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這是第一次，我們確實(shí)在邁向地震預(yù)測方面取得進(jìn)展。

去年5月，沉睡了13個(gè)月之后，華盛頓普吉特海灣（Puget Sound）下方的地面隆隆地蘇醒過來。地震始于奧林匹克山下方20多英里處，在幾周的時(shí)間里，向西北方向漂移，到達(dá)加拿大的溫哥華。然后，它短暫地扭轉(zhuǎn)了方向，又遷移回了美國邊境?？偟膩碚f，這場持續(xù)一個(gè)月的“地震”釋放了震級(jí)為6級(jí)的能量。到地震結(jié)束時(shí)，溫哥華南端已經(jīng)向太平洋推進(jìn)了大約一厘米。俄勒岡州內(nèi)斯科溫海灘（Neskowin Beach）分布著一片有2000年歷史的云杉林遺跡——這是俄勒岡州和華盛頓沿線的幾十個(gè)“幽靈森林”之一。人們認(rèn)為，卡斯卡迪亞俯沖帶曾發(fā)生特大地震，樹木傾倒，海嘯來襲。

然而，由于地震在時(shí)間和空間上的分布如此之廣、分散，很可能沒有人感覺到它。

這類幽靈地震比常規(guī)的快速地震發(fā)生在地下更深的地方，被稱為“慢地震（slow slips）”。它們大約每年在太平洋西北部發(fā)生一次，沿著斷層，胡安·德富卡板塊滑入北美板塊下方。自2003年以來，該地區(qū)龐大的地震臺(tái)站網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)探測到了十幾次慢地震。在過去一年半中，這些事件一直是地球物理學(xué)家保羅·約翰遜(Paul Johnson) 進(jìn)行地震預(yù)報(bào)的關(guān)注重點(diǎn)。

Johnson的團(tuán)隊(duì)是少數(shù)幾個(gè)使用機(jī)器學(xué)習(xí)的小組之一，他們?cè)噲D揭開地震物理學(xué)的神秘面紗，并梳理出其中的地震預(yù)警信號(hào)。兩年前，Johnson和他的合作者使用與圖像和語音識(shí)別類似的模式發(fā)現(xiàn)算法，在一個(gè)模型實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中成功地預(yù)測了地震。

現(xiàn)在，Johnson及其團(tuán)隊(duì)在發(fā)布于網(wǎng)站arxiv.org上的一篇論文中報(bào)告說，他們已經(jīng)在太平洋西北部的慢地震上測試了其算法。該論文尚未經(jīng)過同行評(píng)審，但外界專家稱結(jié)果令人鼓舞。根據(jù)Johnson的說法，該算法可以在一場慢地震的開始的“幾天前”對(duì)其進(jìn)行預(yù)測。萊斯大學(xué)的地震學(xué)家馬丁·德·霍普（Maarten de Hoop）表示，“我認(rèn)為這是第一次，我們確實(shí)在邁向地震預(yù)測方面取得進(jìn)展”。

斯坦福大學(xué)地球物理學(xué)家穆斯塔法·穆薩維(Mostafa Mousavi)稱新結(jié)果“有趣且鼓舞人心”。但同時(shí)，他也強(qiáng)調(diào)機(jī)器學(xué)習(xí)在能夠可靠地預(yù)測災(zāi)難性地震之前還有很長的路要走。盡管研究中還有很多困難要克服，在這樣一個(gè)科學(xué)家深耕數(shù)十年幾乎看不到希望的領(lǐng)域，機(jī)器學(xué)習(xí)可能會(huì)成為新的突破口。

