探索地球顫動的奧秘

想象一下，如果地球是一個巨大的生物，那么地震就像是它的一次打嗝或是身體的一次抖動。這聽起來似乎有點滑稽，但地震其實就是地球在告訴我們它是“活”的，它有自己的呼吸和脈動。地球的板塊相互擠壓、拉扯，就像我們緊握或拉扯一塊巨大的橡皮泥，最終這些力量釋放，地球便會震動，這就是地震。讓我們一起穿越到地球內部，揭開地震背后的秘密，探索讓大地顫抖的奇妙力量。

文/苗晶良 王國強

苗晶良，中國科協創新戰略研究院助理研究員。

王國強，中國科協創新戰略研究院研究員。

根據史書《竹書紀年》的記載，人類歷史上最早記錄的地震發生于公元前23世紀堯舜時代，距今已經有4000多年的歷史。那時沒有高科技設備，古人對地震的理解充滿了神秘色彩。他們認為，地震是神靈在發怒或是自然界在傳遞某種神秘的信息。在古希臘，人們相信是海洋之神波塞冬在憤怒時用三叉戟敲擊大地，引發了地震。在日本，傳說中有一條巨大的鯰魚，它背負著整個島國，每當它動一動，大地就會震顫。在印度的故事里，地球由一只大海龜背負著，而地震就是大海龜調整身體姿勢時引起的。美洲的瑪雅人則認為，地球由一對巨大的鱷魚托舉著，它們不時的移動造成了地震。

海洋之神波塞冬在憤怒時用三叉戟敲擊大地

隨著科學技術突飛猛進的發展，人類不再依賴傳說來解釋地震，而是發明出各種高科技儀器來監測和研究地震。人類用科學的眼光觀察地震，分析地震，逐漸揭開了地震背后的科學奧秘。

揭開地震的神秘面紗

那么，地震到底是怎么引發的？地球不僅僅是我們腳下堅實的土地，它還是一個充滿活力、不斷變化的生態系統。地球由多層不同的材料組成，最外層是地殼，它并不是連續的一整塊，而是由許多不同的板塊組成。這些板塊不是靜止的，它們以每年幾厘米的速度移動，有時相互遠離，有時相互靠近，有時甚至相互擦過。當這些板塊碰撞、擠壓或滑過彼此時，它們的邊緣會積累巨大的能量。就像用手緊緊按住一塊海綿，然后突然放開，海綿會迅速膨脹，釋放出所有被壓縮的空氣，地震的發生也是一個類似的過程。當板塊之間的壓力增大到一定程度，無法再保持穩定時，這些板塊會突然移動，釋放出累積的能量，這種能量的釋放就會導致地震。因此，地震主要發生在板塊之間，如洋脊、海溝、裂谷、板塊擠壓出的山脈等構造活動帶。

目前，全球主要有三大地震帶。其中最主要的是環太平洋地震帶，世界上約80%的大型地震發生于此。這一地震帶因太平洋板塊及其周圍多個小板塊的移動和相互作用而特別活躍，不僅地震頻發，而且火山活動也非常頻繁。其次是歐亞地震帶。該帶從歐洲地中海經希臘、土耳其、中國的西藏延伸到太平洋及阿爾卑斯山，也稱地中海-喜馬拉雅地震帶，全球約15%的大型地震發生于此。這個地震帶經過的區域人口密集，地震發生時往往造成重大的人員和財產損失。最后是海嶺地震帶，分布在太平洋、大西洋、印度洋中的海嶺（海底山脈）。這里的地殼板塊正在分離，形成新的地殼物質。雖然這個地震帶的大部分位于水下，遠離人類居住區，但如冰島這樣直接位于大西洋中脊上方的地區還是會經歷十分劇烈的地震活動。

地震的發生往往突發性強，而且破壞性大，會帶來慘重的傷亡和巨大的經濟損失，所造成的社會影響也比其他自然災害更為廣泛、強烈。一次地震持續的時間往往只有幾十秒，然而，就是在這么短的時間里，一次強震就可以摧毀一座城市，威力之大堪比一次大規模核打擊。例如，汶川地震釋放出的能量相當于幾百顆原子彈的威力。國際上廣泛使用里氏震級來描述地震的強度。它是由美國地震學家查爾斯·里克特于1935年提出的，因此得名里氏震級。里氏震級是通過測量地震波在標準距離（約100千米）上的最大振幅來計算的。震級每增加1個單位，振幅增加10倍，釋放的能量大約增加31.6倍。這是一個對數尺度，意味著地震釋放的能量與震級成指數關系。例如，里氏震級5級的地震釋放的能量是4級的31.6倍。值得注意的是，原始的里氏震級量表主要適用于測量美國加利福尼亞州小至中等規模地震的大小。對于大型地震或非加利福尼亞州地區的地震，現代地震學通常使用更全面的矩震級來表示地震的大小，因為它能更準確地反映地震釋放的總能量。因此，雖然里氏震級仍被廣泛提及，但在科學和工程領域矩震級是更常用的量度標準。

