探索地球顫動(dòng)的奧秘

想象一下，如果地球是一個(gè)巨大的生物，那么地震就像是它的一次打嗝或是身體的一次抖動(dòng)。這聽(tīng)起來(lái)似乎有點(diǎn)滑稽，但地震其實(shí)就是地球在告訴我們它是“活”的，它有自己的呼吸和脈動(dòng)。地球的板塊相互擠壓、拉扯，就像我們緊握或拉扯一塊巨大的橡皮泥，最終這些力量釋放，地球便會(huì)震動(dòng)，這就是地震。讓我們一起穿越到地球內(nèi)部，揭開(kāi)地震背后的秘密，探索讓大地顫抖的奇妙力量。

文/苗晶良 王國(guó)強(qiáng)

苗晶良，中國(guó)科協(xié)創(chuàng)新戰(zhàn)略研究院助理研究員。

王國(guó)強(qiáng)，中國(guó)科協(xié)創(chuàng)新戰(zhàn)略研究院研究員。

根據(jù)史書《竹書紀(jì)年》的記載，人類歷史上最早記錄的地震發(fā)生于公元前23世紀(jì)堯舜時(shí)代，距今已經(jīng)有4000多年的歷史。那時(shí)沒(méi)有高科技設(shè)備，古人對(duì)地震的理解充滿了神秘色彩。他們認(rèn)為，地震是神靈在發(fā)怒或是自然界在傳遞某種神秘的信息。在古希臘，人們相信是海洋之神波塞冬在憤怒時(shí)用三叉戟敲擊大地，引發(fā)了地震。在日本，傳說(shuō)中有一條巨大的鯰魚，它背負(fù)著整個(gè)島國(guó)，每當(dāng)它動(dòng)一動(dòng)，大地就會(huì)震顫。在印度的故事里，地球由一只大海龜背負(fù)著，而地震就是大海龜調(diào)整身體姿勢(shì)時(shí)引起的。美洲的瑪雅人則認(rèn)為，地球由一對(duì)巨大的鱷魚托舉著，它們不時(shí)的移動(dòng)造成了地震。

海洋之神波塞冬在憤怒時(shí)用三叉戟敲擊大地

隨著科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，人類不再依賴傳說(shuō)來(lái)解釋地震，而是發(fā)明出各種高科技儀器來(lái)監(jiān)測(cè)和研究地震。人類用科學(xué)的眼光觀察地震，分析地震，逐漸揭開(kāi)了地震背后的科學(xué)奧秘。

揭開(kāi)地震的神秘面紗

那么，地震到底是怎么引發(fā)的？地球不僅僅是我們腳下堅(jiān)實(shí)的土地，它還是一個(gè)充滿活力、不斷變化的生態(tài)系統(tǒng)。地球由多層不同的材料組成，最外層是地殼，它并不是連續(xù)的一整塊，而是由許多不同的板塊組成。這些板塊不是靜止的，它們以每年幾厘米的速度移動(dòng)，有時(shí)相互遠(yuǎn)離，有時(shí)相互靠近，有時(shí)甚至相互擦過(guò)。當(dāng)這些板塊碰撞、擠壓或滑過(guò)彼此時(shí)，它們的邊緣會(huì)積累巨大的能量。就像用手緊緊按住一塊海綿，然后突然放開(kāi)，海綿會(huì)迅速膨脹，釋放出所有被壓縮的空氣，地震的發(fā)生也是一個(gè)類似的過(guò)程。當(dāng)板塊之間的壓力增大到一定程度，無(wú)法再保持穩(wěn)定時(shí)，這些板塊會(huì)突然移動(dòng)，釋放出累積的能量，這種能量的釋放就會(huì)導(dǎo)致地震。因此，地震主要發(fā)生在板塊之間，如洋脊、海溝、裂谷、板塊擠壓出的山脈等構(gòu)造活動(dòng)帶。

