探索地球颤动的奥秘

想象一下，如果地球是一个巨大的生物，那么地震就像是它的一次打嗝或是身体的一次抖动。这听起来似乎有点滑稽，但地震其实就是地球在告诉我们它是“活”的，它有自己的呼吸和脉动。地球的板块相互挤压、拉扯，就像我们紧握或拉扯一块巨大的橡皮泥，最终这些力量释放，地球便会震动，这就是地震。让我们一起穿越到地球内部，揭开地震背后的秘密，探索让大地颤抖的奇妙力量。

文/苗晶良 王国强

苗晶良，中国科协创新战略研究院助理研究员。

王国强，中国科协创新战略研究院研究员。

根据史书《竹书纪年》的记载，人类历史上最早记录的地震发生于公元前23世纪尧舜时代，距今已经有4000多年的历史。那时没有高科技设备，古人对地震的理解充满了神秘色彩。他们认为，地震是神灵在发怒或是自然界在传递某种神秘的信息。在古希腊，人们相信是海洋之神波塞冬在愤怒时用三叉戟敲击大地，引发了地震。在日本，传说中有一条巨大的鲶鱼，它背负着整个岛国，每当它动一动，大地就会震颤。在印度的故事里，地球由一只大海龟背负着，而地震就是大海龟调整身体姿势时引起的。美洲的玛雅人则认为，地球由一对巨大的鳄鱼托举着，它们不时的移动造成了地震。

海洋之神波塞冬在愤怒时用三叉戟敲击大地

随着科学技术突飞猛进的发展，人类不再依赖传说来解释地震，而是发明出各种高科技仪器来监测和研究地震。人类用科学的眼光观察地震，分析地震，逐渐揭开了地震背后的科学奥秘。

揭开地震的神秘面纱

那么，地震到底是怎么引发的？地球不仅仅是我们脚下坚实的土地，它还是一个充满活力、不断变化的生态系统。地球由多层不同的材料组成，最外层是地壳，它并不是连续的一整块，而是由许多不同的板块组成。这些板块不是静止的，它们以每年几厘米的速度移动，有时相互远离，有时相互靠近，有时甚至相互擦过。当这些板块碰撞、挤压或滑过彼此时，它们的边缘会积累巨大的能量。就像用手紧紧按住一块海绵，然后突然放开，海绵会迅速膨胀，释放出所有被压缩的空气，地震的发生也是一个类似的过程。当板块之间的压力增大到一定程度，无法再保持稳定时，这些板块会突然移动，释放出累积的能量，这种能量的释放就会导致地震。因此，地震主要发生在板块之间，如洋脊、海沟、裂谷、板块挤压出的山脉等构造活动带。

目前，全球主要有三大地震带。其中最主要的是环太平洋地震带，世界上约80%的大型地震发生于此。这一地震带因太平洋板块及其周围多个小板块的移动和相互作用而特别活跃，不仅地震频发，而且火山活动也非常频繁。其次是欧亚地震带。该带从欧洲地中海经希腊、土耳其、中国的西藏延伸到太平洋及阿尔卑斯山，也称地中海-喜马拉雅地震带，全球约15%的大型地震发生于此。这个地震带经过的区域人口密集，地震发生时往往造成重大的人员和财产损失。最后是海岭地震带，分布在太平洋、大西洋、印度洋中的海岭（海底山脉）。这里的地壳板块正在分离，形成新的地壳物质。虽然这个地震带的大部分位于水下，远离人类居住区，但如冰岛这样直接位于大西洋中脊上方的地区还是会经历十分剧烈的地震活动。

地震的发生往往突发性强，而且破坏性大，会带来惨重的伤亡和巨大的经济损失，所造成的社会影响也比其他自然灾害更为广泛、强烈。一次地震持续的时间往往只有几十秒，然而，就是在这么短的时间里，一次强震就可以摧毁一座城市，威力之大堪比一次大规模核打击。例如，汶川地震释放出的能量相当于几百颗原子弹的威力。国际上广泛使用里氏震级来描述地震的强度。它是由美国地震学家查尔斯·里克特于1935年提出的，因此得名里氏震级。里氏震级是通过测量地震波在标准距离（约100千米）上的最大振幅来计算的。震级每增加1个单位，振幅增加10倍，释放的能量大约增加31.6倍。这是一个对数尺度，意味着地震释放的能量与震级成指数关系。例如，里氏震级5级的地震释放的能量是4级的31.6倍。值得注意的是，原始的里氏震级量表主要适用于测量美国加利福尼亚州小至中等规模地震的大小。对于大型地震或非加利福尼亚州地区的地震，现代地震学通常使用更全面的矩震级来表示地震的大小，因为它能更准确地反映地震释放的总能量。因此，虽然里氏震级仍被广泛提及，但在科学和工程领域矩震级是更常用的量度标准。

