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快速（sù）自动化（huà）揭示地震震源信息对地震预警有直接（jiē）作用（yòng），也（yě）可为震（zhèn）后趋势判（pàn）定、烈（liè）度速（sù）报、地（dì）震应（yīng）急救援等提供科学依据。但是，从地震记录推（tuī）算地震（zhèn）震（zhèn）源机制是个耗时的计算过程。因此，目前世界各（gè）地地震（zhèn）监测台网在（zài）速报信息里（lǐ）只有发震时（shí）刻、震级、地点和震源深度（dù）等内容，不包括描述（shù）地震破裂特征的震源机制解参（cān）数。
日前，美（měi）国国家（jiā）工程院院士、中国科（kē）学技术大（dà）学地（dì）空学院大师讲席教（jiāo）授张捷课（kè）题（tí）组发表在《自然—通讯》的一篇论文显示，利用深度（dù）学习算法，人（rén）工智能系（xì）统可在收到（dào）地震记录后不到1秒时间内，准确（què）估（gū）算出（chū）震（zhèn）源（yuán）机制解（jiě）参数。
重（chóng）要的震源机制解
2004年（nián）12月26日8时58分55秒，一场震惊世界的重大（dà）灾难突（tū）然降（jiàng）临。
印度洋板块与亚（yà）洲板块交（jiāo）界（jiè）处，发生了（le）里（lǐ）氏9.3级地（dì）震。地震又引发了强烈（liè）海啸，滔天巨浪席卷了包（bāo）括印（yìn）度（dù）尼（ní）西亚、斯里兰卡（kǎ）、马（mǎ）尔代夫等国，造成了巨大的人员伤亡和财（cái）产损失。
“印度洋大地震发生时（shí）正值圣诞假期，许多国家的地震（zhèn）专业人员（yuán）都在度假（jiǎ）。”张捷告诉《中国科学报》，“当（dāng）时震源（yuán）是大型逆冲（chōng）破裂（liè）。震后（hòu）15分钟（zhōng），海啸（xiào）最先到达印尼，但却没有预（yù）警，最（zuì）后造（zào）成14个国家共22万（wàn）余人失去生命。”
张捷解释说，从（cóng）地震震源（yuán）参数来说，海（hǎi）底（dǐ）逆冲（chōng）类型地震可能会掀起海（hǎi）浪（làng），造成（chéng）海（hǎi）啸，而其（qí）他类型地震产生海啸的可能性比较（jiào）小（xiǎo）。
震源机制解（又称（chēng）断层面解）是利用地（dì）震观测资（zī）料（liào）来（lái）研究地震（zhèn）发（fā）生时，震（zhèn）源处（chù）作用（yòng）力和断层错动性（xìng）质。震源机制解（jiě）不仅可（kě）以帮助了解（jiě）断层（céng）的（de）类型，还可以揭示断（duàn）层在地震发（fā）生时具体的（de）运动（dòng）情况（kuàng），描述（shù）滑断面的特征，走向、倾向、倾角等。
“除能帮助预测海啸外，震源（yuán）机制解（jiě）还（hái）可能（néng）用于由前震（zhèn）预测主震，或由主震资（zī）料（liào）预测强余（yú）震（zhèn），揭示震（zhèn）源附近的应力分布状况（kuàng）等（děng）。”张捷说，“了解地震的震源滑（huá）断特（tè）征非常（cháng）重（chóng）要。在很多地震（zhèn）活动带，我们已经掌握了断层系的分布，依据震（zhèn）源滑动参数就能（néng）判断出是哪个断层系开（kāi）始活动（dòng）、其应力方向在（zài）哪（nǎ）儿、附近其他类（lèi）似断层会（huì）不会（huì）出现危险（xiǎn）等。”
1秒内报出参（cān）数
“从（cóng）地震记录推算地震震源机制（zhì）的（de）难点在于，传（chuán）统方法计（jì）算强度太大。该数值解非线性问题，计算（suàn）时（shí）间（jiān）长。对地（dì）震发生前后各（gè）种（zhǒng）应对准备及震后抢险救灾来说，每一秒（miǎo）都非（fēi）常珍贵。”张捷说（shuō）。
自1938年（nián）地震（zhèn）学（xué）家第（dì）一次推（tuī）算地震震源机制解开始（shǐ），如何快（kuài）速得出震源机制（zhì）参数一直是地（dì）震研究者想解决的问题。时至今（jīn）日，世界各地（dì）地震监测台网在地（dì）震速报信息（xī）时，仍不包括震源机制参数。研究人员（yuán）往往在地震（zhèn）发生几（jǐ）分（fèn）钟或更长时间后（hòu），才（cái）能报出震源机制参数。
