跟蹤前沿科技，提高地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)水平

譚凱

我國(guó)位于環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，受太平洋板塊、印度板塊和菲律賓海板塊的擠壓，地震斷裂帶十分活躍，這些年頻頻發(fā)生地震災(zāi)害。如今每年的5月12日，人們總會(huì)想起讓人痛心的“汶川大地震”，進(jìn)而想起更早之前的“唐山大地震”。災(zāi)難無(wú)情，生命脆弱，對(duì)那些逝去生命的緬懷總鞭策著很多有志之士不斷研究如何減輕地震災(zāi)害造成的影響。

“地震學(xué)研究是了解地震發(fā)生成因，減輕地震災(zāi)害的重要手段。相比于20世紀(jì)，地震學(xué)已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的進(jìn)步。”中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所研究員、地震預(yù)測(cè)新技術(shù)研究室副主任周連慶說(shuō)。而他所在的地震預(yù)測(cè)新技術(shù)研究室的主要職責(zé)就是跟蹤地震學(xué)前沿科技，引進(jìn)、消化和吸收地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)新技術(shù)。

周連慶多年來(lái)扎根地震成像、誘發(fā)地震和人工智能地震學(xué)研究，開(kāi)展了一系列探索。

體會(huì)科技創(chuàng)新的艱辛

與許多科學(xué)家不同，周連慶一開(kāi)始并不是從事學(xué)術(shù)研究的。由于喜歡理科，他考入了安慶師范學(xué)院的物理教育專業(yè)，畢業(yè)后在浙江的一所高中任物理老師。

“兩年的教學(xué)經(jīng)歷讓我成長(zhǎng)了很多?！敝苓B慶說(shuō)，雖然和學(xué)生的相處非常愉快，但是也讓他明白一個(gè)道理：人生是一個(gè)不斷學(xué)習(xí)的過(guò)程，應(yīng)該不斷提升自己，學(xué)習(xí)前沿科技才能更好地發(fā)揮自己的價(jià)值，為社會(huì)作出更大的貢獻(xiàn)。因此，周連慶選擇考研，各種機(jī)緣巧合和努力之下，他被中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所錄取。碩士畢業(yè)后，周連慶又順利考上了中國(guó)地震局地球物理研究所讀博，成為陳運(yùn)泰院士和陳章立研究員的學(xué)生。

周連慶在攻讀碩士和博士學(xué)位期間，大多數(shù)時(shí)間是在陳章立的指導(dǎo)下進(jìn)行科研學(xué)習(xí)，因此受他的影響很深。陳章立在數(shù)字地震學(xué)領(lǐng)域有很深的造詣，周連慶就將數(shù)字地震學(xué)作為自己的主攻方向。

“陳老師除了和我探討論文的研究方向外，還對(duì)我的畢業(yè)論文和大部分文章都進(jìn)行了仔細(xì)修改，對(duì)我要參加的各種答辯試講都進(jìn)行了把關(guān)與指導(dǎo)?！敝苓B慶說(shuō)，每次看到陳章立密密麻麻修改過(guò)的論文，心里滿是敬佩與羞愧。

正是在老師們的悉心指導(dǎo)下，周連慶的科研能力得到了大幅提升，為日后解決科研中的難題奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2011年，周連慶赴美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校進(jìn)行了一年的博士聯(lián)培學(xué)習(xí)。當(dāng)時(shí)地震學(xué)中最前沿的領(lǐng)域之一當(dāng)屬利用地震背景噪聲進(jìn)行面波成像研究。周連慶在美國(guó)的這一年，主要研究的就是背景噪聲面波衰減成像的難題。

面波衰減研究的難點(diǎn)在于地震背景噪聲源的復(fù)雜性。研究早期，周連慶和導(dǎo)師宋曉東教授在方法和應(yīng)用上解決了其中存在的難點(diǎn)，然而，研究結(jié)果和預(yù)期結(jié)果卻存在一定的差異。周連慶到處尋找原因，不斷測(cè)試代碼和程序，大概花了幾個(gè)月的時(shí)間，才終于找到問(wèn)題所在：原來(lái)是在寫(xiě)程序時(shí)搞錯(cuò)了一個(gè)符號(hào)。

