QQ在线
企业微信
资讯
545
快速（sù）自动化揭示地震震源信息对地震预警有直接（jiē）作（zuò）用（yòng），也可为震后（hòu）趋势判定（dìng）、烈度速报、地震（zhèn）应急救（jiù）援（yuán）等（děng）提供科（kē）学依据。但是，从地震记录推算地震震源机制是个耗时的计算过程。因此，目前（qián）世界各地（dì）地震监测台网在速（sù）报（bào）信息里只有发震时刻、震级、地（dì）点和（hé）震源深（shēn）度等内容，不包括描（miáo）述（shù）地（dì）震破裂特征的震源机制解参数。
日前（qián），美国国家（jiā）工程院院（yuàn）士、中（zhōng）国科学技（jì）术大（dà）学地空学院大师讲席教授张捷课题组发表在《自然—通讯》的（de）一篇论文显示（shì），利用深度学（xué）习算法，人工（gōng）智能系统可在收（shōu）到地震记录后不（bú）到1秒时间（jiān）内，准确估算出（chū）震（zhèn）源机制解参数（shù）。
重要的震（zhèn）源机制（zhì）解
2004年（nián）12月26日8时58分55秒（miǎo），一场（chǎng）震（zhèn）惊世界的重大灾难突然降临。
印（yìn）度（dù）洋板块与亚洲（zhōu）板块交界处，发（fā）生了里氏9.3级地震。地震又引发了强烈（liè）海啸，滔天巨浪席卷了（le）包括印（yìn）度尼西亚、斯里兰卡、马（mǎ）尔代夫等国，造（zào）成（chéng）了巨大的人员（yuán）伤亡和（hé）财（cái）产（chǎn）损失。
“印度（dù）洋大（dà）地震发生时正值（zhí）圣诞假期，许（xǔ）多国家的（de）地震（zhèn）专业人（rén）员（yuán）都在度假。”张捷（jié）告诉《中国科学报》，“当时（shí）震源是（shì）大型逆冲破裂。震后15分钟，海啸最（zuì）先到达（dá）印尼，但却没有预（yù）警（jǐng），最（zuì）后造成（chéng）14个国家共22万余人（rén）失去生命。”
张捷解释说，从地震震源参数来说，海底逆冲类型地震可能会掀起海浪，造成海啸（xiào），而其（qí）他类型（xíng）地震产生海啸（xiào）的可（kě）能（néng）性比（bǐ）较小。
震源机（jī）制解（jiě）（又称断层面解）是利用地震（zhèn）观测资料来研究地震（zhèn）发生时，震源处（chù）作用力和（hé）断层错动性质。震源机制解不（bú）仅可以帮助（zhù）了解（jiě）断层的类型（xíng），还可（kě）以揭示断（duàn）层（céng）在地震发生时具体的运动情况（kuàng），描述滑断面的特征，走（zǒu）向、倾向、倾角等（děng）。
“除能帮助预测海啸外，震源机制解还可能（néng）用于由（yóu）前震（zhèn）预测主震，或（huò）由主震资料（liào）预测强余（yú）震（zhèn），揭示（shì）震（zhèn）源附近的应力分布状（zhuàng）况等。”张捷说，“了解地震的震（zhèn）源滑断（duàn）特征非常（cháng）重要。在很多地震活动带，我们已经掌握了断（duàn）层系的（de）分布（bù），依据震源滑动参数就能（néng）判断出是哪个（gè）断层系开始活动、其应力（lì）方向在（zài）哪儿、附（fù）近其他类（lèi）似断层会不会（huì）出（chū）现危险等。”
1秒内报出参数
“从地震记录推算地震震源机（jī）制的（de）难点在于，传统（tǒng）方法计（jì）算强度太大。该数值解非线性问题，计算（suàn）时间（jiān）长（zhǎng）。对地震（zhèn）发（fā）生前后各种应对准备及震后抢险救（jiù）灾来说，每一秒都（dōu）非（fēi）常珍（zhēn）贵。”张捷（jié）说。
自1938年地震学家第一次推（tuī）算（suàn）地震震源机制（zhì）解开始（shǐ），如何快速得出（chū）震源机制参数一直是地震（zhèn）研究者想解决的问题。时至今日，世界（jiè）各地地震监测台网在地震速报（bào）信息时，仍不（bú）包括震源机制参数。研究人员往往在（zài）地震发生几分钟或更长时间后，才能报出震源（yuán）机制参数。
2014年，张捷课题组与中（zhōng）国科大计算机学院教授（shòu）陈（chén）恩红课题组合作，用互联网搜索（suǒ）引擎技术，实现了快速（sù）报（bào）出数（shù）据库（kù）里存好的（de）震（zhèn）源机制解。该论（lùn）文发表在《自（zì）然—通讯》上。随后，该（gāi）方（fāng）法在四川、云南投入地震监测，成（chéng）为当时最（zuì）先进的震（zhèn）源（yuán）机制解（jiě）速报技术。但该（gāi）方（fāng）法（fǎ）受（shòu）数据库约束（shù），难以应用于较大的地震监（jiān）测区（qū）域。
在这一领域持续（xù）深耕7年后，课（kè）题（tí）组首次利用人工智能方（fāng）法，突破了数（shù）据库的约束，使该方法适用于大（dà）区（qū）域地震监（jiān）测。
目前，美、日等国速报震（zhèn）源参数（shù）水平相当。美（měi）国国（guó）家地震局最快能在震后3分钟报出最初（chū）的地震震源机制解，随后几分钟（zhōng）内有可能再进行修正完善，多（duō）数情（qíng）况是（shì）在地震发生10分（fèn）钟以后才能报出。