目前，全球主要有三大地震帶。其中最主要的是環(huán)太平洋地震帶，世界上約80%的大型地震發(fā)生于此。這一地震帶因太平洋板塊及其周圍多個(gè)小板塊的移動(dòng)和相互作用而特別活躍，不僅地震頻發(fā)，而且火山活動(dòng)也非常頻繁。其次是歐亞地震帶。該帶從歐洲地中海經(jīng)希臘、土耳其、中國(guó)的西藏延伸到太平洋及阿爾卑斯山，也稱地中海-喜馬拉雅地震帶，全球約15%的大型地震發(fā)生于此。這個(gè)地震帶經(jīng)過(guò)的區(qū)域人口密集，地震發(fā)生時(shí)往往造成重大的人員和財(cái)產(chǎn)損失。最后是海嶺地震帶，分布在太平洋、大西洋、印度洋中的海嶺（海底山脈）。這里的地殼板塊正在分離，形成新的地殼物質(zhì)。雖然這個(gè)地震帶的大部分位于水下，遠(yuǎn)離人類居住區(qū)，但如冰島這樣直接位于大西洋中脊上方的地區(qū)還是會(huì)經(jīng)歷十分劇烈的地震活動(dòng)。

地震的發(fā)生往往突發(fā)性強(qiáng)，而且破壞性大，會(huì)帶來(lái)慘重的傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，所造成的社會(huì)影響也比其他自然災(zāi)害更為廣泛、強(qiáng)烈。一次地震持續(xù)的時(shí)間往往只有幾十秒，然而，就是在這么短的時(shí)間里，一次強(qiáng)震就可以摧毀一座城市，威力之大堪比一次大規(guī)模核打擊。例如，汶川地震釋放出的能量相當(dāng)于幾百顆原子彈的威力。國(guó)際上廣泛使用里氏震級(jí)來(lái)描述地震的強(qiáng)度。它是由美國(guó)地震學(xué)家查爾斯·里克特于1935年提出的，因此得名里氏震級(jí)。里氏震級(jí)是通過(guò)測(cè)量地震波在標(biāo)準(zhǔn)距離（約100千米）上的最大振幅來(lái)計(jì)算的。震級(jí)每增加1個(gè)單位，振幅增加10倍，釋放的能量大約增加31.6倍。這是一個(gè)對(duì)數(shù)尺度，意味著地震釋放的能量與震級(jí)成指數(shù)關(guān)系。例如，里氏震級(jí)5級(jí)的地震釋放的能量是4級(jí)的31.6倍。值得注意的是，原始的里氏震級(jí)量表主要適用于測(cè)量美國(guó)加利福尼亞州小至中等規(guī)模地震的大小。對(duì)于大型地震或非加利福尼亞州地區(qū)的地震，現(xiàn)代地震學(xué)通常使用更全面的矩震級(jí)來(lái)表示地震的大小，因?yàn)樗芨鼫?zhǔn)確地反映地震釋放的總能量。因此，雖然里氏震級(jí)仍被廣泛提及，但在科學(xué)和工程領(lǐng)域矩震級(jí)是更常用的量度標(biāo)準(zhǔn)。

地震前通常沒(méi)有明顯的預(yù)兆，以至于來(lái)不及逃避，很容易造成大規(guī)模的災(zāi)難。除此之外，地震引發(fā)的破壞并非地面的震動(dòng)那么簡(jiǎn)單。除了直接造成的損失外，地震還會(huì)引發(fā)一系列后續(xù)的次生災(zāi)害，這些災(zāi)害有時(shí)甚至比地震本身造成的損害更為嚴(yán)重。通常情況下，這些次生或間接的災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失高于直接損失。例如，巨大的滑坡就是一種典型的次生災(zāi)害，其他還包括火災(zāi)、水災(zāi)、泥石流等。而且，這些次生災(zāi)害不僅限于自然現(xiàn)象，還可能引發(fā)如瘟疫等公共衛(wèi)生危機(jī)。因此，世界各國(guó)非常重視提高社會(huì)的整體抗震減災(zāi)能力，其中地震監(jiān)測(cè)就是一個(gè)十分重要的手段。

從候風(fēng)地動(dòng)儀到全球地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)

