2025年12月6日，阿拉斯加發生里氏7.0級強烈地震。不過，如此規模的地震會引起人們的注意。但地震發生的頻率比許多人意識到的要高。美國地質調查局 (USGS) 估計全世界每天大約發生 55 次地震。這個數字每年增加到約 20,000 個。通常情況下，每年都會發生一次 8.0 級或以上的地震，而大約 15 次地震屬於里氏 7 級地震，該地震用於測量釋放的能量。據美國地質調查局稱，僅 2025 年，俄羅斯堪察加半島附近發生的 8.8 級近海地震就躋身有記錄以來十大最強地震之列。
地震可能導致死亡。摧毀建築物和道路會破壞經濟並給受影響的人留下情感創傷。他們的財務影響力也在增加。美國地質勘探局和聯邦緊急事務管理局 (FEMA) 2023 年的一份報告發現，目前地震損失每年給美國造成的損失估計為 147 億美元。一個重要原因是許多人生活在地震多發地區。
能夠預測大地震發生的時間和地點將大大提高準備工作並減少危險。儘管進行了數十年的研究，但科學家們仍然無法準確可靠地預測地震。
了解我們腳下的土地
儘管時間仍然不可預測，但了解地球表面以下的情況可以極大地改善風險評估。史蒂文斯數學系助理教授凱瑟琳·斯美塔納 (Kathrin Smetana) 解釋說，地下物質差異很大。 “你可能有一層堅硬的岩石。或者可能有沙子或粘土，”她說，因為地震波通過不同材料的方式不同。因此，地下類型對錶面振動的感覺有很大影響。
科學家如何模擬地下
為了繪製這些地下層的地圖，研究人員使用了一種稱為全波形反演的方法。這種地震成像技術通過將模擬與真實地震數據相結合，有助於重建地下結構。科學家使用計算機創造了第一次地震。並跟踪地震波如何穿過地球。然後，他們分析地震儀位置的模擬波形，並將其與真實地震儀進行比較。它是實際地震地面運動的圖形記錄。經過多輪調整，模擬數據開始接近真實觀察結果。這可以更清晰地了解地下狀況。
在實踐中，研究人員首先對給定區域的土壤表層進行初步評估。他們迭代地修改這個模型。並每次都使用新的模擬。直至與實際地震測量一致
“你可以將計算機模擬的數據與從地震中獲得的真實數據進行比較，”斯美塔納說。 “這可以幫助您了解地下的情況。以及地震對地下成分的影響。最終，它將有助於確定特定位置發生地震的風險。”
這種方法在改進地震監測和風險評估工具方面發揮著重要作用。然而，它有一個主要缺點。每個模擬可以包含數百萬個變量，並且必須重複數千次。斯美塔納表示，使用傳統方法進行一次模擬可能需要幾個小時。即使在先進的計算集群中，使用足夠的模擬來支持連續監控也會過於昂貴且耗時。
模擬地震的更快方法
為了克服這一障礙，斯美塔納與烏得勒支大學的計算地震學家 Rhys Hawkins 和 Jeannot Trampert，以及荷蘭特文特大學的 Matthias Schlottbom 和 Muhammad Hamza Khalid 合作。他們共同開發了一個有效的模型，顯著減少了計算負擔。同時保持準確性。
“基本上，我們將需要修改的系統大小減少了大約 1,000 倍，”Smetana 說。 “這是一個非常跨學科的項目。我們找到了一種聰明的方法來創建縮小模型，同時保持預測的準確性。我真的很喜歡跨學科合作。尤其是這個，因為你學會用新的視角看待事物。在我看來，這最終將有助於在跨學科團隊中找到解決問題的創造性和創新性方法。”
他們的研究在發表於《地震應用的模型階數降低》的論文中有詳細介紹。 暹羅計算機科學雜誌–
改進風險評估這不是預測。
新模型無法預測地震何時發生。相反，它提供了一種更有效的方法來評估不同地點的地震風險。 “如果獲得良好的地下圖像，您將更好地了解如何評估未來地震的風險，”斯美塔納解釋道。
相同的建模方法最終可以幫助科學家模擬海底地震引起的海嘯。在許多情況下，海嘯在地震後至少需要一個小時才能到達海岸。這取決於裂紋發生的位置。這樣的時間框架可以讓研究人員快速模擬情況來報告緊急情況。
增強地震恢復能力
準確的地下圖像是了解地震如何影響不同地區的關鍵。 “目前還沒有辦法預測地震，”斯美塔納說，“但我們的工作可以幫助用更少的計算能力創建真實的地下視圖。這將使我們的模型更加實用，並幫助我們更好地抵禦地震。”
