面對(duì)46億歲的地球，人類利用儀器系統(tǒng)測(cè)定地震僅有一百多年的時(shí)間，而作為歷史悠久的國(guó)家，不間斷的文字記錄讓我們了解到更多的地震。通過(guò)戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的《竹書(shū)紀(jì)年》，最早的地震可以追溯到發(fā)生在公元前1831年的泰山震，通過(guò)《明史》可以感受到華縣地震的超強(qiáng)破壞力。我國(guó)自漢代起設(shè)立災(zāi)異專志，明代方志普及后地震記錄顯著增加。這些散亂分布在正史、稗史、詩(shī)、文集、碑文、地方志等8000余種文獻(xiàn)里的地震記錄是重要的研究資料。于是新中國(guó)成立初期，中國(guó)地震工作委員會(huì)就開(kāi)始通過(guò)這些文獻(xiàn)，系統(tǒng)梳理歷史地震，形成了自公元前1831年至1955年的歷史地震記錄序列，編纂成《中國(guó)地震資料年表》和《中國(guó)地震目錄》，成為全世界歷史跨度最長(zhǎng)、史料內(nèi)容最豐富的地震資料。

那么，我國(guó)歷史上有多少M(fèi)s6.0級(jí)以上的大地震呢？

融合地震儀器記錄和中國(guó)歷史地震目錄，公元前1831年至2021年間，共記錄到Ms6.0級(jí)以上地震約1300次，且絕大部分為淺源地震。這些歷史上發(fā)生過(guò)大地震的地方還會(huì)再次發(fā)生大地震嗎？

事實(shí)上，歷史上發(fā)生過(guò)破壞性大地震的區(qū)域，一直在重復(fù)發(fā)生著一些小的地震事件，得益于現(xiàn)代地震監(jiān)測(cè)能力的提升，這些非常多的小震數(shù)據(jù)得以完整保存。這些小震波形數(shù)據(jù)包含震源破裂過(guò)程、地下傳播介質(zhì)和場(chǎng)地響應(yīng)特征等復(fù)雜信息，是基于經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)法合成大地震震動(dòng)的重要基礎(chǔ)。地震學(xué)家Irikura等指出，利用小震波形模擬大震強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)，是預(yù)測(cè)強(qiáng)震動(dòng)最有效的方法之一。但該方法也有應(yīng)用瓶頸：要推算歷史大地震在某處的破壞強(qiáng)度，必須先獲得該處的小震記錄。然而，我國(guó)仍有大量區(qū)域缺乏必要的小震數(shù)據(jù)，限制了該方法在全國(guó)范圍的推廣。

而當(dāng)AI時(shí)代到來(lái)，AI技術(shù)是否可以解決這個(gè)應(yīng)用瓶頸呢？

隨著AI的快速發(fā)展和地震數(shù)據(jù)的大規(guī)模積累，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在地震學(xué)中的應(yīng)用日益廣泛，其強(qiáng)大的特征提取和模式識(shí)別能力為震相拾取、震級(jí)測(cè)定、信號(hào)去噪等任務(wù)提供了新手段。通過(guò)利用AI技術(shù)“理解”和模擬地震發(fā)生和傳播的物理規(guī)律，構(gòu)建一個(gè)能夠融合物理機(jī)制的深度學(xué)習(xí)模型（圖1），再利用已有小震數(shù)據(jù)庫(kù)的海量真實(shí)小震波形對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練。將訓(xùn)練好的模型應(yīng)用在缺失地震波形數(shù)據(jù)記錄的區(qū)域，可生成符合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)特征的小地震波形。為了確保生成的波形符合地震學(xué)基本規(guī)律和需求，需引入震相、震級(jí)定標(biāo)律和衰減關(guān)系作為物理約束，再用經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)法檢驗(yàn)其是否真實(shí)。這種“物理引導(dǎo)+數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”的范式，能夠用AI方法補(bǔ)齊缺失的小震波形，可以解決觀測(cè)空白區(qū)的小震格林函數(shù)缺失問(wèn)題。有了這種“生成式”小震數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步推算和擬合歷史大地震，為歷史地震的定量反演提供全新途徑，也可為未來(lái)抗震設(shè)防、滑坡評(píng)估等防災(zāi)減災(zāi)問(wèn)題提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。

圖1 人工智能技術(shù)與大數(shù)據(jù)、工程應(yīng)用。A：人工智能技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在地震學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域；B：小震格林函數(shù)庫(kù)中M2.0-4.9級(jí)地震的震中分布；C:高質(zhì)量數(shù)據(jù)集及生成式小震波形重點(diǎn)關(guān)注的標(biāo)記參數(shù)；D：服務(wù)建筑物抗震設(shè)計(jì)、地震誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害機(jī)理分析及區(qū)域防震減災(zāi)等。

這項(xiàng)技術(shù)并非紙上談兵，利用豐富的現(xiàn)代小震記錄，中國(guó)地震局地球物理研究所科研團(tuán)隊(duì)依托建成的全國(guó)小震格林函數(shù)庫(kù)，成功“復(fù)原”到了那些只存在于史書(shū)記載中的大地震。比如，學(xué)者們回溯了1850年西昌7.5級(jí)地震，以及造成重大傷亡的1970年通海7.8級(jí)地震和1976年平武7.2級(jí)地震。繼而，他們把目光投向了更遙遠(yuǎn)的1556年陜西華縣地震——這場(chǎng)明朝時(shí)期的大災(zāi)難。通過(guò)研究，他們不僅重現(xiàn)了這些歷史巨震在當(dāng)今地震臺(tái)站位置上的震動(dòng)情況，更重要的是，在那些關(guān)鍵的點(diǎn)位上，他們大致復(fù)現(xiàn)了它們當(dāng)年的“破壞力特征”：比如哪里晃得最厲害，哪種頻率的震動(dòng)對(duì)特定建筑威脅最大。這相當(dāng)于讓現(xiàn)代的高精度儀器，去“穿越”并記錄了古代的地震，讓人們對(duì)歷史災(zāi)難的認(rèn)知從模糊的文字描述，變成了精確的科學(xué)數(shù)據(jù)，為該地地震設(shè)防等工作提供依據(jù)。AI生成式格林函數(shù)的助力，將使更多沒(méi)有地震臺(tái)站的地區(qū)也能應(yīng)用本技術(shù)，從而更全面地還原歷史地震。目前，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)具備了還原這1300次左右歷史強(qiáng)烈地震所需的基本數(shù)據(jù)條件和技術(shù)手段。

圖2 利用小震波形“復(fù)現(xiàn)”大震波形的原理示意動(dòng)圖

未來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)有望服務(wù)于全國(guó)地震風(fēng)險(xiǎn)普查、重大工程場(chǎng)地安全性評(píng)價(jià)、歷史文化遺產(chǎn)抗震保護(hù)等領(lǐng)域，甚至可為其他缺乏歷史記錄的國(guó)家和地區(qū)提供借鑒，推動(dòng)全球歷史地震研究的數(shù)字化與智能化進(jìn)程。

防震減災(zāi)融媒體工作室

指導(dǎo)：中國(guó)地震局公共服務(wù)司（法規(guī)司）

來(lái)源： 中國(guó)地震局地球物理研究所 李宗超 張貝 楊家英 王紅強(qiáng)