QQ在（zài）线
企（qǐ）业微信
资讯
542
快速自动化揭示（shì）地震震源信（xìn）息对地震预警（jǐng）有（yǒu）直接（jiē）作用，也可为震后趋势判定、烈度速报、地震应急救援等提供科学（xué）依（yī）据。但是，从地震记录（lù）推算地震（zhèn）震源机制是（shì）个耗时的计算过程（chéng）。因此，目前世界各地地（dì）震（zhèn）监测台（tái）网在速报信息里只有发（fā）震（zhèn）时刻、震级、地点和震源深度等内容，不（bú）包括描述地震破裂特（tè）征的震源（yuán）机制解参数（shù）。
日前，美国国（guó）家工程（chéng）院院士、中国科学技术大学地空学（xué）院大师讲席教授（shòu）张捷课（kè）题组发表在《自然—通讯（xùn）》的一篇论（lùn）文显示，利用（yòng）深度学习算法，人工智能系统（tǒng）可（kě）在收到地震记（jì）录后（hòu）不到1秒时间内，准（zhǔn）确估算出震源机制解参数。
重要的震源机制解
2004年（nián）12月26日8时（shí）58分55秒，一场震惊世界的重大灾难突然降临。
印度洋板块与亚（yà）洲板块交界处，发生（shēng）了（le）里氏9.3级地震。地震又引发（fā）了强烈海啸，滔天巨浪席卷了包括印度尼西亚、斯里兰卡、马尔代夫等国，造成了巨大的人员伤亡（wáng）和财产损失。
“印（yìn）度洋大（dà）地（dì）震发（fā）生（shēng）时正值圣诞假期，许多国家的地震（zhèn）专业人员都在（zài）度假。”张捷告（gào）诉《中国科学报（bào）》，“当时震源是大型逆冲破裂。震（zhèn）后15分钟，海啸最先到达印尼，但（dàn）却没有预警，最后（hòu）造成14个国家共22万余人失去生命。”
张捷解释说，从（cóng）地震震源参数来（lái）说，海（hǎi）底逆冲类型地（dì）震可能会掀起海浪，造成（chéng）海啸，而其他类型（xíng）地（dì）震产生海（hǎi）啸（xiào）的可能性（xìng）比较小。
震源机制解（又（yòu）称断层面解（jiě））是利（lì）用地（dì）震观测资料（liào）来（lái）研究地震发生时，震源（yuán）处作用力（lì）和断层错（cuò）动（dòng）性质。震源（yuán）机制（zhì）解不仅可（kě）以（yǐ）帮助（zhù）了解断层的类型，还可以揭示断层在（zài）地震发生（shēng）时（shí）具体（tǐ）的运动情（qíng）况，描述滑断面的特（tè）征，走向、倾（qīng）向、倾角等。
“除能帮助预（yù）测海啸（xiào）外，震源机（jī）制（zhì）解还（hái）可（kě）能用于由前震预测主震，或由主震资料预测强余震，揭示震源附近（jìn）的应力（lì）分布状况等。”张捷说，“了解地震的震（zhèn）源滑断特征非常重要。在（zài）很多地震活（huó）动带，我们已经掌（zhǎng）握了断层（céng）系的分布（bù），依据震源滑（huá）动参数就能判断出是（shì）哪个断层系开始活动、其应（yīng）力（lì）方向在（zài）哪儿（ér）、附（fù）近其他（tā）类似（sì）断层会不会出现危险等（děng）。”
1秒内报（bào）出参数
“从地震记录推算地震震源机（jī）制的（de）难（nán）点在（zài）于，传统方法计算（suàn）强度太大。该（gāi）数（shù）值解非线性问题，计（jì）算时间长。对地震发生前后各种应对（duì）准备及震（zhèn）后（hòu）抢险救灾（zāi）来说，每一秒都（dōu）非常（cháng）珍贵。”张（zhāng）捷说。
自1938年地震学家第一次推算地（dì）震（zhèn）震（zhèn）源机制解开（kāi）始，如何快速得出震（zhèn）源机（jī）制（zhì）参数一直是地震研究者想（xiǎng）解决的问题（tí）。时至今日（rì），世（shì）界各（gè）地地震监测台网在地震速报信息时，仍不包括震源机制参数。研究人（rén）员往（wǎng）往在（zài）地震发生几分钟或更长时间后，才能报出震（zhèn）源（yuán）机制参数。
2014年（nián），张捷课题组（zǔ）与中国（guó）科大计算机（jī）学院教授陈恩红课题组合作，用（yòng）互联网搜索引擎技术（shù），实现（xiàn）了快速报出数（shù）据库里（lǐ）存好的震源机（jī）制（zhì）解。该论（lùn）文发（fā）表在《自然（rán）—通讯》上（shàng）。随后，该（gāi）方法在四（sì）川（chuān）、云（yún）南（nán）投入地震（zhèn）监测，成（chéng）为当时最先进的震源机制解速报技术。但该方法受数据库（kù）约（yuē）束（shù），难以应用于较（jiào）大的地震监测（cè）区域。
在这一领域持续深耕7年后，课题组首（shǒu）次利用人工（gōng）智能方法（fǎ），突（tū）破了数据（jù）库的（de）约（yuē）束，使该（gāi）方法适用于大区（qū）域（yù）地震监（jiān）测。
目（mù）前，美、日等国速报震（zhèn）源参数水平（píng）相当。美国国家地震局最快能在震后3分钟报出最初（chū）的地震（zhèn）震源机制（zhì）解，随后几分钟（zhōng）内有可能再进行修正完善，多（duō）数情况（kuàng）是在地震发生10分钟以后才能报出（chū）。
