地震能否“见微知著”

2018年9月，印度尼西亚帕卢发生7.5级地震，附近村庄的建筑被夷为平地。资料来源:卫生部宗教事务局/法新社

这是我们的记者冯唐

在过去的10年里，南加州的地震统计数据可能“漏掉”了180万次非常小的地震。这些地震小到0.3级，在地表几乎察觉不到。但是加州理工学院地震实验室的地球物理学家扎卡里·罗斯认为，发现这些微小的地震可以填补地震记录中的空白，帮助人们理解导致地震的地球物理过程。

“我们应该寻找隐藏的地震，因为它们为地震学家研究地震序列的演化提供了大部分可用的信息。大地震的周期很长，每次地震之间的周期跨度从几百年到几千年不等。小地震的详细时空模式可以告诉我们关于地震物理的新信息。”罗斯在接受《中国科学》采访时说。

最近，《科学》杂志公布了由罗斯团队及其合作者发布的南加州最全面的地震统计数据。数据显示，2008年至2017年间，南加州发生了超过180万次地震，是原南加州地震台网(SCSN)记录数字的10倍。每天大约有495次地震，大约每174秒一次。

太小，找不到

地震规模和频率之间有一个众所周知的经验关系，即如果地震级数减少一个单位，地震的频率将增加近10倍。然而，对低级别地震进行分类是相当困难的，因为它们的地震信号和几乎同时发生的重叠地震能量通常与背景噪声难以区分。例如，这些地震非常小，可能与汽车交通或建筑的振动相混淆。

“我们并非不知道这些小地震正在发生。问题是，在所有的噪音中，它们很难找到。”罗斯也很无奈。

为了克服低信噪比的问题，研究小组采用了一种称为“模板匹配”的算法来搜索南加州的隐藏地震，因为该算法可以从连续的地震数据流中挑选出隐藏的和微小的地震波形。

具体来说，在这种技术中，一个稍微大一点、更容易识别的地震被用作一个模板来说明给定位置的地震信号通常应该是什么样子。当找到与之匹配的波形时，研究人员将扫描附近地震仪的记录，看看地震信号是否记录在其他地方并得到独立验证。

研究人员表示，模板匹配在地震检波器距离较近的地区效果最好，因为地震事件通常只与半径1到2英里内的其他地震相关。此外，由于这项研究计算量很大，过去仅限于规模太小的数据集。

带头开始全身

研究人员使用了SCSN从2008年到2017年收集的连续地震数据。虽然SCSN的网站成员随着时间的推移而变化，但在某个时间点上总共使用了513个网站。为了提高计算效率，研究人员使用巴特沃斯滤波器对波形数据进行滤波，并将数据集组织成24小时连续的文件，所有的间隙都用0填充。

在计算中，研究人员依靠200个强大的图形处理单元连续工作数周来扫描目录，检测新的地震并验证他们的发现。

加州理工学院的地球物理学家兼研究伙伴艾吉尔·豪克森说，这是值得努力的。“沿着断层的地震活动将影响断层和断层周围的震动，这张新绘制的南加州地震活动图将让我们对其工作原理有一个新的理解。”

扩大的地震目录揭示了以前未发现的大地震的前震和地震群的演化。更丰富的数据集将使科学家更好地理解地震如何影响和穿过该地区。

“我们发现了超过160万次新地震。从这些事件中，我们可以更好地理解地球表面以下断层的位置和几何形状，更清楚地看到地震如何在空间和时间上与其他地震沟通和触发，更好地理解地震序列是如何开始的。”罗斯说。

“罗斯和他的同事已经从根本上改变了我们在密集地震网络中探测地震的方式。他们打开了一扇窗户，让我们可以看到数百万次我们从未见过的地震，这改变了我们描述大地震前后发生的事情的能力。”加州理工学院地震实验室主任Michael Gurnis说。

风险图片

然而，记录这些小地震可能对地震预测没有帮助。"我们无法推测这项研究是否能提高地震的可预测性。"罗斯告诉《中国科学》。

然而，2016年发表在《科学》杂志上的日本地震活动研究表明，密集的小地震可能是大地震的前兆。

小地震发生在许多潜到大陆底部的地方，比如美国的西北太平洋。研究人员表示，这些小地震会有规律地发生，这些事件可以被视为更大地震的前兆。

《中国科学日报》报道称，日本东北大学地震学家内田直树的团队利用覆盖全国大部分地区的地震仪数据，分析了1984年至2011年间发生的6126次2.5级以上地震。这些重复的地震经常发生在两个地壳板块相遇的地质断层上。它们表明地壳板块正在缓慢地相互交叉，这是一种几乎察觉不到的运动，称为缓慢滑动。通常，在缓慢滑动之后会发生更大的地震。

此外，2018年底，非营利组织“全球地震模型”发布了三张全球地震地图。通过整合来自美国地质调查局和中国地震局等机构的30多个国家和地区模型，它描绘了地球上最容易发生地震的地区、建筑物可能被地震损坏的地区以及全球暴露地图。

全球地震模型的风险协调员熊伟·席尔瓦说，地球上三分之二的建筑最终只分布在15个国家。了解哪里的建筑容易受损可以帮助当地官员决定在哪里分配资源来加强建设。

早在20世纪30年代的南加州，加州理工学院的查尔斯·弗朗西斯·芮希特和本诺·古登堡提出了地震强度分类规则——“里氏震级”，并将地震学发展成为一门国际学科。

现在，罗斯正在沿着他的同事们规划的道路前进:“在未来，我们将专注于使用这个新的目录来更好地理解地震物理学的更多细节。”

相关论文信息:DOI:10.1126/science.aaw6888

DOI:10.1126/science.aad3108

中国科学新闻(2019-04-22第三版国际版)