作者:李木子 来源:中国科学报 发布时间:2022/5/17 16:08:39
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重力信号可以光速探测地震

 

世界上最大的构造板块在日本海岸附近震动两分钟后,日本气象厅向大约5000万居民发出了最后警告:8.1级地震引发的海啸正向海岸逼近。但直到海浪到达数小时后,专家们才估算出2011年3月11日日本东北地震的真实规模。最终,它的震级达到了9级,造成至少1.8万人死亡,其中一些地区甚至从未收到过警报。

现在,科学家找到了一种更加快速获得准确数据的方法,即使用计算机算法来识别从断层中以光速发射的引力波的尾迹。

“这是一种识别大地震的全新方法。”未参与此项研究的加州大学伯克利分校的地震学家Richard Allen说,“如果我们实施这个算法,就会更有信心确定这是否为一场真正的大地震,可以更早地在更大的范围内发出警报。”

科学家通常利用地震仪等设备,通过监测地面振动或地震波来探测地震。但地震仪提供的预警量取决于地震与其之间的距离,以及传播速度低于每秒6公里的地震波的速度。日本、墨西哥和加利福尼亚的地震网络提供几秒甚至几分钟的预警,这种方法在相对较小的地震中效果良好。“但超过7级以上,地震波就会使地震仪饱和,这使得最具破坏性的地震,如日本东北地震,难以识别。”Allen说。

最近,参与寻找引力波(由大质量物体运动在时空中产生的涟漪)的研究人员意识到,这些以光速传播的重力信号也可以用来监测地震。“这个想法是,一旦质量移动到任何地方,引力场就会发生变化,而且所有东西都能感觉到它。”佛罗里达大学致力于激光干涉仪引力波天文台研究的物理学家Bernard Whiting说,“令人惊讶的是,即使在地震仪中也会出现这种信号。”

果然,在2016年,Whiting和同事报告说,常规地震仪可以探测到这些重力信号。地震导致质量的巨大变化;这些位移会产生引力效应,使现有的引力场和地震仪下的地面变形。通过测量两者之间的差异,科学家得出结论,他们可以创建一种新的地震预警系统。重力信号在第一次地震波到达之前就会出现在地震仪上,这部分信号通常被忽略。Whiting说,通过将来自几十个地震仪的信号相互叠加,科学家可以识别模式来解释大型事件的规模和位置。

现在,蔚蓝海岸大学的博士后Andrea Licciardi和同事建立了一种机器学习算法来进行模式识别。他们对模型进行了数十万次模拟地震的训练,然后在日本东北地区的真实数据集上进行测试。研究人员在《自然》报道称,该模型在大约50秒内准确预测了地震的震级——比其他最先进的早期预警系统更快。

重力信号太弱,无法用现有技术探测8.3级以下的地震,该系统不太可能在地震仪覆盖的地震区提供更多的预警。但艾伦说,它可以提供更可靠的大地震规模估计,这对预测海啸尤其重要,因为海啸通常需要额外10或15分钟才能到达。这篇论文的合著者、蔚蓝海岸大学地震学家Jean-Paul Ampuero说,有了这项技术,日本的地震学家就可以准确地确定震级,并在“地震开始后1到2分钟”发出适当的警报。

但这项技术目前尚未投入使用,因为它还没有对数据进行实时处理。该模型将在日本部署,但仅适用于可能产生“大地震”的特定断层带产生的地震。Licciardi说,该算法需要单独训练,以便在不同地区使用,研究人员目前正在秘鲁和智利的地震台网中进行训练。

“我们有了第一代算法……这是一个巨大的进步。”Allen,“现在让我们去看看它是否真的有效。”

相关论文信息:https://www.nature.com/articles/s41586-022-04672-7

 
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