地震儀是檢測(cè)記錄地震波的儀器，由地震檢波器（或稱地震計(jì)）和采集器以及供電系統(tǒng)組成。其內(nèi)部配有傳感器，可以將地震波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后輸出在屏幕或者紙上。地震儀設(shè)計(jì)之初是為了探測(cè)自然地震的發(fā)生，隨著技術(shù)的迭代升級(jí)，現(xiàn)在地震儀的用途已經(jīng)大大擴(kuò)展，它還被廣泛用于石油勘探、地殼探查研究，以及監(jiān)測(cè)火山噴發(fā)等其他方面。

古代的地震儀中，最為人們熟知的是學(xué)生時(shí)期課本中描述的“候風(fēng)地動(dòng)儀”，它是中國(guó)東漢時(shí)期的天文學(xué)家張衡在公元132年設(shè)計(jì)制造的，最初記載于《后漢書·張衡傳》。這篇文獻(xiàn)關(guān)于候風(fēng)地動(dòng)儀的描述僅196字。現(xiàn)在看到的候風(fēng)地動(dòng)儀的模型其實(shí)都是后人根據(jù)古籍復(fù)原的，不過(guò)，不同學(xué)者對(duì)它的復(fù)原方案還存在一些爭(zhēng)議。候風(fēng)地動(dòng)儀是由精銅制成的古代儀器，其直徑大約為8尺，按照漢代的尺寸換算，相當(dāng)于現(xiàn)在的1.8~1.9米，外觀酷似一個(gè)酒樽。這個(gè)地動(dòng)儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常精密，主要由位于中心的都柱和圍繞其周圍的八組復(fù)雜的牙機(jī)裝置組成。地動(dòng)儀的候風(fēng)擺位于這些牙機(jī)裝置之一的旁邊，當(dāng)候風(fēng)擺移動(dòng)到觸發(fā)點(diǎn)時(shí)，就會(huì)激活牙機(jī)裝置，這個(gè)過(guò)程被描述為“施關(guān)發(fā)機(jī)”，意指機(jī)械被啟動(dòng)。地動(dòng)儀的外圍裝飾著8個(gè)龍頭，每個(gè)龍頭都含著一個(gè)小銅球，下方則是張開(kāi)口的蟾蜍雕像。一旦檢測(cè)到地震，都柱內(nèi)的候風(fēng)擺會(huì)微微搖動(dòng)，觸發(fā)相應(yīng)的機(jī)械裝置，導(dǎo)致相應(yīng)的龍頭張開(kāi)口，小銅球隨即落入蟾蜍的嘴里。通過(guò)這種方式，人們可以確定地震發(fā)生的時(shí)間和方向。這套機(jī)制靈敏度極高，能在地震波初到時(shí)立即反應(yīng)，顯示出古人的巧思和智慧。候風(fēng)地動(dòng)儀這項(xiàng)古代發(fā)明因此被認(rèn)為是人類最早監(jiān)測(cè)地震的裝置。

候風(fēng)地動(dòng)儀復(fù)原模型

（圖片來(lái)源：香港大學(xué)）

現(xiàn)代地震儀的早期歷史可以追溯到19世紀(jì)，這是地震科學(xué)（或稱地震學(xué)）作為一門學(xué)科開(kāi)始形成的時(shí)期。在這個(gè)時(shí)期，科學(xué)家開(kāi)始設(shè)計(jì)和構(gòu)建第一批能夠記錄地震活動(dòng)的儀器。19世紀(jì)中葉，歐洲和美國(guó)的科學(xué)家開(kāi)始設(shè)計(jì)可以測(cè)量地面微小運(yùn)動(dòng)的儀器。1855年，意大利物理學(xué)家路易吉·帕爾米耶里設(shè)計(jì)了一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械裝置，它包括一個(gè)裝滿水銀的U型管和一套導(dǎo)電系統(tǒng)，還連接有時(shí)鐘和記錄裝置。這個(gè)設(shè)計(jì)的目的是在地震發(fā)生時(shí)，利用水銀的運(yùn)動(dòng)來(lái)記錄下地震的發(fā)生時(shí)間、相對(duì)強(qiáng)度以及持續(xù)時(shí)間。雖然帕爾米耶里的這個(gè)發(fā)明并不是現(xiàn)代地震儀的直接原型，但它的設(shè)計(jì)思路促使后來(lái)地震儀開(kāi)始走上獲取更精確記錄的道路，而不僅僅是檢測(cè)地震的存在。這標(biāo)志著地震監(jiān)測(cè)技術(shù)從簡(jiǎn)單的震動(dòng)感知進(jìn)化到了復(fù)雜的地震數(shù)據(jù)記錄和分析。隨后的一個(gè)多世紀(jì)，隨著數(shù)字電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷革新，地震監(jiān)測(cè)儀器也在快速發(fā)展迭代。

