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這是第一次，我們確實在邁向地震預(yù)測方面取得進展。

去年5月，沉睡了13個月之后，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，在幾周的時間里，向西北方向漂移，到達加拿大的溫哥華。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)一個月的“地震”釋放了震級為6級的能量。到地震結(jié)束時，溫哥華南端已經(jīng)向太平洋推進了大約一厘米。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“幽靈森林”之一。人們認為，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) 進行地震預(yù)報的關(guān)注重點。

Johnson的團隊是少數(shù)幾個使用機器學(xué)習(xí)的小組之一，他們試圖揭開地震物理學(xué)的神秘面紗，并梳理出其中的地震預(yù)警信號。兩年前，Johnson和他的合作者使用與圖像和語音識別類似的模式發(fā)現(xiàn)算法，在一個模型實驗室系統(tǒng)中成功地預(yù)測了地震。

現(xiàn)在，Johnson及其團隊在發(fā)布于網(wǎng)站arxiv.org上的一篇論文中報告說，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”對其進行預(yù)測。萊斯大學(xué)的地震學(xué)家馬丁·德·霍普（Maarten de Hoop）表示，“我認為這是第一次，我們確實在邁向地震預(yù)測方面取得進展”。

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，他也強調(diào)機器學(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，在這樣一個科學(xué)家深耕數(shù)十年幾乎看不到希望的領(lǐng)域，機器學(xué)習(xí)可能會成為新的突破口。

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”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80年代初在秘魯連續(xù)發(fā)出錯誤警報。這些事件的發(fā)生都基于一個脆弱的觀念，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級地震的破壞。一些著名的地震學(xué)家強烈地宣稱“地震是無法預(yù)測的”。但Johnson認為地震是物理過程，就這個角度而言，地震與恒星坍塌或風(fēng)向轉(zhuǎn)變沒有什么不同。盡管他強調(diào)其主要目標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驗室的地球物理學(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，這是他的團隊用來模擬實驗室中地震的材料之一。

十多年前，Johnson開始研究“實驗室地震”，這種地震是由薄層顆粒狀物質(zhì)隔開的滑動塊構(gòu)成的。他們記錄下粘滑周期中發(fā)出的聲學(xué)信號，發(fā)現(xiàn)每次滑行之前都會出現(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)化為對主震何時發(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)化為實驗室地震的可靠預(yù)測?！拔覀冊谀撤N程度上走進了死胡同，”Johnson回憶道?！拔艺也坏饺魏芜M行下去的方法?！?/p>

幾年前，在洛斯阿拉莫斯的一次會議上，Johnson描述并解釋了他的困境，理論家建議他使用機器學(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計劃：在每次實驗中記錄下大約5分鐘的音頻，然后把它切成許多小段。對于每個片段，研究人員計算了80多個統(tǒng)計特征，包括平均信號，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聲音片段和隨后的實驗室故障之間間隔多長時間。有了這些訓(xùn)練數(shù)據(jù)，他們使用 “隨機森林（random forest）”機器學(xué)習(xí)算法系統(tǒng)地尋找與故障前剩余時間密切相關(guān)的特征組合。在查看了幾分鐘的實驗數(shù)據(jù)后，算法可以開始僅基于聲發(fā)射的特征來預(yù)測故障時間。

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

在洛斯阿拉莫斯國家實驗室進行的一項實驗中，偏光透鏡顯示了模型構(gòu)造板塊沿斷層線橫向滑動時應(yīng)力的積累。

當洛斯阿拉莫斯大學(xué)的研究人員探究其算法的內(nèi)部工作原理時，他們對發(fā)現(xiàn)的東西感到驚訝：算法最依賴其預(yù)測的統(tǒng)計特征與實驗室地震之前的前兆事件無關(guān)。相反，有關(guān)的是方差，即信號如何圍繞均值波動的一種度量，此外信號不單出現(xiàn)在發(fā)生故障之前的那一刻，方差開始時很小，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，準地震預(yù)報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，每個人都把目光投向了錯誤的地方——預(yù)測的關(guān)鍵在于兩次大地震事件之間相對平靜的時期內(nèi)廣播的更微妙的信息。為了證明機器學(xué)習(xí)可以預(yù)測真實的地震，Johnson需要對真實的斷裂進行測試。還有什么地方比太平洋西北部更適合呢？

實驗室外

地球上大多數(shù)會發(fā)生9級地震的地方都是俯沖帶，一個構(gòu)造板塊俯沖到另一個板塊之下。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級地震和海嘯，并到達了日本海岸。地質(zhì)記錄表明，斷層大約每隔五千年就會發(fā)生一次這樣的大地震，或多或少有幾百年的時間差，這就是地震學(xué)家對該地區(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，隨后該處會發(fā)生快速的災(zāi)難性地震。

但是，對于Johnson而言，關(guān)注慢地震還有另一個原因：它們會產(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。在同一時間跨度中，斷層產(chǎn)生了十幾個緩滑帶，每個都記錄在詳細的地震目錄中。該地震目錄與Johnson實驗室地震實驗中的錄音在現(xiàn)實世界中相對應(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)計功能來表征每個段。然后，他們將該訓(xùn)練數(shù)據(jù)以及過去的慢地震時間信息一起提供給機器。

在接受了2007年至2013年的數(shù)據(jù)訓(xùn)練后，算法能夠基于每個事件發(fā)生前幾個月記錄的數(shù)據(jù)，對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，在實驗室中，該能量與聲信號的方差密切相關(guān)。像方差一樣，每次緩慢滑動之前，地震能量都以特征方式爬升。

卡斯卡迪亞的預(yù)報不如實驗室地震那樣準確。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)比實驗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年之間的五個慢地震中的一個，幾乎可以準確地預(yù)測出開始時間。

機器學(xué)習(xí)為我們提供了一個切入點，這是進入數(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

地震預(yù)測的目標從來都不是預(yù)測慢地震。相反，它是為了預(yù)測突然發(fā)生的、對生命和肢體構(gòu)成危險的災(zāi)難性地震。對于機器學(xué)習(xí)的方法來說，這提出了一個矛盾：最大的地震，地震學(xué)家最希望能夠預(yù)測的地震，同時也是最罕見的。機器學(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，他們的算法實際上不需要對災(zāi)難性地震進行訓(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)計上與大地震的地震圖象相似，在任何一天，一個斷層上都可能發(fā)生幾十次小地震。一臺針對數(shù)以千計的小地震進行訓(xùn)練的計算機可能具有足夠的通用性來預(yù)測大地震。機器學(xué)習(xí)算法也可能在計算機模擬快速地震上進行訓(xùn)練，這些模擬有朝一日可以作為真實數(shù)據(jù)的替代品。

但即便如此，科學(xué)家仍將直面一個令人深省的事實：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)家認為，地震的實際觸發(fā)包含了一種隨機性。假設(shè)是這樣的話，無論機器訓(xùn)練得多么好，它們可能永遠不能像科學(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，對大地震的預(yù)測可能會有數(shù)周、數(shù)月或數(shù)年的時間限制。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備期，幫助政府官員有針對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認為這是一個值得努力的目標。但是，他知道這需要時間。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?！?/p>

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