为什么地质学家没有预测到地震来临？ | 我们是否能够预测地震？

在土耳其东南部和叙利亚北部摇摇欲坠的建筑物中，正在上演的悲剧凸显了地震是如何出人意料地袭击。科学家们正在寻找方法来发现这些最不可预测的自然灾害的早期预警迹象。

这场地震是突然发生的，没有任何警告。袭击土耳其东南部和叙利亚北部的两次破坏性地震夺走了数千人的生命，并使更多人受伤或失去住所。地震发生在2月6日凌晨，当第一次7.8级的地震将他们的房屋撞倒在地时，大多数受害者本应在屋内睡觉。

当第一次地震产生的地震波在全球范围内回荡时，敏感的仪器上突然出现了活动的闪光，这是符号学家们认为一场重大灾难正在展开的第一个迹象。几个小时后，又发生了第二次7.5级的大地震。

这两次地震相对较浅，意味着晃动的强度特别大。随着该地区的余震不断，美国地质调查局的专家警告说，那些幸存下来的人，以及现在涌向该地区提供帮助的救援人员，面临着山体滑坡和地面液化的重大风险。

但是，当世界竞相向土耳其和叙利亚边境两侧被摧毁的社区提供援助时，一些人在想，为什么我们没有看到这一幕。

发生地震的东安纳托利亚断层系统是构造上的 "三叉路口 "的一部分，这里有三个构造板块--安纳托利亚、阿拉伯和非洲板块--相互磨擦。自1970年以来，该地区只发生过三次6级或更大的地震，许多地质学家认为该地区 "早就该发生大地震了"。

那么，为什么他们不能预测呢？

事实上，预测地震的科学是非常、非常困难的。虽然在事件发生后，往往可以在地震数据中检测到一些微小的信号，但知道要寻找什么，并在事前利用这些信号进行预测，则要困难得多。

"当我们在实验室模拟地震时，我们可以看到所有这些小故障的发生--有一些裂缝和一些缺陷首先出现，"意大利罗马萨皮恩扎大学和美国宾夕法尼亚州立大学的地球科学教授克里斯-马龙说。"但在自然界中，有很多不确定因素，为什么我们经常看不到前震或将要发生大地震的迹象。"

至少从20世纪60年代起，地质学家就一直在尝试使用现代科学方法来预测地震，但却收效甚微。马龙说，这其中的大部分原因是纵横交错的断层系统的复杂性。还有大量的地震噪音--地球一直在咕噜咕噜地响着，再加上交通、建筑工程和日常生活的人为噪音，使得人们很难挑出清晰的信号。

根据美国地质调查局的说法，要产生一个真正有用的地震预测需要三件事--地震将在哪里发生，何时发生以及事件将有多大。他们说，到目前为止，没有人能够确切地做到这一点。

相反，地质学家在 "危险地图 "中提出了他们最好的猜测，他们计算了在几年的时间范围内发生地震的概率。虽然这些可以帮助进行某种程度的规划，例如在风险最大的地区提高建筑标准，但它并没有提供向公众提供早期预警所需的预测水平，使他们能够疏散或避难。而且，不是每个生活在地震区的人都能负担得起承受大量震动所需的基础设施。

"在土耳其和叙利亚，有很多因素意味着建筑物处于一种准备煎熬和失败的状态，"马龙说。"在西方世界的很多地方，都有在20世纪70年代和80年代实施的抗震加固规范。但是建造和改造建筑物的成本很高"。(阅读关于日本的摩天大楼是如何在地震中生存的）。

因此，科学家们反而一直在寻找使地震预测更加准确的方法。除了地震信号之外，研究人员还在各种各样的地方寻找线索--从动物的行为到地球上层大气的电干扰。

中国的科学家们一直在寻找地震发生前几天地球电离层中带电粒子的涟漪。

然而，最近，人们对人工智能探测人类错过的那种微妙信号的能力越来越兴奋。机器学习算法可以分析过去地震的大量数据，寻找可能用于预测未来事件的模式。

"马龙说："这种基于机器学习的预测已经产生了很大的兴趣。他和他的同事们在过去五年里一直在开发能够在实验室中检测模拟地震断层故障的算法。使用拳头大小的花岗岩块，他们可以重现断层上可能发生的应力积累和摩擦，积累压力直到断层滑动，产生他们所谓的 "实验室地震"。

"弹性波穿过断层，因为它一点一点地断裂，"Marone说。"我们可以根据这些弹性特性的变化和来自断层区本身的前震的噪音来预测实验室中的故障何时发生。我们很想把这个移植到地球上，但是我们还没有达到这个目的。"

