雷鋒網(wǎng)按：本文由圖普科技工程師翻譯自《Machine-Learning Algorithm Predicts Laboratory Earthquakes》。雷鋒網(wǎng)獨(dú)家首發(fā)文章。

近日，美國(guó)新墨西哥洲“洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室”團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練了一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)試圖預(yù)測(cè)地震，該團(tuán)隊(duì)還不確定這一技術(shù)能否用于現(xiàn)實(shí)地震的預(yù)測(cè)，目前僅為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境成果，但這項(xiàng)技術(shù)可能為地震預(yù)測(cè)領(lǐng)域的研究開辟了一條新的路徑。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，被地震奪走生命的人員數(shù)量十分驚人。每年大約有一萬(wàn)人死于地震和震后災(zāi)難，但實(shí)際的傷亡人數(shù)可能更多。2004年，蘇門答臘島海岸有超過(guò)230,000人在九級(jí)地震引起的海嘯中喪生；2010年，超過(guò)200,000人死于海地七級(jí)地震；1556年，中國(guó)超過(guò)800,000人在一次地震中死亡。

因此，我們期待著一個(gè)頗有成效的地震預(yù)測(cè)方法。

在新墨西哥洲洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室里，Bertrand Rouet-Leduc和他的幾個(gè)伙伴前段時(shí)間發(fā)現(xiàn)了一個(gè)相當(dāng)驚人的秘密。他們訓(xùn)練了一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)算法，讓算法僅依靠那些由壓力所產(chǎn)生的聲音，去觀察實(shí)驗(yàn)室地震即將發(fā)生時(shí)所顯現(xiàn)的跡象。這個(gè)團(tuán)隊(duì)還不確定這一技術(shù)能否用于現(xiàn)實(shí)地震的預(yù)測(cè)，因此他們表現(xiàn)得十分謹(jǐn)慎；但是他們的這項(xiàng)技術(shù)和工作確實(shí)為地震預(yù)測(cè)領(lǐng)域的研究開辟了一條新路徑。

首先來(lái)介紹一些相關(guān)的背景信息。長(zhǎng)期以來(lái)，地質(zhì)學(xué)家們都是可以預(yù)測(cè)出地震風(fēng)險(xiǎn)發(fā)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(dòng)時(shí)間，憑借其中顯現(xiàn)出來(lái)的一些周期性，來(lái)大致預(yù)測(cè)未來(lái)的斷層移動(dòng)時(shí)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(xì)的斷層之一。據(jù)記載，歷史上發(fā)生在這里的地震的時(shí)間分別是1857年、1881年、1901年、1922年、1934年和1966年。這些數(shù)據(jù)暗示著在圣安格烈亞斯，大約每22年就會(huì)地震一次的模式和規(guī)律。因此地質(zhì)學(xué)家們預(yù)測(cè)下一次地震將會(huì)發(fā)生在1988年到1993年之間，再下一次地震就應(yīng)該是2004年。

這大概就是地震預(yù)測(cè)所能達(dá)到的最好的水平了，在其他的絕大多數(shù)地方，震級(jí)的誤差會(huì)更大。

這樣的預(yù)測(cè)有利于各種事項(xiàng)的實(shí)施，比如在地震多發(fā)區(qū)建立地震指標(biāo)；但在地震發(fā)生時(shí)預(yù)防死亡是基本不可能的。因此，預(yù)測(cè)的時(shí)間跨度需要以天為單位，以達(dá)到更精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)。幾乎沒(méi)有證據(jù)能證明這種以天為單位的預(yù)測(cè)是可行的，盡管有很多傳聞表明動(dòng)物是能夠感知即將發(fā)生的地震的。

Rouet-Leduc和他的伙伴的工作很可能會(huì)對(duì)這種現(xiàn)象做出一些改變。通過(guò)拉扯一個(gè)被夾在兩個(gè)積木中間的積木，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)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(zhì)混合物，來(lái)模擬真實(shí)的斷層。

這種人工地震系統(tǒng)到現(xiàn)在已經(jīng)得到了充分的研究。地質(zhì)學(xué)家從中知道了，當(dāng)?shù)卣鸺磳l(fā)生時(shí)，“斷層泥”就會(huì)開始掉落，并且伴隨著斷切發(fā)出“吱嘎”和“噼啪”的聲音——一種特殊的“地震低語(yǔ)”，然后那塊積木就會(huì)滑落，并且滑落的時(shí)間似乎是有周期性的。