災(zāi)害性地震和慢地震

已故的地震學(xué)家查爾斯·里希特(Charles Richter)(里氏震級(jí)以他的名字命名)在1977年指出，地震預(yù)測可以為“業(yè)余愛好者、怪人和徹頭徹尾尋求宣傳的造假者提供一個(gè)快樂的獵場”。雅典大學(xué)的地球物理學(xué)家Panayiotis Varotsos聲稱他可以通過測量“地震電信號(hào)”來探測即將發(fā)生的地震。美國礦務(wù)局的物理學(xué)家布萊恩·布雷迪(Brian Brady)于上世紀(jì)80年代初在秘魯連續(xù)發(fā)出錯(cuò)誤警報(bào)。這些事件的發(fā)生都基于一個(gè)脆弱的觀念，即地下礦山中的巖爆是地震即將來臨的明顯跡象。

Johnson很清楚這段曲折的歷史。“地震預(yù)測”這個(gè)詞在很多地方都是禁忌。六名科學(xué)家在2012年因淡化意大利中部城鎮(zhèn)拉奎拉附近發(fā)生地震的可能性而被判過失殺人罪(定罪后來被推翻)，幾天后，該地區(qū)遭到6.3級(jí)地震的破壞。一些著名的地震學(xué)家強(qiáng)烈地宣稱“地震是無法預(yù)測的”。但Johnson認(rèn)為地震是物理過程，就這個(gè)角度而言，地震與恒星坍塌或風(fēng)向轉(zhuǎn)變沒有什么不同。盡管他強(qiáng)調(diào)其主要目標(biāo)是更好地理解斷層物理學(xué)，但他并沒有回避預(yù)測問題。

洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的地球物理學(xué)家保羅·約翰遜（Paul Johnson）于2008年用一塊丙烯酸塑料拍下了照片，這是他的團(tuán)隊(duì)用來模擬實(shí)驗(yàn)室中地震的材料之一。

十多年前，Johnson開始研究“實(shí)驗(yàn)室地震”，這種地震是由薄層顆粒狀物質(zhì)隔開的滑動(dòng)塊構(gòu)成的。他們記錄下粘滑周期中發(fā)出的聲學(xué)信號(hào)，發(fā)現(xiàn)每次滑行之前都會(huì)出現(xiàn)尖銳的峰值。這些前兆事件類似于地震前前震產(chǎn)生的地震波。但是，就像地震學(xué)家一直在努力將前震轉(zhuǎn)化為對(duì)主震何時(shí)發(fā)生的預(yù)測一樣，Johnson和他的同事們也無法弄清楚如何將前兆事件轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)室地震的可靠預(yù)測?！拔覀?cè)谀撤N程度上走進(jìn)了死胡同，”Johnson回憶道?！拔艺也坏饺魏芜M(jìn)行下去的方法?！?/p>

幾年前，在洛斯阿拉莫斯的一次會(huì)議上，Johnson描述并解釋了他的困境，理論家建議他使用機(jī)器學(xué)習(xí)重新分析數(shù)據(jù)。于是科學(xué)家們共同制定了一個(gè)計(jì)劃：在每次實(shí)驗(yàn)中記錄下大約5分鐘的音頻，然后把它切成許多小段。對(duì)于每個(gè)片段，研究人員計(jì)算了80多個(gè)統(tǒng)計(jì)特征，包括平均信號(hào)，均值的變化，以及關(guān)于該片段是否包含前兆事件的信息。由于研究人員是事后分析數(shù)據(jù)，所以他們也知道每個(gè)聲音片段和隨后的實(shí)驗(yàn)室故障之間間隔多長時(shí)間。有了這些訓(xùn)練數(shù)據(jù)，他們使用 “隨機(jī)森林（random forest）”機(jī)器學(xué)習(xí)算法系統(tǒng)地尋找與故障前剩余時(shí)間密切相關(guān)的特征組合。在查看了幾分鐘的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，算法可以開始僅基于聲發(fā)射的特征來預(yù)測故障時(shí)間。

Johnson和他的同事選擇采用隨機(jī)森林算法來預(yù)測的部分原因是其相對(duì)易于解釋（與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和其他流行的機(jī)器學(xué)習(xí)算法相比）。該算法基本上像決策樹一樣工作，其中每個(gè)分支根據(jù)某種統(tǒng)計(jì)特征對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行拆分。因此，樹保留了用于進(jìn)行預(yù)測的算法的特征的記錄，以及每個(gè)特征在幫助算法得出這些預(yù)測的相對(duì)重要性方面的記錄。

在洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，偏光透鏡顯示了模型構(gòu)造板塊沿?cái)鄬泳€橫向滑動(dòng)時(shí)應(yīng)力的積累。

當(dāng)洛斯阿拉莫斯大學(xué)的研究人員探究其算法的內(nèi)部工作原理時(shí)，他們對(duì)發(fā)現(xiàn)的東西感到驚訝：算法最依賴其預(yù)測的統(tǒng)計(jì)特征與實(shí)驗(yàn)室地震之前的前兆事件無關(guān)。相反，有關(guān)的是方差，即信號(hào)如何圍繞均值波動(dòng)的一種度量，此外信號(hào)不單出現(xiàn)在發(fā)生故障之前的那一刻，方差開始時(shí)很小，然后在地震預(yù)備期間逐漸攀升。只要知道了這種變化，算法就可以做出合理的猜測。這一發(fā)現(xiàn)具有潛在的重大意義。幾十年來，準(zhǔn)地震預(yù)報(bào)員一直在研究前震和其他孤立的地震事件。而洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）的結(jié)果表明，每個(gè)人都把目光投向了錯(cuò)誤的地方——預(yù)測的關(guān)鍵在于兩次大地震事件之間相對(duì)平靜的時(shí)期內(nèi)廣播的更微妙的信息。為了證明機(jī)器學(xué)習(xí)可以預(yù)測真實(shí)的地震，Johnson需要對(duì)真實(shí)的斷裂進(jìn)行測試。還有什么地方比太平洋西北部更適合呢？

實(shí)驗(yàn)室外

地球上大多數(shù)會(huì)發(fā)生9級(jí)地震的地方都是俯沖帶，一個(gè)構(gòu)造板塊俯沖到另一個(gè)板塊之下。位于日本東部的俯沖帶引起了東北地震以及隨后的海嘯，海嘯在2011年摧毀了日本的海岸線。有一天，卡斯卡迪亞俯沖帶將同樣摧毀普吉特灣、溫哥華和周圍的太平洋西北地區(qū)。

從北加利福尼亞的門多西諾角到溫哥華，卡斯卡迪亞俯沖帶沿太平洋海岸線延伸約1000公里。上一次破壞發(fā)生在1700年1月，它引發(fā)了9級(jí)地震和海嘯，并到達(dá)了日本海岸。地質(zhì)記錄表明，斷層大約每隔五千年就會(huì)發(fā)生一次這樣的大地震，或多或少有幾百年的時(shí)間差，這就是地震學(xué)家對(duì)該地區(qū)慢地震如此密切關(guān)注的原因之一。

俯沖帶斷層下游的慢地震將少量應(yīng)力傳遞到上方的脆性地殼，隨后該處會(huì)發(fā)生快速的災(zāi)難性地震。

但是，對(duì)于Johnson而言，關(guān)注慢地震還有另一個(gè)原因：它們會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。

作為比較，在過去的12年中，普吉特海灣和溫哥華之間的斷裂帶沒有發(fā)生重大的災(zāi)害性地震。在同一時(shí)間跨度中，斷層產(chǎn)生了十幾個(gè)緩滑帶，每個(gè)都記錄在詳細(xì)的地震目錄中。該地震目錄與Johnson實(shí)驗(yàn)室地震實(shí)驗(yàn)中的錄音在現(xiàn)實(shí)世界中相對(duì)應(yīng)。就像處理聲音記錄一樣，Johnson和同事將地震數(shù)據(jù)切成小段，并通過一套統(tǒng)計(jì)功能來表征每個(gè)段。然后，他們將該訓(xùn)練數(shù)據(jù)以及過去的慢地震時(shí)間信息一起提供給機(jī)器。