地震前通常沒有明顯的預兆，以至于來不及逃避，很容易造成大規模的災難。除此之外，地震引發的破壞并非地面的震動那么簡單。除了直接造成的損失外，地震還會引發一系列后續的次生災害，這些災害有時甚至比地震本身造成的損害更為嚴重。通常情況下，這些次生或間接的災害造成的經濟損失高于直接損失。例如，巨大的滑坡就是一種典型的次生災害，其他還包括火災、水災、泥石流等。而且，這些次生災害不僅限于自然現象，還可能引發如瘟疫等公共衛生危機。因此，世界各國非常重視提高社會的整體抗震減災能力，其中地震監測就是一個十分重要的手段。

從候風地動儀到全球地震監測網絡

地震儀是檢測記錄地震波的儀器，由地震檢波器（或稱地震計）和采集器以及供電系統組成。其內部配有傳感器，可以將地震波轉化為電信號后輸出在屏幕或者紙上。地震儀設計之初是為了探測自然地震的發生，隨著技術的迭代升級，現在地震儀的用途已經大大擴展，它還被廣泛用于石油勘探、地殼探查研究，以及監測火山噴發等其他方面。

古代的地震儀中，最為人們熟知的是學生時期課本中描述的“候風地動儀”，它是中國東漢時期的天文學家張衡在公元132年設計制造的，最初記載于《后漢書·張衡傳》。這篇文獻關于候風地動儀的描述僅196字。現在看到的候風地動儀的模型其實都是后人根據古籍復原的，不過，不同學者對它的復原方案還存在一些爭議。候風地動儀是由精銅制成的古代儀器，其直徑大約為8尺，按照漢代的尺寸換算，相當于現在的1.8~1.9米，外觀酷似一個酒樽。這個地動儀內部結構非常精密，主要由位于中心的都柱和圍繞其周圍的八組復雜的牙機裝置組成。地動儀的候風擺位于這些牙機裝置之一的旁邊，當候風擺移動到觸發點時，就會激活牙機裝置，這個過程被描述為“施關發機”，意指機械被啟動。地動儀的外圍裝飾著8個龍頭，每個龍頭都含著一個小銅球，下方則是張開口的蟾蜍雕像。一旦檢測到地震，都柱內的候風擺會微微搖動，觸發相應的機械裝置，導致相應的龍頭張開口，小銅球隨即落入蟾蜍的嘴里。通過這種方式，人們可以確定地震發生的時間和方向。這套機制靈敏度極高，能在地震波初到時立即反應，顯示出古人的巧思和智慧。候風地動儀這項古代發明因此被認為是人類最早監測地震的裝置。

候風地動儀復原模型

（圖片來源：香港大學）

現代地震儀的早期歷史可以追溯到19世紀，這是地震科學（或稱地震學）作為一門學科開始形成的時期。在這個時期，科學家開始設計和構建第一批能夠記錄地震活動的儀器。19世紀中葉，歐洲和美國的科學家開始設計可以測量地面微小運動的儀器。1855年，意大利物理學家路易吉·帕爾米耶里設計了一個復雜的機械裝置，它包括一個裝滿水銀的U型管和一套導電系統，還連接有時鐘和記錄裝置。這個設計的目的是在地震發生時，利用水銀的運動來記錄下地震的發生時間、相對強度以及持續時間。雖然帕爾米耶里的這個發明并不是現代地震儀的直接原型，但它的設計思路促使后來地震儀開始走上獲取更精確記錄的道路，而不僅僅是檢測地震的存在。這標志著地震監測技術從簡單的震動感知進化到了復雜的地震數據記錄和分析。隨后的一個多世紀，隨著數字電子技術和計算機技術的不斷革新，地震監測儀器也在快速發展迭代。

目前，世界已形成全球地震監測網絡。全球地震監測網計劃是20世紀90年代由美國國家科學基金會發起的，由135個放置在世界各地的地震監測器構成。這些監測器能實時記錄地震，然后將數據傳送到人造衛星，人造衛星再將數據轉發到數據中心，或者經過網絡直接傳輸到數據中心。集中分析這些數據有助于總結地震前表現的趨勢和模式。同時，它還支持基于地理信息系統及其相關活動進行的數據和信息交流的國際網絡系統。這個網絡的建立使科學家能夠實時監測全球的地震活動，及時分析相關數據，迅速確定地震的位置、規模和潛在影響。這對啟動緊急響應機制、警告可能受影響地區的人員撤離非常關鍵。

