科技资讯——神经网络实现更早更准确的地震预警

　　近日（2022.05.11），nature发文是关于使用弹性重力信号瞬时跟踪地震的。实际上也就是我们所说的地震预警。刚看到热搜的新闻里刚好出现了一条蒙古国发生4.0级地震的消息。因此，刚好结合这两个事情，聊一聊地震预警。

　　地震预警在地震发生后，利用地震信号的电波（约30万公里/秒）比地震波（约4公里/秒）快的特点，向地震波尚未到达的地区发出警告。比如离震源100公里的地方，假如第一时间发出预警，大约在地震发生后有25 s的时间完成求生措施。

　　需要注意的是，地震预警有时会被地震预报混淆。它们的区别在于，地震预报类似于天气预报，是根据一系列相关参数，继续模拟分析，得出未来一段时间的地震发生可能性，也就是说会不会发生地震都说不定。而地震预警，根据定义就知道，地震是已经发生，然后才开始发出预警，为人们自救提供一个几秒的帮助。

　　地震预警一般只有几秒到若干分钟的预警时间提前量，看似作用有限，但实际上却十分有用。在这十分短暂的时间里，地震预警能起到什么样的减灾效果呢？下图列出了一些主要的作用。一般来说，预警时间并不长，在这段时间内，对于人员而言，可以快速寻找安全避难所，对于生产而言，则可以及时停止生产运行。全力应对地震波。

　　地震的快速预警，这一点应该大家都能够理解。尤其这几年，我国西南地质活跃地区都相继建立了比较完善的地震信息网络和预警平台。不少人估计也在生活中或多或少“体验”过地震预警。有时，网友们也会在时候贴出自家电视弹出的地震预警弹窗，显示还有多少秒地震到达。而这就直观地体现了快速预警的重要性，生死关头，时间都是以秒计。能够更早预警地震，也就意味着民众能够尽早做好安全防护措施。在nature文章里，作者讨论了地震会在地球内部触发地震波，并以每秒 14 公里的速度移动，从而触发地震仪中的信号。因此，日本、墨西哥和加利福尼亚的地震预警网络提供了几秒或几分钟的预警时间。

　　然而，在非常严重的地震情况下，地震信号也会受到饱和效应的影响——这意味着预测地震的最大强度变得非常困难。例如，2011 年 3 月 11 日的日本东北地震，它引发了举世皆知的福岛核灾难。在一开始，日本的地震监测机构其实有检测到地震，并分析其为 8.1 级地震。在海岸震动两分钟后，日本气象机构就发布了相应的地震警告。然而，事实是地震的最终烈度达到了 9 级——也就是说，它释放的能量是专家预测的 22 倍多。其后果是人们对随之而来的巨大海啸毫无应有的警觉水平和应对措施，这也是导致后来核电站一系列事故的重要原因。

　　现在，科学家们已经开发出一种新方法来更快、更准确地估计地震的震级：他们使用经过训练的卷积神经网络来检测由地震引起的地球引力场扰动所产生的微弱低频地震信号。这一信号以光速传播，这为提前发出地震预警提供了可能。

　　具体地，地震导致板块大质量位移，而这些转变反过来会导致时空扭曲，尽管这一扭曲幅度非常小，但依旧能够产生微弱的低频信号而被侦测到。这些信号被称为“即时弹性重力信号”（PEGS），由佛罗里达大学的 Bernard Whiting 及其同事于 2016 年首次记录。因为这一信号的光速传播，检测仪器实际上在地震波到达之前就可以接收到这些引力信号。

　　现在，来自蔚蓝海岸大学的 Andrea Licciardi 和他的同事开发了一种机器学习算法，该算法使用地震信号来预测地震的强度。为此，他们在数十万次模拟地震上训练了一个卷积神经网络（通常用于图像处理），然后在来自 Tohoku 的真实数据集上对其进行测试。研究人员在文章上报告说，该模型在大约 50 秒内准确预测了地震的震级——比其他现代预警系统快得多。因此，该模型还可以改进海啸的预测，因为海啸通常仅在地震后 10 或 15 分钟到达。

　　然而，这篇论文目前依旧处于概念证明阶段。该模型仅花费 50 秒就给出了正确的预测，因此原则上这也可以被实时使用。然而，到目前为止，从数据收集，输入，到运算处理，这一工作流程并未进行实时操作，所以是否真的能够做到瞬时地震跟踪还未可知。此外，该模型仅针对日本特定断层带引发的地震进行了训练，这也就意味着为了在不同地区使用，它必须再次进行训练。因此，该文的作者目前正在为秘鲁和智利的地震网络进行训练。以进一步验证该方法的可靠性。

　　目前，地震预警技术系统已在日本、美国、墨西哥等国家和我国地区建成使用。作为多地震灾害的我国也组织开展了大量的前期探索工作，掌握了关键技术，实现从科研到工程应用的转化。

　　从政府官网了解到，我国自2001年开始有地震预警技术研究的想法，2007年地震行业开展预警技术研究，2012年建成福建省地震预警示范系统，2013年建成首都圈地区和兰州地区地震预警示范系统。国家发展改革委2015年6月批准《国家地震烈度速报与预警工程》项目立项，2018年6月批准项目初步设计方案，2018年7月启动项目建设，计划于2022年底在华北、南北地震带、东南沿海、新疆天山中段以及拉萨周边等预警重点地区形成秒级地震预警能力，在全国形成分钟级地震烈度速报能力。

　　本文的目的是结合最新的nature文章，谈谈目前世界范围内地震研究领域的最新进展。相信相关的专家们应该同样能够跟踪到这些最新技术，从而积极推进我国地震预警系统的不断升级。