破譯地震的密碼？——機器學習算法有望實現地震的精確預測

雷鋒網按：本文由圖普科技工程師翻譯自《Machine-Learning Algorithm Predicts Laboratory Earthquakes》。雷鋒網獨家首發文章。

近日，美國新墨西哥洲“洛斯阿拉莫斯國家實驗室”團隊訓練了一個機器學習算法來試圖預測地震，該團隊還不確定這一技術能否用于現實地震的預測，目前僅為實驗室環境成果，但這項技術可能為地震預測領域的研究開辟了一條新的路徑。

據統計，被地震奪走生命的人員數量十分驚人。每年大約有一萬人死于地震和震后災難，但實際的傷亡人數可能更多。2004年，蘇門答臘島海岸有超過230,000人在九級地震引起的海嘯中喪生；2010年，超過200,000人死于海地七級地震；1556年，中國超過800,000人在一次地震中死亡。

因此，我們期待著一個頗有成效的地震預測方法。

在新墨西哥洲洛斯阿拉莫斯國家實驗室里，Bertrand Rouet-Leduc和他的幾個伙伴前段時間發現了一個相當驚人的秘密。他們訓練了一個機器學習算法，讓算法僅依靠那些由壓力所產生的聲音，去觀察實驗室地震即將發生時所顯現的跡象。這個團隊還不確定這一技術能否用于現實地震的預測，因此他們表現得十分謹慎；但是他們的這項技術和工作確實為地震預測領域的研究開辟了一條新路徑。

首先來介紹一些相關的背景信息。長期以來，地質學家們都是可以預測出地震風險發生的近似概率，他們使用的方法是找出歷史上地震斷層的移動時間，憑借其中顯現出來的一些周期性，來大致預測未來的斷層移動時間。

其中最有名的例子包括加州帕克菲爾德的圣安格烈亞斯斷層——全球被研究得最仔細的斷層之一。據記載，歷史上發生在這里的地震的時間分別是1857年、1881年、1901年、1922年、1934年和1966年。這些數據暗示著在圣安格烈亞斯，大約每22年就會地震一次的模式和規律。因此地質學家們預測下一次地震將會發生在1988年到1993年之間，再下一次地震就應該是2004年。

這大概就是地震預測所能達到的最好的水平了，在其他的絕大多數地方，震級的誤差會更大。

這樣的預測有利于各種事項的實施，比如在地震多發區建立地震指標；但在地震發生時預防死亡是基本不可能的。因此，預測的時間跨度需要以天為單位，以達到更精準的預測。幾乎沒有證據能證明這種以天為單位的預測是可行的，盡管有很多傳聞表明動物是能夠感知即將發生的地震的。

Rouet-Leduc和他的伙伴的工作很可能會對這種現象做出一些改變。通過拉扯一個被夾在兩個積木中間的積木，他們在實驗室里制造了人工地震。在這些積木的接觸面上，他們疊加了一些叫做“斷層泥”的巖石物質混合物，來模擬真實的斷層。

這種人工地震系統到現在已經得到了充分的研究。地質學家從中知道了，當地震即將發生時，“斷層泥”就會開始掉落，并且伴隨著斷切發出“吱嘎”和“噼啪”的聲音——一種特殊的“地震低語”，然后那塊積木就會滑落，并且滑落的時間似乎是有周期性的。

這一系統與真實的地震有著很多相似之處，比如說，滑塊的大小分布與真實地震的大小分布是一樣的，它能產生很多小的滑塊和少數大的滑塊——這種大小分布跟真實的地震一樣，是符合了著名的“Gutenberg-Richter關系”的。因此，地質學家們確信，這個系統至少能模擬一部分現實世界的行為。

現在為止，存在的疑問是：斷層發生時發出的聲音能否用來推測下次斷層發生的時間呢？直到現在，還沒有人在這些聲音里發現能夠被用于推測時間的一種固定模式。但是Rouet-Leduc已經著手使用一種全新的方法了。

他們記錄了試驗中的所有發出的聲音，然后將其輸入至一個機器學習算法中。這樣做是為了看看機器能否破解地質學家們現在無法破解的聲音模式。

這一嘗試的結果令人非常驚喜，研究者們將一個聲音的滑動窗口輸入至了算法中，然后讓它在每個可能發生地震的時刻作出即時預測。令研究者們感到驚訝的是，機器對即將發生的地震都給出了非常精確的預測，盡管有些地震并非是迫在眉睫的。他們說：

我們只是讓算法去‘聽’實驗室斷層發生時的聲音信號，機器學習就能精確地預測出距離斷層發生前的剩余時間。

其實真正的疑惑在于“機器到底是如何做到這一點的呢？”Rouet-Leduc假設地震前體可以比之前預想的要小很多，所以在現實生活中通常不會被記錄下來。機器似乎已經發現了一個全新的信號，這一信號之前被地質學家們誤認為是在實驗室地震中產生的雜音。他們說：

我們的機器學習分析能為‘滑移物理’提供新的見解。

這是一項有趣的、并且具有重要意義的工作。它提出的首要的、最突出的問題是：相同的技術能否精確地預測現實中的地震？

Rouet-Leduc和他的團隊對這一方面非常感興趣，他們指出，實驗室的實驗從各種重要的層面來說與現實中的地中都有著很大的不同：實驗中的斷切壓力的震級大于現實地震的震級，而且斷切的巖石的溫度跟現實地震也不同。

但是，在一些其他的層面上，實驗室地震跟現實中的地震還是很相似的。所以，這個團隊的下一個目標就是將這個相同的分析，應用到那些與實驗室地震相似度最高的現實地震中去。帕克菲爾德地震就是其中一個這樣的現實地震，帕克菲爾德在較短的時間內經歷過多次重復地震。團隊表示：“這些斷裂層可能會像在實驗室一樣，發出‘地震低語’。”

這個大測試當然將會被用于精確地預測現實中的地震，但這將是是一項需要長年仔細研究、觀察的艱巨任務。

與此同時，這項技術也能應用于類似地震的其他材料的預測，比如說飛機和發電站里的渦輪機。

無論這項新技術被如何應用，Rouet-Leduc都已經在地質學界掀起了不小的波瀾。就像他們自己在總結中所說的：

地震科學進步和發展的舞臺已經準備就緒了。

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