù)集可以幫助人類和機(jī)器更好地理解地震。
肉眼可見(jiàn)的是，地震預(yù)測(cè)正在發(fā)生范式轉(zhuǎn)變。或許我們還需要幾十年的時(shí)間，來(lái)確定這一時(shí)期地震研究的意義，以及是否具有革命性的作用。可以確定的是，AI確實(shí)讓某些東西變得不一樣了。來(lái)源：新智元
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