目前，世界已形成全球地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。全球地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)計(jì)劃是20世紀(jì)90年代由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)發(fā)起的，由135個(gè)放置在世界各地的地震監(jiān)測(cè)器構(gòu)成。這些監(jiān)測(cè)器能實(shí)時(shí)記錄地震，然后將數(shù)據(jù)傳送到人造衛(wèi)星，人造衛(wèi)星再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)中心，或者經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。集中分析這些數(shù)據(jù)有助于總結(jié)地震前表現(xiàn)的趨勢(shì)和模式。同時(shí)，它還支持基于地理信息系統(tǒng)及其相關(guān)活動(dòng)進(jìn)行的數(shù)據(jù)和信息交流的國(guó)際網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立使科學(xué)家能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)全球的地震活動(dòng)，及時(shí)分析相關(guān)數(shù)據(jù)，迅速確定地震的位置、規(guī)模和潛在影響。這對(duì)啟動(dòng)緊急響應(yīng)機(jī)制、警告可能受影響地區(qū)的人員撤離非常關(guān)鍵。

對(duì)地震的“跨時(shí)空占卜”

地震預(yù)測(cè)一直是地球科學(xué)研究中最具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域之一。盡管科學(xué)家已經(jīng)取得了理解地震的重大進(jìn)展，但準(zhǔn)確預(yù)測(cè)地震的時(shí)間、地點(diǎn)和強(qiáng)度的能力依然有限。目前的地震預(yù)測(cè)主要依賴于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和對(duì)歷史地震數(shù)據(jù)的分析。通過(guò)長(zhǎng)期的觀測(cè)和研究，科學(xué)家可以評(píng)估特定地區(qū)未來(lái)發(fā)生地震的可能性，并可能識(shí)別出某些地區(qū)大地震發(fā)生的周期性模式。

在地震預(yù)測(cè)的過(guò)程中，科學(xué)家會(huì)研究地震前兆現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可能包括地應(yīng)力、地下流體、氫同位素、電磁以及電離層等多方面的異常變化。這些異常變化可以通過(guò)各種方法捕捉和分析，如地應(yīng)力觀測(cè)法、全球定位系統(tǒng)觀測(cè)法和電磁法等。這些異常特征的捕捉和分析是地震預(yù)測(cè)的關(guān)鍵，如果異常特征表現(xiàn)為劇烈和持續(xù)的變化，則可能預(yù)示著有較大的地震發(fā)生。

然而，地震的生成是一個(gè)復(fù)雜的地質(zhì)過(guò)程，受到多種因素的影響，這些因素的相互作用難以用現(xiàn)有的科學(xué)模型完全解釋。加之，地震前兆并非總是明顯或一致的，有時(shí)大地震發(fā)生前并沒(méi)有明顯的前兆，這使預(yù)測(cè)工作更加艱巨。因此，雖然科學(xué)家努力通過(guò)各種技術(shù)捕捉地震前的異常信號(hào)，但目前仍無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)地震的具體時(shí)間和地點(diǎn)。地震預(yù)測(cè)的一個(gè)關(guān)鍵難點(diǎn)在于如何區(qū)分真正的地震前兆和其他非地震相關(guān)的異常現(xiàn)象。這項(xiàng)任務(wù)充滿挑戰(zhàn)，但對(duì)減少地震造成的損害和提高社會(huì)的應(yīng)對(duì)能力至關(guān)重要。