地震前通常没有明显的预兆，以至于来不及逃避，很容易造成大规模的灾难。除此之外，地震引发的破坏并非地面的震动那么简单。除了直接造成的损失外，地震还会引发一系列后续的次生灾害，这些灾害有时甚至比地震本身造成的损害更为严重。通常情况下，这些次生或间接的灾害造成的经济损失高于直接损失。例如，巨大的滑坡就是一种典型的次生灾害，其他还包括火灾、水灾、泥石流等。而且，这些次生灾害不仅限于自然现象，还可能引发如瘟疫等公共卫生危机。因此，世界各国非常重视提高社会的整体抗震减灾能力，其中地震监测就是一个十分重要的手段。

从候风地动仪到全球地震监测网络

地震仪是检测记录地震波的仪器，由地震检波器（或称地震计）和采集器以及供电系统组成。其内部配有传感器，可以将地震波转化为电信号后输出在屏幕或者纸上。地震仪设计之初是为了探测自然地震的发生，随着技术的迭代升级，现在地震仪的用途已经大大扩展，它还被广泛用于石油勘探、地壳探查研究，以及监测火山喷发等其他方面。

古代的地震仪中，最为人们熟知的是学生时期课本中描述的“候风地动仪”，它是中国东汉时期的天文学家张衡在公元132年设计制造的，最初记载于《后汉书·张衡传》。这篇文献关于候风地动仪的描述仅196字。现在看到的候风地动仪的模型其实都是后人根据古籍复原的，不过，不同学者对它的复原方案还存在一些争议。候风地动仪是由精铜制成的古代仪器，其直径大约为8尺，按照汉代的尺寸换算，相当于现在的1.8~1.9米，外观酷似一个酒樽。这个地动仪内部结构非常精密，主要由位于中心的都柱和围绕其周围的八组复杂的牙机装置组成。地动仪的候风摆位于这些牙机装置之一的旁边，当候风摆移动到触发点时，就会激活牙机装置，这个过程被描述为“施关发机”，意指机械被启动。地动仪的外围装饰着8个龙头，每个龙头都含着一个小铜球，下方则是张开口的蟾蜍雕像。一旦检测到地震，都柱内的候风摆会微微摇动，触发相应的机械装置，导致相应的龙头张开口，小铜球随即落入蟾蜍的嘴里。通过这种方式，人们可以确定地震发生的时间和方向。这套机制灵敏度极高，能在地震波初到时立即反应，显示出古人的巧思和智慧。候风地动仪这项古代发明因此被认为是人类最早监测地震的装置。

候风地动仪复原模型

（图片来源：香港大学）

现代地震仪的早期历史可以追溯到19世纪，这是地震科学（或称地震学）作为一门学科开始形成的时期。在这个时期，科学家开始设计和构建第一批能够记录地震活动的仪器。19世纪中叶，欧洲和美国的科学家开始设计可以测量地面微小运动的仪器。1855年，意大利物理学家路易吉·帕尔米耶里设计了一个复杂的机械装置，它包括一个装满水银的U型管和一套导电系统，还连接有时钟和记录装置。这个设计的目的是在地震发生时，利用水银的运动来记录下地震的发生时间、相对强度以及持续时间。虽然帕尔米耶里的这个发明并不是现代地震仪的直接原型，但它的设计思路促使后来地震仪开始走上获取更精确记录的道路，而不仅仅是检测地震的存在。这标志着地震监测技术从简单的震动感知进化到了复杂的地震数据记录和分析。随后的一个多世纪，随着数字电子技术和计算机技术的不断革新，地震监测仪器也在快速发展迭代。

目前，世界已形成全球地震监测网络。全球地震监测网计划是20世纪90年代由美国国家科学基金会发起的，由135个放置在世界各地的地震监测器构成。这些监测器能实时记录地震，然后将数据传送到人造卫星，人造卫星再将数据转发到数据中心，或者经过网络直接传输到数据中心。集中分析这些数据有助于总结地震前表现的趋势和模式。同时，它还支持基于地理信息系统及其相关活动进行的数据和信息交流的国际网络系统。这个网络的建立使科学家能够实时监测全球的地震活动，及时分析相关数据，迅速确定地震的位置、规模和潜在影响。这对启动紧急响应机制、警告可能受影响地区的人员撤离非常关键。