在接受了2007年至2013年的數(shù)據(jù)訓(xùn)練后，算法能夠基于每個(gè)事件發(fā)生前幾個(gè)月記錄的數(shù)據(jù)，對(duì)2013年至2018年之間發(fā)生的慢地震做出預(yù)測。關(guān)鍵特征是地震能量，在實(shí)驗(yàn)室中，該能量與聲信號(hào)的方差密切相關(guān)。像方差一樣，每次緩慢滑動(dòng)之前，地震能量都以特征方式爬升。

卡斯卡迪亞的預(yù)報(bào)不如實(shí)驗(yàn)室地震那樣準(zhǔn)確。與新的結(jié)果相比，表征預(yù)測與觀測吻合程度的相關(guān)系數(shù)比實(shí)驗(yàn)室研究中的要低得多。Johnson說，盡管如此，該算法仍能預(yù)測出發(fā)生在2013年至2018年之間的五個(gè)慢地震中的一個(gè)，幾乎可以準(zhǔn)確地預(yù)測出開始時(shí)間。

機(jī)器學(xué)習(xí)為我們提供了一個(gè)切入點(diǎn)，這是進(jìn)入數(shù)據(jù)搜索以查找我們從未發(fā)現(xiàn)或從未見過的事物的入口。但人們還有很長一段路要走。

令人深省的事實(shí)

地震預(yù)測的目標(biāo)從來都不是預(yù)測慢地震。相反，它是為了預(yù)測突然發(fā)生的、對(duì)生命和肢體構(gòu)成危險(xiǎn)的災(zāi)難性地震。對(duì)于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法來說，這提出了一個(gè)矛盾：最大的地震，地震學(xué)家最希望能夠預(yù)測的地震，同時(shí)也是最罕見的。機(jī)器學(xué)習(xí)算法如何獲得足夠的訓(xùn)練數(shù)據(jù)來預(yù)測它們？

洛斯阿拉莫斯小組押注，他們的算法實(shí)際上不需要對(duì)災(zāi)難性地震進(jìn)行訓(xùn)練來預(yù)測它們。最近的研究表明，小地震之前的地震圖象在統(tǒng)計(jì)上與大地震的地震圖象相似，在任何一天，一個(gè)斷層上都可能發(fā)生幾十次小地震。一臺(tái)針對(duì)數(shù)以千計(jì)的小地震進(jìn)行訓(xùn)練的計(jì)算機(jī)可能具有足夠的通用性來預(yù)測大地震。機(jī)器學(xué)習(xí)算法也可能在計(jì)算機(jī)模擬快速地震上進(jìn)行訓(xùn)練，這些模擬有朝一日可以作為真實(shí)數(shù)據(jù)的替代品。

但即便如此，科學(xué)家仍將直面一個(gè)令人深省的事實(shí)：盡管將斷層推向地震邊緣的物理過程或許是可以預(yù)測的，但大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，地震的實(shí)際觸發(fā)包含了一種隨機(jī)性。假設(shè)是這樣的話，無論機(jī)器訓(xùn)練得多么好，它們可能永遠(yuǎn)不能像科學(xué)家預(yù)測其他自然災(zāi)害那樣預(yù)測地震。

在最好的情況下，對(duì)大地震的預(yù)測可能會(huì)有數(shù)周、數(shù)月或數(shù)年的時(shí)間限制。雖然這樣的預(yù)測可能無法用于協(xié)調(diào)地震前夕的大規(guī)模疏散，但可以增加公眾的準(zhǔn)備期，幫助政府官員有針對(duì)性地改造不安全的建筑，并以其他方式減輕災(zāi)難性地震的危害。

Johnson認(rèn)為這是一個(gè)值得努力的目標(biāo)。但是，他知道這需要時(shí)間。他說：“我并不是說要在我有生之年預(yù)測地震，但是無論何種程度的探索，我們都在向前邁進(jìn)?！?/p>

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