将人工智能的这种预测能力转移到现实世界断层区的更大、更复杂的环境中，是更具挑战性的。

"有几个案例，人们在地震发生后的预测中想出了办法，这表明这可能是可行的，"马龙说。"但目前还没有一个大的突破。"

例如，中国的科学家们一直在寻找地球电离层中带电粒子的涟漪，这些粒子在地震发生前的几天由断层区上方的磁场变化引起。例如，由北京地震预测研究所的刘静领导的一个小组说，它可以看到2010年4月初加州巴哈市地震发生前10天，震中上方大气电子的干扰。

另一个设在以色列的小组最近声称，通过检查电离层中电子含量在过去20年中的变化，能够使用机器学习提前48小时预测大型地震，准确率为83%。

中国显然对电离层中的这些线索寄予了希望。2018年，中国发射了中国地震电磁卫星（CSES），以监测地球电离层的电异常。去年，位于北京的中国地震台网中心的科学家声称，在2021年5月和2022年1月袭击中国大陆的地震发生前15天，发现电离层中的电子密度下降了。

"在中国地震台网中心工作的研究人员之一李梅说："岩石圈和上面的两层--也就是大气层和电离层之间可以发生能量转移。但她说，这种情况如何发生的机制仍有争议。她警告说，即使有了卫星数据，他们的发现离能够预测即将发生的地震仍有一段距离。

"我们不能明确即将发生的事件的正确位置，"研究人员在一篇关于他们的发现的论文中说。李还指出了另一个复杂的问题--大地震会在远离震中的地方引起电离层的变化，这使得确认精确位置变得很困难。

"她说："电离层异常可以出现在地震震中周围，也可以出现在另一个半球的磁共轭点，这给我们确认即将发生的事件的位置带来了更多困难。

其他研究人员把希望寄托在不同的信号上。在日本，一些人声称能够利用地震带上方水蒸气的变化来进行预测。测试表明这些预测有70%的准确性，尽管他们只能说地震可能在下个月的某个时间点发生。其他人一直在尝试利用地震前可能发生的地球重力的微小涟漪。

但是，尽管所有这些说法，没有人能够在地震发生之前成功地预测地震发生的地点和时间。

"我们只是没有基础设施来做我们需要的那种监测，"Morone说。"谁会拿出1亿美元（8300万英镑）来安装一套我们在实验室里用来监测断层的那种地震仪？我们知道如何预测实验室地震，但我们不知道的是，它们是否真的能转移到真实世界的复杂断层上。例如，东安纳托利亚断层位于世界的一个复杂地区--不是一个简单的断层平面，而是一堆东西聚集在一起"。

而且，即使有能力做出更好的预测，仍然存在着如何处理这些信息的问题。在准确性提高之前，如果出现错误，疏散整个城市或要求人们远离有风险的建筑物，可能会造成很大的损失。但是，马龙从气象预报的世界中寻找到了一些迹象，表明如果数据得到改善可能会发生什么。

"马龙说："他们已经提前对大的天气事件进行了一些准确预测。这使政府机构能够准备对飓风等事件的应急反应，并向公众发出警告，以帮助他们保持安全。马龙说，能够为地震做类似的事情仍然需要几年时间。"我们目前还没有接近这一点。"

人工智能可能发挥更直接作用的一个领域是在地震后立即发生的事件。东北大学和中国人民大学的研究人员一直在开发工具，利用人工智能从卫星图像中对自然灾害造成的损害进行分类，以便政府和救援队能够被派往最需要的地方。它使用算法来评估建筑物的损坏情况，并确定哪些结构已被完全摧毁或有潜在危险。

人们还希望，机器学习算法可以通过帮助更好地预测大地震后的余震，帮助保护救援人员和地震幸存者的安全。这些余震可能会造成巨大的风险，因为它们会使最初的地震留下的不稳定的建筑物移位，造成进一步的破坏。

例如，哈佛大学的研究人员一直在部署深度学习--一种机器学习的形式--来研究余震的模式，希望可以预测它们。

"我们对大事件发生后的情况以及余震发生的原因有了非常好的了解，"马龙说。"但它仍然不完整。作为一个科学社会，我们已经能够更好地了解较小的冲击是否可能导致更大的冲击，但总是存在不确定性。

"你不需要非常了解地震和余震，就能意识到在土耳其发生的事情是一个非常不寻常的情况，你有两个非常大的地震彼此接近。第二次地震是由第一次地震引发的，但这是两次大的主震。"