人工智能引領地震監(jiān)測邁入新時代

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、地震應急救援等提供科學依據(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、中國科學技術大學地空學院大師講席教授張捷課題組發(fā)表的一項研究顯示，利用深度學習算法，人工智能系統(tǒng)可在收到地震記錄后不到1秒時間內(nèi)，準確估算出震源機制解參數(shù)。

重要的震源機制解

2004年12月26日8時58分55秒，一場震驚世界的重大災難突然降臨。

印度洋板塊與亞洲板塊交界處，發(fā)生了里氏9.3級地震，地震又引發(fā)了強烈海嘯、滔天巨浪席卷了印度尼西亞、斯里蘭卡、馬爾代夫等國，造成了巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。

“印度洋大地震時正值圣誕假期，許多國家的地震專業(yè)人員都在度假。”張捷說，“當時震源是大型逆沖破裂。震后15分鐘，海嘯最先到達印尼，但卻沒有預警，最后造成14個國家共22萬余人失去生命?！?/p>

張捷解釋說，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。

“除能幫助預測海嘯外，震源機制解還可能用于由前震預測主震，或由主震資料預測強余震，揭示震源附近的應力分布狀況等?！睆埥菡f，“知道地震的震源滑斷特征非常重要，在很多地震活動帶，我們已經(jīng)掌握了很多斷層系的分布，依據(jù)震源滑動參數(shù)就能幫助判讀出是哪個斷層系開始活動，其應力方向在哪兒，附近其他類似斷層會不會出現(xiàn)危險等?！?/p>

1秒內(nèi)自動報出參數(shù)

“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)生前后各種應對準備及震后搶險救災來說，每一秒都非常珍貴?！睆埥菡f。

1938年，地震學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院教授陳恩紅課題組合作，用互聯(lián)網(wǎng)搜索引擎技術，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，成為當時最先進的震源機制解速報技術。但該方法受數(shù)據(jù)庫約束，難以應用于較大的地震監(jiān)測區(qū)域。

在這一領域持續(xù)耕耘了7年后，課題組首次利用人工智能方法，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。美國國家地震局最快能在震后3分鐘報出最初的地震震源機制解，隨后幾分鐘內(nèi)有可能再進行修正完善，多數(shù)情況是在地震發(fā)生10分鐘以后才能報出。

“中國地震局臺網(wǎng)中心最近幾年持續(xù)在提高速報能力，2020年平均速報時間在震后572秒（約10分鐘），其中不包括震源機制解。”張捷補充說。

“在這項研究中，我們利用深度機器學習算法，提出一種新的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡——震源機制網(wǎng)絡（FMNet），利用全波形信息快速估計震源機制。”該論文第一作者況文歡說，“與一般應用中有監(jiān)督神經(jīng)網(wǎng)絡模型的訓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)訓練，然后直接應用于實際數(shù)據(jù)。FMNet從綜合訓練數(shù)據(jù)中學習與震源機制有關的波形的普遍特征。”

“人工智能方法可以通過學習、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，怎么解決機器學習問題？”張捷說，“我們發(fā)現(xiàn)采用理論計算數(shù)據(jù)做訓練樣本非常有效。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，機器學習只不過掌握了所有理論知識，因此速度與準確度更好?！?/p>

“應用完備的理論地震大數(shù)據(jù)訓練人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡，完善了該系統(tǒng)的準確性和可靠性?！睕r文歡說，“經(jīng)過幾天的學習，當?shù)卣鸢l(fā)生后，實際地震數(shù)據(jù)進入人工智能系統(tǒng)，在不到1秒的時間內(nèi)系統(tǒng)準確地估算出震源機制參數(shù)?！?/p>

研究參數(shù)“平民化”

“該成果第一次實現(xiàn)了全自動瞬間報出所有震源參數(shù)，在此之前，這是個‘研究參數(shù)，地震學家經(jīng)常發(fā)論文報告某個地震的震源機制解?！睆埥菡f，“能夠?qū)崟r提供震源機制解，將引領全球地震監(jiān)測水平進入一個新的階段。”

張捷解釋說，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，從而推斷應力分布，預測地震風險。雖然震源機制解公眾并不容易理解，但預警系統(tǒng)可以依據(jù)震源機制解做出決定，通知大眾風險程度。

“大量實際數(shù)據(jù)測試證實了該方法的有效性。”況文歡說，“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力變化，以檢驗余震的地震觸發(fā)理論。此外，及時導出的震源機制可以為目前正在實施的點源地震動預測模型提供重要的補充，有可能幫助改進預測地震，以便進行早期預警?！?/p>

對團隊取得的成果，該論文的三位審稿人一致評價為：“非常激動人心的突破性成果”。

“提高地震預測預警的準確性，需要密集的高頻監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和實時處理，現(xiàn)有的人機結合工作模式已不適應這一要求。這一成果為地震監(jiān)測、預測預警業(yè)務實現(xiàn)快速、高效的智能化轉型提供了堅實的基礎。”中國地震局科技與國際合作司司長車時說。

北京大學理論與應用地球物理研究所所長趙里評價說：“張捷教授團隊在人工智能解決地震監(jiān)測預警領域不斷取得突破，并應用到川滇地震科學實驗場，對我國的地震減災事業(yè)意義重大。”

“減輕破壞程度是地震研究者的一個重要目標。當破壞性地震發(fā)生時，實時報告地震參數(shù)對于立即進行破壞評估和緊急疏散至關重要。該研究目前正在轉化為實際成果，近期將在中國科學技術大學和中國地震局合作研發(fā)的‘智能地動人工智能地震監(jiān)測系統(tǒng)上試運行，在中國地震科學實驗場全面推廣?！睆埥菡f。