美国阿拉斯加地区发生7.0级地震。尽管并非所有地震都如此强烈，但全球每天都有地震活动。根据美国地质调查局（USGS）的统计，全球平均每天约发生55次地震，每年总计约20,000次。其中，里氏震级8.0级及以上的地震大约每年发生一次，7.0级至7.9级的地震则约有15次。里氏震级是衡量地震所释放能量的重要指标。例如，仅2025年，俄罗斯堪察加半岛附近发生的8.8级地震，就被列入有记录以来全球最强的十次地震之一。
地震不仅造成人员伤亡、基础设施损毁和经济活动中断，还可能对受灾民众带来长期的心理创伤。随着越来越多的人口居住在地震活跃区域，地震造成的经济损失也日益加剧。根据美国地质调查局（USGS）与联邦应急管理局（FEMA）于2023年联合发布的报告，地震每年给美国造成的经济损失估计高达约147亿美元。
若能提前了解特定地区发生大地震的可能时间及其影响，将极大地有助于防灾减灾、减轻损失。然而，目前人类尚无法准确预测地震的发生。不过，通过深入研究地下地质结构，我们可以更好地评估地震风险。斯蒂文斯理工学院数学科学系助理教授凯瑟琳·斯梅塔纳（Kathrin Smetana）指出：“地下可能由多层固体岩石构成，也可能包含沙土或粘土等不同物质。”她解释说，地震波在不同介质中的传播特性各异，这会直接影响地表震动的情况。
为更精确地揭示地下地质构造，科学家常采用一种称为“全波形反演”的地震成像技术。该技术通过模拟人工地震，在计算机中重建地震波在地下的传播过程，并与实际地震仪记录的数据进行比对。经过多次迭代优化，使模拟数据逐步逼近实际观测数据，从而逐步完善对地下结构的认知。
斯梅塔纳教授进一步阐释：“通过反复比较模拟数据与真实地震数据，我们能够逐步推断地下构造的形态，进而分析不同地质成分对地震响应的影响——这最终有助于评估特定区域的地震风险。”
尽管全波形反演对地震监测与预测工具的研发至关重要，但该技术需运行数以万计的模拟，涉及数百万个输入参数，计算资源消耗巨大、耗时长。斯梅塔纳表示：“利用现有技术，即使在强大的计算集群上，完成一次模拟也可能需要数小时。若要实现实时监测，其成本高昂，甚至难以实现。”
为攻克这一难题，斯梅塔纳与荷兰乌得勒支大学地球科学系的计算地震学家里斯·霍金斯（Rhys Hawkins）、让诺·特拉姆佩特（Jeannot Trampert），以及特温特大学应用数学系的马蒂亚斯·施洛特博姆（Matthias Schlottbom）和穆罕默德·哈姆扎·哈立德（Muhammad Hamza Khalid）组成跨学科团队，共同研发出一套高效简化的新型模型，能够大幅提升地震波模拟的速度。
“我们通过创新方法，将所需求解的系统规模缩减了约千倍，”斯梅塔纳介绍道，“这是一个高度跨学科的合作项目，我们在保持预测精度的同时，巧妙构建了这一简约模型。跨学科合作让我受益匪浅，尤其在此项目中，它促使我们从全新视角审视问题，最终催生出更具创造性与新颖性的解决方案。”该团队的研究成果以《地震应用中的模型降阶》为题，于2025年9月17日发表在《SIAM科学计算期刊》上。
尽管该模型尚不能预测地震发生的具体时间，但可为评估地震发生概率提供重要支撑。“若能精确掌握地下结构，我们就能更准确地评估未来地震的风险。”斯梅塔纳强调。
该模型的潜在应用还包括海啸模拟。当海底发生地震时，可能引发海啸。根据震中位置的不同，海啸抵达陆地的时间可能至少有一小时，这为应急模拟与预警提供了宝贵的时间窗口。
获取真实可靠的地下结构图像，将显著提升地震风险评估的准确性。“目前地震预测仍无法实现，”斯梅塔纳总结道，“但我们的工作能以更低的计算成本生成高保真地下结构图像，使模型更具实用价值，从而帮助人类更好地应对地震灾害。”
关于斯蒂文斯理工学院
斯蒂文斯理工学院成立于1870年，坐落于新泽西州霍博肯市，是一所享誉全球的顶尖私立研究型大学。自建校以来，技术创新始终贯穿于其教育体系与研究实践中。大学下设三院一系，拥有超过8,000名本科生与研究生。师生在跨学科、以学生为中心、鼓励创新创业的学术环境中紧密协作，共同推进科学前沿。涵盖商学、计算机、工程、艺术等多领域的学术与研究项目，致力于运用科技手段应对全球性重大挑战。该校在职业服务、毕业生薪资水平及学费投资回报率等方面长期位居全美前列。
