中科大地球和空間科學學院教授: 人工智慧能夠摸清地震脾氣嗎?

中國青年報客戶端訊(中青報·中青網記者 王海涵 王磊 通訊員 範瓊)採用人工智慧方法,可在1秒內算出震源機制引數,摸清地震“脾氣”,有效提升地震監測和風險防範能力。這是中國科學技術大學地球和空間科學學院張捷教授課題組最新的研究成果,日前發表於《自然-通訊》。

張捷介紹,地球內部運動導致板塊間的相互擠壓碰撞是引起地震的主要原因。地震的“時(發震時刻)、空(震源位置)、強(地震震級)”三要素是瞭解地震的最基本資訊。而描述地震破裂的震源機制解也是破解地震資訊的重要引數。

他說,震源機制解是利用地震觀測資料來研究地震發生時,震源處的作用力和斷層錯動性質。其引數包含斷層走向(strike)、斷層傾角(dip)、滑移角(rake)等。有助於進一步推斷斷層的破裂方向、破裂速度與應力降等引數。

通常,科學家透過記錄到的地震波極性以及全波形資訊,反向演算得到震源機制解。但反推計算是個耗時的過程,自1938年地震學家第一次推算地震斷層面解以來,快速獲取震源機制解一直是難題。目前,世界各地地震監測臺網在地震速報資訊裡只有發震時刻、震級、地點和深度,不包括震源機制解。

張捷說,地震發生時,地震波訊號傳到地震臺網,專業人員採用理論演算法處理地震資料,為防震減災提供重要科學資訊。根據傳統方法,在地震發生幾分鐘或更長的時間後才報出震源機制解。但3至10分鐘後,地震往往已經造成破壞。

因此,張捷教授課題組在2014年提出地震搜尋引擎方法,在研究區域事先建立龐大的波形資料庫,透過快速搜尋演算法實現對波形的快速匹配從而得到地震的震源機制解。

在最新成果中,張捷課題組則利用人工智慧技術和深度機器學習演算法,提出一種新的深度卷積神經網路——震源機制網路(FMNet),利用全波形資訊快速估計震源機制。

張捷解釋道,團隊首先在研究區域正演模擬出理論地震波形圖,用於訓練人工智慧網路;完善系統準確性和可靠性。之後可將實際地震波形資料輸入到訓練好的人工智慧網路中輸出地震震源機制解。“地震發生後,實際地震資料進入人工智慧系統,不到1秒的時間內,系統就能準確估算出震源機制解,為災情判斷、災害評估提供有力支援。”

中科大地球和空間科學學院教授: 人工智慧能夠摸清地震脾氣嗎?

人工智慧演算法計算震源機制解流程圖

“當前許多國家監測地震資訊,採用自動演算法與專業人員人工計算相結合的方式,要求地震監測人員24小時待命。”張捷教授課題組成員、博士後朱慧宇補充介紹,當實際地震資料進入人工智慧系統,系統不僅能準確估算出地震的位置、深度、震級和震源機制等引數,還能實時演示地震活動空間影象。

朱慧宇說,系統還有有深度學習能力,能根據資料庫中彙集的上百萬個地震資料,結合地震學理論,快速處理正在發生的地震資料。“地震發生後每一秒都十分寶貴,儘早報出震源機制解,能向地震波還沒有到達的地區發出預警,為公眾採取防護措施、政府確定救援方案搶出時間。如果人們能在地震發生前3秒收到預警,傷亡人數可以降低14%;如果提前10秒釋出預警,傷亡人數可以降低39%。”

此外,震源機制解不僅可以幫助瞭解斷層的型別,還可以揭示斷層在地震發生時具體的運動情況,比如,描述滑斷面的特徵,走向、傾向、傾角等。

對於陸地地震而言,地震活動帶分佈著斷層系,依據震源機制解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危險等;對於海洋以及近海、沿岸區域的地震,震源機制解可以為海嘯預警、海嘯災害的評估提供關鍵資訊。

近年來,人工智慧、超算等前沿科技被應用於防震減災工作。2018年,張捷教授團隊與中國地震局合作完成“智慧地動”人工智慧地震監測系統,系統已在雲南、四川的地震實驗場試用。基於評估結果,“智慧地動”系統與專業人員人工計算處理的結果非常接近。

去年,運用人工智慧技術,課題組已經實現在兩秒內推算出震源機制引數。近期,“1秒內算出震源機制引數”的黑科技就將在“智慧地動”系統上試執行。

中科大地球和空間科學學院教授: 人工智慧能夠摸清地震脾氣嗎?

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圖為智慧地動 - 地震實時監測系統

【來源:中國青年報客戶端】

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