盡管地震預(yù)測(cè)充滿挑戰(zhàn)，但科學(xué)家并未放棄努力，他們正在采取多種方法來(lái)提高地震預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。一方面，科學(xué)家正在不斷提高地震監(jiān)測(cè)技術(shù)。這包括提升地震儀的靈敏度，讓我們能夠捕捉到更微小的地震波動(dòng)，以及擴(kuò)大全球地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，使我們能夠在更廣泛的區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)到地震活動(dòng)。這樣的技術(shù)進(jìn)步意味著我們可以收集到更多更精確的數(shù)據(jù)，為地震預(yù)測(cè)提供支持。另一方面，科學(xué)家正致力于構(gòu)建更復(fù)雜和精確的地震模型。這些模型試圖模擬地殼板塊的運(yùn)動(dòng)和地震能量的積累過(guò)程。通過(guò)結(jié)合地質(zhì)學(xué)、物理學(xué)和數(shù)學(xué)等領(lǐng)域的知識(shí)，這些模型將更深入地解析地震的成因和過(guò)程。例如，通過(guò)模擬板塊邊緣的應(yīng)力積累和釋放，科學(xué)家可以更好地預(yù)測(cè)哪些區(qū)域最有可能發(fā)生地震，以及這些地震可能的強(qiáng)度。

這些進(jìn)步雖然不能讓我們準(zhǔn)確預(yù)測(cè)每一次地震，但它們?cè)黾恿宋覀儗?duì)地震風(fēng)險(xiǎn)的了解，有助于我們更好地應(yīng)對(duì)潛在的地震災(zāi)害。希望通過(guò)不斷的研究和技術(shù)創(chuàng)新，未來(lái)我們能夠更有效地預(yù)測(cè)地震，減少地震帶來(lái)的損失和影響。

人工智能會(huì)顛覆地震預(yù)測(cè)技術(shù)嗎

近年來(lái)，人工智能在地震預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用正在引起廣泛的關(guān)注，并顯示出極大的潛力。最近的研究表明，人工智能技術(shù)在提高地震預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性方面取得了顯著進(jìn)展。例如，研究人員正在使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)分析地殼變形數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在地震發(fā)生前的幾小時(shí)內(nèi)顯示出沿?cái)鄬拥募铀僮冃危愃朴诰徛卣鸬倪^(guò)程。盡管我們目前無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量這些前兆以進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，但這種方法可能揭示了一些以前被認(rèn)為是噪聲的重要信號(hào)。另一項(xiàng)研究來(lái)自美國(guó)加利福尼亞大學(xué)圣克魯斯分校和德國(guó)慕尼黑技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，他們開(kāi)發(fā)了一個(gè)名為RECAST的深度學(xué)習(xí)模型，該模型在預(yù)測(cè)地震余震方面優(yōu)于傳統(tǒng)方法，特別是在處理大型數(shù)據(jù)集時(shí)。這項(xiàng)技術(shù)的成功展示了利用深度學(xué)習(xí)進(jìn)行地震預(yù)測(cè)的巨大潛力。

目前，基于人工智能的地震預(yù)測(cè)研究在實(shí)踐中已經(jīng)取得巨大進(jìn)展。美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究人員開(kāi)發(fā)了一個(gè)人工智能算法，該算法在我國(guó)進(jìn)行的為期7個(gè)月的試驗(yàn)中正確預(yù)測(cè)了70%的地震。研究人員相信，在美國(guó)、意大利、日本等擁有強(qiáng)大地震跟蹤網(wǎng)絡(luò)的地方，人工智能可以提高地震預(yù)測(cè)的成功率，并將預(yù)測(cè)范圍縮小到幾十千米以內(nèi)。因此，人工智能正在逐步顛覆傳統(tǒng)的地震預(yù)測(cè)技術(shù)，提供新的工具和方法來(lái)增強(qiáng)我們的地震預(yù)測(cè)能力。盡管仍存在挑戰(zhàn)，但人工智能的應(yīng)用顯示出在地震預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)方面的巨大潛力，未來(lái)可能會(huì)大大改善我們對(duì)地震風(fēng)險(xiǎn)的管理和響應(yīng)。

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2025年《科學(xué)畫報(bào)》