“中国地震局台网中心最近几年在持续提高速报能力，2020年平（píng）均速报时间（jiān）在震后572秒（约10分钟），其中不包括（kuò）震源机制解（jiě）。”张捷补充说。
“在这项研（yán）究中，我（wǒ）们利用机（jī）器学习算法（fǎ），提（tí）出一种新的深度（dù）卷积神经（jīng）网络（luò）——震源机制网络（FMNet），利（lì）用全波形（xíng）信息快速估计（jì）震源机制。”该论文（wén）第一作者、已在（zài）美（měi）国斯坦福大学地球（qiú）物理系从事（shì）博士后研究（jiū）的况文欢（huān）对《中（zhōng）国（guó）科学报》说，“与一般应用（yòng）中（zhōng）有（yǒu）监督神经网（wǎng）络模型的训练需要（yào）大量的实际数据不同，FMNet可以先用合成数据训练，然（rán）后直接应用于实际数据。FMNet从综合训练数据中学习与震源机制（zhì）有关的波形的普遍特征。”
“人工智能方（fāng）法可以通过学（xué）习、验证与测试完（wán）善自身（shēn）系统。但一个（gè）区域历史地震不够、样本不够（gòu），怎么解决（jué）机器（qì）学习问题？”张（zhāng）捷说，“我们发现采用理论计算数据做训练样本非常有效。实际上（shàng），目前发表的震源机制解方面的研究，也是通（tōng）过理论模型和数据（jù）反演得到的（de），机器学习只（zhī）不过掌（zhǎng）握了所有理论知识（shí），因此（cǐ）速度（dù）与（yǔ）准确度更好（hǎo）。”
“应用完备的理论地震大数据训练人工智（zhì）能神经网络，完善了该（gāi）系统的准确（què）性和可（kě）靠性。”况文欢说，“经过几天的学习，当地震发生后，实际（jì）地震（zhèn）数据进入人工智（zhì）能系统后，在不到1秒的时（shí）间内，系统（tǒng）就（jiù）可以（yǐ）准确（què）地估（gū）算出震（zhèn）源机制参（cān）数。”
研究参数“平民化（huà）”
“该成果第一次实现了全自动瞬（shùn）间（jiān）报出所有震源参数。在此之前（qián），这是（shì）个‘研究参数’，地震学家经（jīng）常发论文报（bào）告某个地震的震源机制解。”张捷说，“能够实时提供震（zhèn）源（yuán）机制（zhì）解，将引领全球地震监测水平进入一（yī）个新的阶段（duàn）。”
张捷解释（shì）说，有了地（dì）震（zhèn）震（zhèn）源机（jī）制解后，就知（zhī）道单个地震是哪个断（duàn）层在活动，从而推断应力分布，预测（cè）地震风险（xiǎn）。虽然震源机（jī）制（zhì）解的概念公（gōng）众并不容（róng）易理解，但（dàn）预警系统可以依据震源机制解（jiě）做（zuò）出决定，通知（zhī）公众风险程（chéng）度。
“大量实际数据（jù）测试（shì）证实了该（gāi）方法的有效性。”况文欢说，“我们使用震（zhèn）源机制（zhì）来描述断（duàn）层地（dì）质和断层机制，也可以利用主震的震源机制（zhì）来计算应力变化，以检验余震（zhèn）的地震（zhèn）触（chù）发（fā）理论。此外，及时（shí）导出（chū）的震源机（jī）制可以为目前正在实施的点源地震（zhèn）动（dòng）预测模型（xíng）提供重（chóng）要的补充（chōng），有可能帮助（zhù）改（gǎi）进地震预测，以便进行早期预警（jǐng）。”
对团队取得（dé）的（de）成果，该论文的三位审稿人一致评价为（wéi），“非常激（jī）动人心的突破性（xìng）成果”。
“提高地震预测预警的准确性，需要密集的高频监测数据采集和实时处（chù）理，现有的人（rén）机结（jié）合工作模式已不适应这一要求。这一成果（guǒ）为地震监测、预测预警业务实现快速、高效的智能（néng）化转型提供了坚实（shí）的基础。”中国地震局（jú）科技与国际合作司司长车（chē）时告诉《中国科学报》。
北京（jīng）大（dà）学理论（lùn）与应用地球物理研究所所长赵里评价说（shuō）：“张捷教授团队在人工智能解（jiě）决（jué）地震监测预警领域不断（duàn）取得突破，并应用到川滇地震科学（xué）实（shí）验场，对我国（guó）的（de）地震减灾事业意义重大。”
“减轻破坏程度（dù）是地（dì）震研究（jiū）者的一个重要目标。当破坏性（xìng）地震（zhèn）发生时，实时报告地震参数对（duì）于立即进行破坏（huài）评估和紧（jǐn）急疏散至关重（chóng）要。该研（yán）究目前正在转化为实际成果，近期将在中国科学技（jì）术大（dà）学（xué）和中（zhōng）国地震局合作研发（fā）的‘智能地动’人工智（zhì）能地震监（jiān）测系统（tǒng）上试运行，在（zài）中国地震科学实验场（chǎng）全面（miàn）推（tuī）广。”张捷说。
相（xiàng）关（guān）论文信（xìn）息（xī）：https://doi.org/10.1038/s41467-021-21670-x
（原载于《中国科学报》 2021-03-18 第（dì）3版（bǎn））
