【儀表網(wǎng) 儀表下游】快速自動化采集分析地震震源信息對震后趨勢判定、烈度速報、地震應(yīng)急救援等提供科學(xué)依據(jù)。但從地震記錄推算地震震源機制是個耗時的計算過程，目前世界各地地震監(jiān)測臺網(wǎng)在速報信息里只有發(fā)震時刻、震級、地點和震源深度等內(nèi)容，不包括描述地震破裂特征的震源機制解參數(shù)。
 

　　日前，美國國家工程院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地空學(xué)院大師講席教授張捷課題組發(fā)表在《自然—通訊》的一項研究顯示，利用深度學(xué)習(xí)算法，人工智能系統(tǒng)可在收到地震記錄后不到1秒時間內(nèi)，準(zhǔn)確估算出震源機制解參數(shù)。
 

　　從地震震源參數(shù)來說，海底逆沖類型地震可能會掀起海浪，造成海嘯，而其他類型地震產(chǎn)生海嘯的可能性比較小。
 

　　震源機制解(又稱斷層面解)，是利用地震觀測資料來研究地震發(fā)生時，震源處作用力和斷層錯動性質(zhì)。震源機制解不僅可以幫助了解斷層的類型，還可以揭示斷層在地震發(fā)生時具體的運動情況，描述滑斷面的特征，走向、傾向、傾角等。
 

　　除能幫助預(yù)測海嘯外，震源機制解還可能用于由前震預(yù)測主震，或由主震資料預(yù)測強余震，揭示震源附近的應(yīng)力分布狀況等。從地震記錄推算地震震源機制的難點在于，傳統(tǒng)方法計算強度太大。該數(shù)值解非線性問題，計算時間長。對地震發(fā)生前后各種應(yīng)對準(zhǔn)備及震后搶險救災(zāi)來說，每一秒都非常珍貴。
 

　　1938年，地震學(xué)家第一次開始推算地震震源機制解。自那以后，快速得出震源機制參數(shù)一直是地震研究者想解決的問題。時至今日，世界各地地震監(jiān)測臺網(wǎng)在地震速報信息時，仍不包括震源機制參數(shù)。研究人員往往在地震發(fā)生幾分鐘或更長時間后，才能報出震源機制參數(shù)。
 

　　2014年，張捷課題組與中國科大計算機學(xué)院教授陳恩紅課題組合作，用互聯(lián)網(wǎng)搜索引擎技術(shù)，實現(xiàn)了快速報出數(shù)據(jù)庫里存好的震源機制解。隨后，該方法在四川、云南投入地震監(jiān)測，成為當(dāng)時先進(jìn)的震源機制解速報技術(shù)。但該方法受數(shù)據(jù)庫約束，難以應(yīng)用于較大的地震監(jiān)測區(qū)域。
 

　　在這一領(lǐng)域持續(xù)耕耘了7年后，課題組利用人工智能方法，突破了數(shù)據(jù)庫的約束，使該方法適用于大區(qū)域地震監(jiān)測。目前，美、日等國速報震源參數(shù)水平相當(dāng)。美國國家地震局能在震后3分鐘報出初的地震震源機制解，隨后幾分鐘內(nèi)有可能再進(jìn)行修正完善，多數(shù)情況是在地震發(fā)生10分鐘以后才能報出。
 

　　“在這項研究中，我們利用深度機器學(xué)習(xí)算法，提出一種新的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)——震源機制網(wǎng)絡(luò)(FMNet)，利用全波形信息快速估計震源機制。”該論文第一作者、已在美國斯坦福大學(xué)地球物理系從事博士后研究的況文歡對《中國科學(xué)報》說，“與一般應(yīng)用中有監(jiān)督神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練需要大量的實際數(shù)據(jù)不同，F(xiàn)MNet可以先用合成數(shù)據(jù)訓(xùn)練，然后直接應(yīng)用于實際數(shù)據(jù)。FMNet從綜合訓(xùn)練數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)與震源機制有關(guān)的波形的普遍特征。”
 

　　人工智能方法可以通過學(xué)習(xí)、驗證與測試完善自身系統(tǒng)。但一個區(qū)域歷史地震不夠，樣本不夠，怎么解決機器學(xué)習(xí)問題？我們發(fā)現(xiàn)采用理論計算數(shù)據(jù)做訓(xùn)練樣本非常有效。實際上，目前發(fā)表的震源機制解方面的研究，也是通過理論模型和數(shù)據(jù)反演得到的，機器學(xué)習(xí)只不過掌握了所有理論知識，因此速度與準(zhǔn)確度更好。
 

　　該成果第一次實現(xiàn)了全自動瞬間報出所有震源參數(shù)，能夠?qū)崟r提供震源機制解，將地震監(jiān)測水平進(jìn)入一個新的階段。”有了地震震源機制解后，就知道單個地震是哪個斷層在活動，從而推斷應(yīng)力分布，預(yù)測地震風(fēng)險。雖然震源機制解公眾并不容易理解，但預(yù)警系統(tǒng)可以依據(jù)震源機制解做出決定，通知大眾風(fēng)險程度。
 

　　大量實際數(shù)據(jù)測試證實了該方法的有效性。我們使用震源機制來描述斷層地質(zhì)和斷層機制，也可以利用主震的震源機制來計算應(yīng)力變化，以檢驗余震的地震觸發(fā)理論。此外，及時導(dǎo)出的震源機制可以為目前正在實施的點源地震動預(yù)測模型提供重要的補充，有可能幫助改進(jìn)預(yù)測地震，以便進(jìn)行早期預(yù)警。
 

　　提高地震預(yù)測預(yù)警的準(zhǔn)確性，需要密集的高頻監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和實時處理，現(xiàn)有的人機結(jié)合工作模式已不適應(yīng)這一要求。這一成果為地震監(jiān)測、預(yù)測預(yù)警業(yè)務(wù)實現(xiàn)快速、高效的智能化轉(zhuǎn)型提供了堅實的基礎(chǔ)。
 

　　資料來源：中國科學(xué)報