对地震的“跨时空占卜”

地震预测一直是地球科学研究中最具挑战性的领域之一。尽管科学家已经取得了理解地震的重大进展，但准确预测地震的时间、地点和强度的能力依然有限。目前的地震预测主要依赖于统计学方法和对历史地震数据的分析。通过长期的观测和研究，科学家可以评估特定地区未来发生地震的可能性，并可能识别出某些地区大地震发生的周期性模式。

在地震预测的过程中，科学家会研究地震前兆现象，这些现象可能包括地应力、地下流体、氢同位素、电磁以及电离层等多方面的异常变化。这些异常变化可以通过各种方法捕捉和分析，如地应力观测法、全球定位系统观测法和电磁法等。这些异常特征的捕捉和分析是地震预测的关键，如果异常特征表现为剧烈和持续的变化，则可能预示着有较大的地震发生。

然而，地震的生成是一个复杂的地质过程，受到多种因素的影响，这些因素的相互作用难以用现有的科学模型完全解释。加之，地震前兆并非总是明显或一致的，有时大地震发生前并没有明显的前兆，这使预测工作更加艰巨。因此，虽然科学家努力通过各种技术捕捉地震前的异常信号，但目前仍无法准确预测地震的具体时间和地点。地震预测的一个关键难点在于如何区分真正的地震前兆和其他非地震相关的异常现象。这项任务充满挑战，但对减少地震造成的损害和提高社会的应对能力至关重要。

尽管地震预测充满挑战，但科学家并未放弃努力，他们正在采取多种方法来提高地震预测的准确性。一方面，科学家正在不断提高地震监测技术。这包括提升地震仪的灵敏度，让我们能够捕捉到更微小的地震波动，以及扩大全球地震监测网络的覆盖范围，使我们能够在更广泛的区域内监测到地震活动。这样的技术进步意味着我们可以收集到更多更精确的数据，为地震预测提供支持。另一方面，科学家正致力于构建更复杂和精确的地震模型。这些模型试图模拟地壳板块的运动和地震能量的积累过程。通过结合地质学、物理学和数学等领域的知识，这些模型将更深入地解析地震的成因和过程。例如，通过模拟板块边缘的应力积累和释放，科学家可以更好地预测哪些区域最有可能发生地震，以及这些地震可能的强度。

这些进步虽然不能让我们准确预测每一次地震，但它们增加了我们对地震风险的了解，有助于我们更好地应对潜在的地震灾害。希望通过不断的研究和技术创新，未来我们能够更有效地预测地震，减少地震带来的损失和影响。

人工智能会颠覆地震预测技术吗

近年来，人工智能在地震预测和监测领域的应用正在引起广泛的关注，并显示出极大的潜力。最近的研究表明，人工智能技术在提高地震预测的准确性方面取得了显著进展。例如，研究人员正在使用机器学习来分析地壳变形数据，这些数据在地震发生前的几小时内显示出沿断层的加速变形，类似于缓慢地震的过程。尽管我们目前无法准确测量这些前兆以进行准确预测，但这种方法可能揭示了一些以前被认为是噪声的重要信号。另一项研究来自美国加利福尼亚大学圣克鲁斯分校和德国慕尼黑技术大学的研究团队，他们开发了一个名为RECAST的深度学习模型，该模型在预测地震余震方面优于传统方法，特别是在处理大型数据集时。这项技术的成功展示了利用深度学习进行地震预测的巨大潜力。

目前，基于人工智能的地震预测研究在实践中已经取得巨大进展。美国得克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员开发了一个人工智能算法，该算法在我国进行的为期7个月的试验中正确预测了70%的地震。研究人员相信，在美国、意大利、日本等拥有强大地震跟踪网络的地方，人工智能可以提高地震预测的成功率，并将预测范围缩小到几十千米以内。因此，人工智能正在逐步颠覆传统的地震预测技术，提供新的工具和方法来增强我们的地震预测能力。尽管仍存在挑战，但人工智能的应用显示出在地震预测和监测方面的巨大潜力，未来可能会大大改善我们对地震风险的管理和响应。

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2025年《科学画报》