這一系統(tǒng)與真實(shí)的地震有著很多相似之處，比如說(shuō)，滑塊的大小分布與真實(shí)地震的大小分布是一樣的，它能產(chǎn)生很多小的滑塊和少數(shù)大的滑塊——這種大小分布跟真實(shí)的地震一樣，是符合了著名的“Gutenberg-Richter關(guān)系”的。因此，地質(zhì)學(xué)家們確信，這個(gè)系統(tǒng)至少能模擬一部分現(xiàn)實(shí)世界的行為。

現(xiàn)在為止，存在的疑問(wèn)是：斷層發(fā)生時(shí)發(fā)出的聲音能否用來(lái)推測(cè)下次斷層發(fā)生的時(shí)間呢？直到現(xiàn)在，還沒(méi)有人在這些聲音里發(fā)現(xiàn)能夠被用于推測(cè)時(shí)間的一種固定模式。但是Rouet-Leduc已經(jīng)著手使用一種全新的方法了。

他們記錄了試驗(yàn)中的所有發(fā)出的聲音，然后將其輸入至一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)算法中。這樣做是為了看看機(jī)器能否破解地質(zhì)學(xué)家們現(xiàn)在無(wú)法破解的聲音模式。

這一嘗試的結(jié)果令人非常驚喜，研究者們將一個(gè)聲音的滑動(dòng)窗口輸入至了算法中，然后讓它在每個(gè)可能發(fā)生地震的時(shí)刻作出即時(shí)預(yù)測(cè)。令研究者們感到驚訝的是，機(jī)器對(duì)即將發(fā)生的地震都給出了非常精確的預(yù)測(cè)，盡管有些地震并非是迫在眉睫的。他們說(shuō)：

我們只是讓算法去‘聽’實(shí)驗(yàn)室斷層發(fā)生時(shí)的聲音信號(hào)，機(jī)器學(xué)習(xí)就能精確地預(yù)測(cè)出距離斷層發(fā)生前的剩余時(shí)間。

其實(shí)真正的疑惑在于“機(jī)器到底是如何做到這一點(diǎn)的呢？”Rouet-Leduc假設(shè)地震前體可以比之前預(yù)想的要小很多，所以在現(xiàn)實(shí)生活中通常不會(huì)被記錄下來(lái)。機(jī)器似乎已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)全新的信號(hào)，這一信號(hào)之前被地質(zhì)學(xué)家們誤認(rèn)為是在實(shí)驗(yàn)室地震中產(chǎn)生的雜音。他們說(shuō)：

我們的機(jī)器學(xué)習(xí)分析能為‘滑移物理’提供新的見(jiàn)解。

這是一項(xiàng)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(wèn)題是：相同的技術(shù)能否精確地預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)中的地震？

Rouet-Leduc和他的團(tuán)隊(duì)對(duì)這一方面非常感興趣，他們指出，實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)從各種重要的層面來(lái)說(shuō)與現(xiàn)實(shí)中的地中都有著很大的不同：實(shí)驗(yàn)中的斷切壓力的震級(jí)大于現(xiàn)實(shí)地震的震級(jí)，而且斷切的巖石的溫度跟現(xiàn)實(shí)地震也不同。

但是，在一些其他的層面上，實(shí)驗(yàn)室地震跟現(xiàn)實(shí)中的地震還是很相似的。所以，這個(gè)團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)目標(biāo)就是將這個(gè)相同的分析，應(yīng)用到那些與實(shí)驗(yàn)室地震相似度最高的現(xiàn)實(shí)地震中去。帕克菲爾德地震就是其中一個(gè)這樣的現(xiàn)實(shí)地震，帕克菲爾德在較短的時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷過(guò)多次重復(fù)地震。團(tuán)隊(duì)表示：“這些斷裂層可能會(huì)像在實(shí)驗(yàn)室一樣，發(fā)出‘地震低語(yǔ)’?！?/p>

這個(gè)大測(cè)試當(dāng)然將會(huì)被用于精確地預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)中的地震，但這將是是一項(xiàng)需要長(zhǎng)年仔細(xì)研究、觀察的艱巨任務(wù)。

與此同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)也能應(yīng)用于類似地震的其他材料的預(yù)測(cè)，比如說(shuō)飛機(jī)和發(fā)電站里的渦輪機(jī)。

無(wú)論這項(xiàng)新技術(shù)被如何應(yīng)用，Rouet-Leduc都已經(jīng)在地質(zhì)學(xué)界掀起了不小的波瀾。就像他們自己在總結(jié)中所說(shuō)的：

地震科學(xué)進(jìn)步和發(fā)展的舞臺(tái)已經(jīng)準(zhǔn)備就緒了。

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