對地震的“跨時空占卜”

地震預測一直是地球科學研究中最具挑戰性的領域之一。盡管科學家已經取得了理解地震的重大進展，但準確預測地震的時間、地點和強度的能力依然有限。目前的地震預測主要依賴于統計學方法和對歷史地震數據的分析。通過長期的觀測和研究，科學家可以評估特定地區未來發生地震的可能性，并可能識別出某些地區大地震發生的周期性模式。

在地震預測的過程中，科學家會研究地震前兆現象，這些現象可能包括地應力、地下流體、氫同位素、電磁以及電離層等多方面的異常變化。這些異常變化可以通過各種方法捕捉和分析，如地應力觀測法、全球定位系統觀測法和電磁法等。這些異常特征的捕捉和分析是地震預測的關鍵，如果異常特征表現為劇烈和持續的變化，則可能預示著有較大的地震發生。

然而，地震的生成是一個復雜的地質過程，受到多種因素的影響，這些因素的相互作用難以用現有的科學模型完全解釋。加之，地震前兆并非總是明顯或一致的，有時大地震發生前并沒有明顯的前兆，這使預測工作更加艱巨。因此，雖然科學家努力通過各種技術捕捉地震前的異常信號，但目前仍無法準確預測地震的具體時間和地點。地震預測的一個關鍵難點在于如何區分真正的地震前兆和其他非地震相關的異常現象。這項任務充滿挑戰，但對減少地震造成的損害和提高社會的應對能力至關重要。

盡管地震預測充滿挑戰，但科學家并未放棄努力，他們正在采取多種方法來提高地震預測的準確性。一方面，科學家正在不斷提高地震監測技術。這包括提升地震儀的靈敏度，讓我們能夠捕捉到更微小的地震波動，以及擴大全球地震監測網絡的覆蓋范圍，使我們能夠在更廣泛的區域內監測到地震活動。這樣的技術進步意味著我們可以收集到更多更精確的數據，為地震預測提供支持。另一方面，科學家正致力于構建更復雜和精確的地震模型。這些模型試圖模擬地殼板塊的運動和地震能量的積累過程。通過結合地質學、物理學和數學等領域的知識，這些模型將更深入地解析地震的成因和過程。例如，通過模擬板塊邊緣的應力積累和釋放，科學家可以更好地預測哪些區域最有可能發生地震，以及這些地震可能的強度。

這些進步雖然不能讓我們準確預測每一次地震，但它們增加了我們對地震風險的了解，有助于我們更好地應對潛在的地震災害。希望通過不斷的研究和技術創新，未來我們能夠更有效地預測地震，減少地震帶來的損失和影響。

人工智能會顛覆地震預測技術嗎

近年來，人工智能在地震預測和監測領域的應用正在引起廣泛的關注，并顯示出極大的潛力。最近的研究表明，人工智能技術在提高地震預測的準確性方面取得了顯著進展。例如，研究人員正在使用機器學習來分析地殼變形數據，這些數據在地震發生前的幾小時內顯示出沿斷層的加速變形，類似于緩慢地震的過程。盡管我們目前無法準確測量這些前兆以進行準確預測，但這種方法可能揭示了一些以前被認為是噪聲的重要信號。另一項研究來自美國加利福尼亞大學圣克魯斯分校和德國慕尼黑技術大學的研究團隊，他們開發了一個名為RECAST的深度學習模型，該模型在預測地震余震方面優于傳統方法，特別是在處理大型數據集時。這項技術的成功展示了利用深度學習進行地震預測的巨大潛力。

目前，基于人工智能的地震預測研究在實踐中已經取得巨大進展。美國得克薩斯大學奧斯汀分校的研究人員開發了一個人工智能算法，該算法在我國進行的為期7個月的試驗中正確預測了70%的地震。研究人員相信，在美國、意大利、日本等擁有強大地震跟蹤網絡的地方，人工智能可以提高地震預測的成功率，并將預測范圍縮小到幾十千米以內。因此，人工智能正在逐步顛覆傳統的地震預測技術，提供新的工具和方法來增強我們的地震預測能力。盡管仍存在挑戰，但人工智能的應用顯示出在地震預測和監測方面的巨大潛力，未來可能會大大改善我們對地震風險的管理和響應。

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2025年《科學畫報》