在這項(xiàng)研究中，周連慶提出了一種從背景噪聲中提取地震波衰減的新方法，可以推動(dòng)背景噪聲技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。此外，他還第一個(gè)利用密集分布的現(xiàn)代化寬頻帶地震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)反演了中國(guó)大陸瑞利面波衰減結(jié)構(gòu)，這是目前已發(fā)表的中國(guó)大陸最高分辨率的面波衰減結(jié)構(gòu)模型。但直到今天，這項(xiàng)研究的最重要結(jié)果——基于背景噪聲的中國(guó)大陸衰減結(jié)構(gòu)圖像依然沒(méi)有發(fā)表。

“其中的艱辛只有自己才能明白。”周連慶說(shuō)，通過(guò)這項(xiàng)探索研究，他深刻體會(huì)到科技創(chuàng)新一定要耐得住寂寞，十年磨一劍，終有守得云開(kāi)見(jiàn)月明的時(shí)刻。

研究成果發(fā)揮重要作用

考研可以說(shuō)是周連慶從教書(shū)到做科研的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。也是從那時(shí)開(kāi)始，周連慶就一直在進(jìn)行地震波衰減成像的研究，到現(xiàn)已經(jīng)有16年了?！耙婚_(kāi)始是研究Lg波衰減成像，然后是體波衰減成像，后來(lái)就是噪聲面波衰減成像。從地方震尺度到區(qū)域尺度再到中國(guó)大陸這樣的大尺度結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了研究?！敝苓B慶說(shuō)，地震波衰減是了解地球介質(zhì)非彈性的重要參數(shù)，可以通過(guò)衰減結(jié)構(gòu)圖像推斷地下介質(zhì)的溫度，也可以了解地下流體的分布，通過(guò)衰減結(jié)構(gòu)的不均勻性還可以勾畫(huà)斷層結(jié)構(gòu)。

功夫不負(fù)有心人，周連慶多年的研究最終也得到了實(shí)際的應(yīng)用。2009年，廣西龍灘水庫(kù)開(kāi)始蓄水，蓄水之后發(fā)生了很多地震，包括多次4級(jí)以上地震。為什么會(huì)這樣？“我們知道，水庫(kù)誘發(fā)地震的一個(gè)重要成因是流體的滲透和擴(kuò)散，可是怎樣確定流體的滲透與擴(kuò)散范圍？”周連慶為研究相關(guān)問(wèn)題將地震波衰減成像研究應(yīng)用在水庫(kù)區(qū)來(lái)推斷庫(kù)水的滲透和擴(kuò)散。事實(shí)證明，這一創(chuàng)新性研究是成功的。

周連慶利用地震波衰減對(duì)于流體的分布非常敏感的特性，在國(guó)際上首次通過(guò)對(duì)水庫(kù)區(qū)三維體波衰減成像，發(fā)現(xiàn)流體的滲透深度與擴(kuò)散范圍。通過(guò)龍灘庫(kù)區(qū)三維衰減成像，推斷龍灘庫(kù)水滲透到地下7km左右，橫向擴(kuò)散范圍10km左右。這一研究成為判定水庫(kù)誘發(fā)地震的重要依據(jù)。因?yàn)檫@一貢獻(xiàn)，周連慶的研究獲得了2013年國(guó)際埃尼獎(jiǎng)（ENI）的提名。

2017年的時(shí)候，有一件事讓周連慶非常興奮。那是中國(guó)科技大學(xué)的張捷教授來(lái)到地震預(yù)測(cè)研究所作報(bào)告，內(nèi)容是關(guān)于機(jī)器學(xué)習(xí)在地震學(xué)中的應(yīng)用。這正和周連慶預(yù)想的一樣：人工智能技術(shù)的應(yīng)用正在給地震學(xué)帶來(lái)革命性影響。