“中国（guó）地震（zhèn）局台网中心最近（jìn）几年在（zài）持续提（tí）高速报能力，2020年（nián）平均速报（bào）时间在震后（hòu）572秒（约10分（fèn）钟），其（qí）中不包括震源机制（zhì）解。”张捷补（bǔ）充说。
“在这项研究（jiū）中，我们利用机器学习算（suàn）法，提出一（yī）种（zhǒng）新的深度卷积（jī）神经网络——震（zhèn）源机制网（wǎng）络（FMNet），利用全（quán）波形信息快速估计震源机制。”该论文第一作者、已在美国斯（sī）坦福大学地球物理系从事博士后研究（jiū）的况文欢对（duì）《中国科学报》说，“与一（yī）般（bān）应用（yòng）中有监督神经网络模型的（de）训练需要大量的实际数据不同，FMNet可以先用合成数据训练，然后直接应（yīng）用于实际数据。FMNet从综合训练数据中学习与震源机制有关的波形的普遍特（tè）征。”
“人（rén）工智能方法可以通过学习、验（yàn）证与测试完善自身系统。但一（yī）个区（qū）域历（lì）史（shǐ）地震（zhèn）不够、样本不够，怎么解决（jué）机器学习问题？”张（zhāng）捷说，“我们（men）发现采用（yòng）理论（lùn）计算数据做训练（liàn）样本（běn）非常有效。实际上，目前（qián）发表的震源（yuán）机制解（jiě）方面的（de）研究（jiū），也是（shì）通过（guò）理论模型和数据反演得（dé）到的（de），机器学（xué）习只（zhī）不过掌握了（le）所有（yǒu）理论知识，因此速度与准确度更好。”
“应用完备的理（lǐ）论（lùn）地震大数据训练人工智能神经网络，完善了（le）该系统的准确（què）性和（hé）可（kě）靠性。”况文欢（huān）说，“经过几（jǐ）天的学习，当地震发生后，实际地震数据进入人工智能系统后，在（zài）不到1秒的（de）时间内，系统就可（kě）以准确地估算出震（zhèn）源机制参数。”
研究参数（shù）“平（píng）民（mín）化”
“该成果第一次实现了全自动瞬间报出所有震源参数。在此（cǐ）之前，这（zhè）是个‘研究参数’，地（dì）震学家经常发论文报告某个地震的（de）震源（yuán）机制解（jiě）。”张捷说，“能够实时（shí）提（tí）供震源机制解（jiě），将引领全球地震监（jiān）测水平进入一（yī）个新的阶段。”
张捷解（jiě）释说，有了（le）地震震（zhèn）源机制（zhì）解（jiě）后，就知（zhī）道单个地震是哪个断层在活动，从（cóng）而推断应力分布（bù），预测地震风险。虽然震源机制解的（de）概（gài）念公（gōng）众并不（bú）容易（yì）理解，但预警系（xì）统可（kě）以依（yī）据震源（yuán）机制解做出决定，通知（zhī）公众风险（xiǎn）程度。
“大量实际数据测试证实了该方法的有（yǒu）效性。”况（kuàng）文欢说，“我们（men）使用震源机制来描述断层地质和断（duàn）层机制，也可（kě）以利用主震的震源机（jī）制来计算应力变化（huà），以检（jiǎn）验余震的地震触（chù）发理（lǐ）论。此外，及时导出的（de）震源机制可以（yǐ）为目前（qián）正在（zài）实施的点源（yuán）地震（zhèn）动预测模型提供（gòng）重（chóng）要的补（bǔ）充，有可能帮（bāng）助改进地震（zhèn）预测，以便进行早期预警。”
对团队取得的成果，该（gāi）论文的（de）三位审（shěn）稿人一致评价为，“非常激动人心的（de）突破性（xìng）成果”。
“提高地震预（yù）测（cè）预（yù）警的（de）准确性（xìng），需要密集的高频（pín）监测数据（jù）采集和实时处（chù）理，现有的人机结合工作模式已不（bú）适应这一要求。这一成果为（wéi）地震（zhèn）监测、预测预警业务实现快速、高效的智能化转（zhuǎn）型提供了坚（jiān）实的基（jī）础。”中（zhōng）国地震局科技与国际合作司（sī）司长车时告诉《中国科学报》。
北（běi）京大学理论与应用地球物理研究所（suǒ）所（suǒ）长赵里评价（jià）说：“张（zhāng）捷教授团队在（zài）人工智能解（jiě）决（jué）地（dì）震（zhèn）监测预警（jǐng）领域不断取得突破，并应用到川滇地震科学实（shí）验（yàn）场，对我国的地震减灾事业（yè）意义重大。”
“减轻破坏程度（dù）是地震研究者（zhě）的一个重要（yào）目标。当破（pò）坏性地（dì）震发生（shēng）时，实时报告地震参数对于立即进行破（pò）坏评（píng）估（gū）和紧急疏散至关重要。该研究目前正（zhèng）在（zài）转（zhuǎn）化为实际成果，近期将在（zài）中国科学技术大学（xué）和中国地震局合作研发的‘智能地（dì）动’人工智能地（dì）震（zhèn）监测（cè）系统上试运（yùn）行（háng），在中国地震科学（xué）实验场全面（miàn）推广。”张捷说。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-21670-x
（原（yuán）载于（yú）《中国科学报》 2021-03-18 第3版）
