地震能否“见微知著”
2018年9月，印尼帕鲁发生7.5级地震，附近村庄建筑被夷为平地。 图片来源：MOHD RASFAN
■唐凤
过去10年中，美国南加州地震统计可能“漏掉”了180万次极小规模的地震。这些地震最小至0.3级，人们在地表几乎无法察觉。但加州理工学院地震实验室地球物理学家Zachary E. Ross认为，找出这些极小地震能填补地震记录中的空白，并帮助人们了解造成地震的地球物理过程。
“我们应该寻找隐藏的地震，因为它们提供了地震学家研究地震序列演化的大部分可用信息。大地震的周期很长，每次地震之间的周期跨度在几百年到几千年之间。而小地震形成的详细时空模式可以告诉我们关于地震物理学的新信息。”Ross在接受《中国科学报》采访时说。
近日，《科学》刊登了Ross团队及合作者发布的南加州迄今为止最全面的地震统计数据。数据显示，在2008年至2017年间南加州出现超过180万次地震，比原先南加州地震网（SCSN）记载的地震次数多了10倍，这里每天会发生约495次地震，大约每174秒发生1次。
小到找不着
在地震规模与频率间存在着众所周知的经验关系，即地震级数下降1个单位，地震发生频率会增加近10倍。然而，编目低级数地震颇为困难，因为其地震信号和近乎同时发生的交叠地震能量常常与背景噪音难以区分。例如，这些地震非常小，可能与来自汽车交通或建筑施工的震动相混淆。
“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，它们很难被发现。”Ross同样十分无奈。
为了克服低信噪比的问题，研究小组采用了一种被称为“模板匹配”的算法搜寻南加州的隐匿地震，因为该算法能从连续地震数据流中梳理出隐微的地震波形。
具体而言，在这种技术中，稍微大一点、更容易识别的地震被用作模板，以说明给定位置的地震信号通常应该是什么样的。当找到一个可能与之匹配的波形时，研究人员就会扫描附近地震仪的记录，看看地震信号是否在其他地方被记录下来，并得到独立的验证。
研究人员表示，模板匹配在地震检波器间隔较近的地区效果最好，因为地震事件通常只与半径在1至2英里范围内的其他地震相互关联。此外，由于该研究是计算密集型的，所以过去一直受限于数据集过小。
牵一发动全身
研究人员使用了SCSN 2008~2017年期间收集的连续地震数据。虽然，SCSN的站点成员随着时间的推移而变化，但是总共有513个站点在某个时间点被使用。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了滤波，且数据集被组织成24小时连续的文件，所有间隙都用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，以便扫描目录，探测新的地震并验证他们的发现。
该研究合作者、加州理工学院地球物理学家Egill Hauksson说，这是值得努力的。“沿着一条断层的地震活动，会影响其周围的断层和晃动，而这幅新近绘制出来的南加州地震活动图，将让我们对其如何运作有新的认识。”
扩展的地震目录揭示了以前未被发现的大地震的前震以及地震群的演化。更丰富的数据集将使科学家更清楚地了解地震如何影响和通过该地区。
“我们发现了160多万次新地震，从这些事件中，我们可以更好地了解地表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，并更好地弄清地震序列如何开始。”Ross说。
“Ross和同事的成果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，让我们能够看到数以百万计之前从未见过的地震，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。
风险图景
不过，记录这些小型地震可能不会对地震预测有所帮助。“我们无法推测该研究是否能提高地震的可预测性。”Ross告诉《中国科学报》。
但2016年刊登于《科学》的一项日本地震活动研究提出，密集小地震或为大地震前兆。
在俯冲到一块大陆下方的海底的许多地方都会发生小型地震，例如美国太平洋西北海域。研究人员表示，这些小地震会定期发生，并且这些事件可以被视为一次更大型地震的前兆。
《中国科学报》曾报道，日本东北大学地震学家Naoki Uchida团队使用了覆盖该国大部分地区的地震仪提供的数据，分析了1984年至2011年间6126次震级为2.5或者更大的成群出现的地震。这些重复的地震往往发生在两个地壳板块相遇的地质断层上。它们表明，地壳板块正在彼此缓慢地越过对方，这一几乎不知不觉的运动被称为慢滑。通常情况下，慢滑过后一场更大的地震便会发生。
此外，2018年年底，非营利组织“全球地震模型”发布了3幅全球地震图，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，描绘了地球上最容易发生地震的地区、建筑物可能被地震破坏的地区，以及全球暴露地图。
“全球地震模型”风险协调员Vitor Silva表示，地球上2/3的建筑最终只分布在15个国家，了解哪里的建筑物比较脆弱可以帮助地方官员决定在哪里分配资源从而加强建设。
回到南加州，上世纪30年代，加州理工学院的Charles Francis Richter和Beno Gutenberg提出了地震强度等级划分规则——“里氏震级”，并把地震学发展成为一门国际性学科。
现在，Ross正沿着同事铺就的道路继续前进：“未来，我们将着眼于使用这个新目录更好地了解地震物理的更多细节。”
相关论文信息：DOI:10.1126/science.aaw6888
DOI:10.1126/science.aad3108
《中国科学报》 (2019-04-22 第3版 国际)
原文链接：地震能否“见微知著”—新闻—科学网
