美國(guó)科學(xué)家將地震波轉(zhuǎn)換為音頻來(lái)研究地震特征＊

美國(guó)科學(xué)家將地震波轉(zhuǎn)換為音頻來(lái)研究地震特征＊

對(duì)于一個(gè)地震學(xué)家而言，有一點(diǎn)非常重要，即能否將災(zāi)難性地震的信息有效地傳達(dá)給那些可能不懂地震學(xué)術(shù)語(yǔ)和方法的人們。到目前為止，最常用的方法是以類似于“快照”的靜態(tài)圖來(lái)表達(dá)地震數(shù)據(jù)。單憑這些靜態(tài)圖像，難以區(qū)分地震所產(chǎn)生震波的基本特征，如縱波、橫波、表面波等。其他一些更為深?yuàn)W的內(nèi)容，如頻率、衰減、地震觸發(fā)現(xiàn)象等，則更加難以解釋。對(duì)于普通大眾，例如沒(méi)有提前接受過(guò)基礎(chǔ)地震學(xué)教育的高中生而言，更是如此。近來(lái)，動(dòng)畫(huà)和可視化技術(shù)被越來(lái)越多地用于表達(dá)地震信息和地震波在地球中的傳播過(guò)程。但是，這些動(dòng)畫(huà)并沒(méi)有利用人們?cè)诼?tīng)力方面的能力，比如依據(jù)聲音對(duì)振幅、頻率等的感知?，F(xiàn)在，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的科學(xué)家們?cè)谶@方面進(jìn)行了嘗試。

2011年發(fā)生在日本的9.0級(jí)Tohoku－Oki地震是自1900年以來(lái)全球第四大的強(qiáng)震[1]。由于該地區(qū)部署了成千上萬(wàn)的地震儀，所以Tohoku-Oki地震擁有目前為止最完好的地震記錄，而且日本愿意與世界各地分享他們的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

足夠多的信息能夠讓科學(xué)家們以獨(dú)特的方式分享他們的監(jiān)測(cè)結(jié)果。如今，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）地球與大氣科學(xué)領(lǐng)域的副教授Zhigang Peng已經(jīng)將地震波轉(zhuǎn)換成了聲音文件[2]，如此一來(lái)，當(dāng)?shù)卣鸩ù┻^(guò)地球并在世界各地傳播時(shí)，該研究成果能讓專家和普通大眾“聽(tīng)到”地震的運(yùn)動(dòng)。

Peng等的研究[2]表明，通過(guò)整合地震的視覺(jué)信息與聽(tīng)覺(jué)信息，能夠使地震數(shù)據(jù)變得有“生命”，并使其走進(jìn)人們的生活。他的研究結(jié)果刊登在美國(guó)地震學(xué)會(huì)《地震研究通

訊》（Seismological Research Letters，SRL）3月／4月版。當(dāng)人們看到地震頻率變化的同時(shí)，能夠聽(tīng)到音調(diào)和振幅的變化，他們可以將其描述為與地震信號(hào)相關(guān)的自己所熟悉的聲音，如雷聲、爆米花的爆裂音及煙花爆竹的聲音等。

不同的聲音可以幫助人們理解地震序列的不同方面，包括主震及臨近的余震。例如，對(duì)于日本福島（核反應(yīng)堆所在處）和東京之間的海岸線附近發(fā)生的地震，最初的爆炸聲來(lái)自9.0級(jí)地震的主震，當(dāng)?shù)厍虬鍓K滑動(dòng)數(shù)十米到新的位置時(shí)，余震發(fā)生，所以緊隨主震的聲音之后余震發(fā)出“砰”的爆破聲。

地震波穿過(guò)地球時(shí)，也會(huì)觸發(fā)數(shù)千英里外的新地震。例如，來(lái)自美國(guó)加州的測(cè)量結(jié)果顯示，2011年的日本9.0級(jí)地震在圣安德烈斯斷層深處引發(fā)了細(xì)微的運(yùn)動(dòng)。最初的爆裂聲，其聽(tīng)起來(lái)像遠(yuǎn)處的雷聲，這與日本主震相對(duì)應(yīng)。此后，連續(xù)高音調(diào)的聲音，類似于降雨時(shí)（下雨和雨停）的聲音，其表現(xiàn)為在斷層處引起的震顫活動(dòng)。該震動(dòng)場(chǎng)景不僅可以幫助科學(xué)家向公眾解釋遠(yuǎn)程觸發(fā)的地震概念，而且還為研究人員提供了一個(gè)有用的工具，可以更好地識(shí)別和了解其他地區(qū)的此類地震信號(hào)。

人耳能夠聽(tīng)到的地震信號(hào)（由地震儀記錄）的最大聲音頻率范圍在20～20 000 Hz之間。在音頻播放操作方面，Peng和Aiken（研究生）及美國(guó)和日本的合作者[2]播放了該數(shù)據(jù)，播放的速度比實(shí)際速度更快一些，這樣可以使頻率提高至人類的聽(tīng)力范圍內(nèi)。

圖1 2011年Tohoku－Oki MW 9.0地震的主震記錄。（a）北向分量加速度震動(dòng)圖；（b）20 Hz高通濾波圖；（c）北向分量震動(dòng)圖的聲譜圖（快于實(shí)際速度50倍播放）

該項(xiàng)研究得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）和美國(guó)地震學(xué)研究聯(lián)合會(huì)（IRIS）的資助。在美國(guó)地震學(xué)會(huì)（SSA）2011年年會(huì)上，研究人員展示了相關(guān)研究成果。地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為音頻的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程借助MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)，研究人員開(kāi)發(fā)了一個(gè)MATLAB腳本，稱作“sac2wav.m”，通過(guò)它可以將SAC（Seismic Analysis Code，加州大學(xué)Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的一款專門用于處理和研究時(shí)間序列信號(hào)，主要是地震信號(hào)的通用軟件）格式的地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為波形格式。

（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家科學(xué)圖書(shū)館蘭州分館／中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)信息中心 楊景寧 編譯；趙紀(jì)東 校）

（譯者電子信箱，楊景寧：zhaojd＠llas.ac.cn）

參考資料

[1]Maderer J.Listening to the 9.0－magnitude Japanese earthquake：Seismic waves converted to audio to study quake＇s traits.March 6，2012.http：∥www.cos.gatech.edu／news／Listening－to－the－9.0－Magnitude－Japanese－Earthquake

[2]Peng Z，Aiken C，Kilb D，et al.Listening to the 2011magnitude 9.0 Tohoku－Oki，Japan，earthquake.Edu Quakes，March／April，2012.http：∥www.seismosoc.org／publications／SRL／SRL＿83／srl＿83－2＿eq／

P315.63；

A；

10.3969／j.issn.0235-4975.2012.09.003

2012-06-16。