由于觀點(diǎn)不謀而合，周連慶很快就和張捷合作開(kāi)展了人工智能實(shí)時(shí)地震監(jiān)測(cè)研究與應(yīng)用。周連慶作為地震預(yù)測(cè)現(xiàn)代化試點(diǎn)專項(xiàng)“人工智能地震監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)完善與應(yīng)用”的核心骨干，主持了中國(guó)地震局“人工智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完善與業(yè)務(wù)化應(yīng)用評(píng)估”項(xiàng)目，他和課題組的研究員趙翠萍聯(lián)合張捷開(kāi)發(fā)了世界上首個(gè)人工智能實(shí)時(shí)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)——“中國(guó)地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)基于人工智能的地震監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)”，即“智能地動(dòng)”系統(tǒng)。這一系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)秒級(jí)地震定位，震后2分鐘內(nèi)快速產(chǎn)出震源機(jī)制解。震源機(jī)制解是地震學(xué)的重要參數(shù)，傳統(tǒng)的震源機(jī)制解計(jì)算需要在震后20分鐘才能產(chǎn)出，而且通常只能產(chǎn)出4級(jí)以上的地震震源機(jī)制解?！爸悄艿貏?dòng)”系統(tǒng)可以在平均2分鐘左右得到3級(jí)以上地震的震源機(jī)制，在2021年漾濞6.4級(jí)地震、瀘縣6.0地震等多次震情研判中都發(fā)揮了重要作用。成果于2020年3月被《人民日?qǐng)?bào)》等50多家媒體報(bào)道，被評(píng)為中國(guó)地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)亮點(diǎn)成果。

“目前，‘智能地動(dòng)系統(tǒng)正在四川和云南省進(jìn)行示范應(yīng)用，未來(lái)隨著系統(tǒng)功能的優(yōu)化完善，我們可能在更多省局進(jìn)行測(cè)試?！敝苓B慶說(shuō)。

帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)繼續(xù)攻堅(jiān)克難

工作多年后，周連慶也有了一支屬于自己的科研團(tuán)隊(duì)。與自己的課題相結(jié)合，周連慶今后的一個(gè)目標(biāo)是帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)推動(dòng)人工智能在地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)中的應(yīng)用。作為國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“基于大數(shù)據(jù)和人工智能的地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)技術(shù)研究”項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人和課題負(fù)責(zé)人，周連慶目前正在開(kāi)展大數(shù)據(jù)和人工智能地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)新技術(shù)、新方法的研究和應(yīng)用，致力于在創(chuàng)新實(shí)踐中推動(dòng)我國(guó)地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)領(lǐng)域的人工智能技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用，依托人工智能先進(jìn)技術(shù)提升我國(guó)地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)效果，推動(dòng)我國(guó)人工智能在地震方面的實(shí)用化應(yīng)用處于國(guó)際前沿地位，支撐我國(guó)地震科技創(chuàng)新高地建設(shè)。

近年來(lái)，周連慶還參與了中國(guó)地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，負(fù)責(zé)水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的建設(shè)，將在白鶴灘庫(kù)區(qū)建設(shè)水庫(kù)地震密集觀測(cè)系統(tǒng)。未來(lái)，周連慶的另一個(gè)目標(biāo)就是帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)綜合利用基于人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)白鶴灘水庫(kù)誘發(fā)地震智能監(jiān)測(cè)，建成智能地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和水庫(kù)地震震情研判與演示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)地震數(shù)據(jù)智能處理、震情快速研判，降低水庫(kù)誘發(fā)地震風(fēng)險(xiǎn)，深入理解水庫(kù)誘發(fā)地震機(jī)理，開(kāi)發(fā)水庫(kù)誘發(fā)地震智能預(yù)測(cè)技術(shù)，進(jìn)而探索水庫(kù)誘發(fā)地震的控制，服務(wù)我國(guó)水電能源安全開(kāi)發(fā)。

“雖然團(tuán)隊(duì)規(guī)模還不大，但團(tuán)隊(duì)成員每人都有自己的特長(zhǎng)，團(tuán)結(jié)協(xié)作、配合默契?！敝苓B慶說(shuō)，他相信自己的團(tuán)隊(duì)，將來(lái)一定能攻克一些更為困難的科研任務(wù)。

（責(zé)編：張聞）