2014年（nián），张捷课题组与（yǔ）中（zhōng）国科大计算机学院教授陈恩红（hóng）课题（tí）组合作，用（yòng）互联网搜索引擎技术，实现了快（kuài）速报出数据库里存（cún）好的（de）震（zhèn）源机（jī）制解。该论文发表（biǎo）在《自然—通讯》上。随后，该方法在（zài）四川、云南（nán）投入地震监测，成为当（dāng）时最先进的（de）震（zhèn）源机（jī）制解速报技术。但该（gāi）方（fāng）法受数据库约束，难以应用于较大的（de）地震（zhèn）监测（cè）区（qū）域。
在（zài）这一领（lǐng）域持（chí）续深耕7年（nián）后，课题组首（shǒu）次利（lì）用人（rén）工智能方法（fǎ），突破了（le）数据库（kù）的约束，使该方法（fǎ）适（shì）用于大区（qū）域（yù）地震监测。
目前，美、日等国（guó）速报（bào）震（zhèn）源参数水（shuǐ）平（píng）相当。美国国家（jiā）地震局最快能在（zài）震后（hòu）3分钟报出最（zuì）初的地震震源机制解，随（suí）后几分（fèn）钟内有（yǒu）可能（néng）再进行（háng）修正完善，多数情况是在地（dì）震发（fā）生10分（fèn）钟以后（hòu）才能报（bào）出。
“中国（guó）地（dì）震（zhèn）局台网（wǎng）中心最近几（jǐ）年在持续提（tí）高速报（bào）能力，2020年平（píng）均速报时间在震后572秒（约10分（fèn）钟），其中不包（bāo）括震源（yuán）机制解。”张捷补充说。
“在这（zhè）项研究中，我（wǒ）们利用机器学习算法（fǎ），提出一种（zhǒng）新（xīn）的深度卷积神经网络——震源机制网络（FMNet），利用全波形信息快速估计（jì）震源（yuán）机（jī）制（zhì）。”该论（lùn）文第一作者、已在美国斯坦福大学地球物理系从事博士后研究的（de）况文（wén）欢对《中国科（kē）学报》说（shuō），“与一般应用中（zhōng）有监督神经（jīng）网络模型的训练（liàn）需要大量的实际数据不（bú）同，FMNet可以先用合成数据训练，然后直接应用于实际数据（jù）。FMNet从（cóng）综合训练数据中学习与震源机制有关的波（bō）形的普遍特征。”
“人工智能（néng）方（fāng）法可以通过学习、验证与测试（shì）完善自身（shēn）系统（tǒng）。但（dàn）一个区域（yù）历史地（dì）震不够（gòu）、样本不够，怎么解决机（jī）器学习问题？”张捷说，“我们发现采（cǎi）用理论计算（suàn）数据（jù）做训练样本非常有效。实际上，目前发表的震源机制解方面的研究，也是通过理论模型和数据反演得到（dào）的，机器学习只不过掌握了所有理论知识，因此（cǐ）速度与（yǔ）准确（què）度更好。”
“应用完备（bèi）的理论地震（zhèn）大数据训（xùn）练人工智能神经网络，完善了该系统（tǒng）的准确性（xìng）和可靠性。”况文欢说，“经过几天的学习（xí），当地震发生后，实际地震数据进入人工智（zhì）能系统后，在不（bú）到1秒的时间内，系统就可以（yǐ）准确地估算出震源机制（zhì）参数。”
研究参数“平民（mín）化”
“该（gāi）成果第一次实现了全自（zì）动瞬间报出所有震（zhèn）源（yuán）参数。在（zài）此之前，这（zhè）是个‘研究参数’，地震学家经常（cháng）发（fā）论（lùn）文报告（gào）某（mǒu）个地震的震源（yuán）机制（zhì）解。”张捷说，“能够（gòu）实时提供震源机制解，将引领全球地（dì）震监测水平进入一个新的阶段。”
张捷（jié）解释说，有了地震震源机制解后，就知道单个地震是哪个断层在活动，从而推（tuī）断应（yīng）力分（fèn）布，预测地震（zhèn）风险。虽然震（zhèn）源（yuán）机（jī）制解的（de）概（gài）念（niàn）公众并不容易理解，但预警系（xì）统可以（yǐ）依（yī）据震源机制解做出决（jué）定，通（tōng）知（zhī）公（gōng）众风险程度。
“大量实际数据测试证实了该方（fāng）法（fǎ）的有效（xiào）性。”况文欢说（shuō），“我们使用震源机制（zhì）来描（miáo）述断层地质和（hé）断层机制，也可以利用主震的震源机制来计算应（yīng）力变（biàn）化，以检验余震的（de）地震触发理论。此外，及时导出的震源（yuán）机制可以（yǐ）为目前正在实施（shī）的点源地震动（dòng）预测模（mó）型（xíng）提供重要（yào）的补充，有可能帮（bāng）助改进地震预测，以便进（jìn）行早期预警。”
对（duì）团队取得的成果，该论（lùn）文的三位（wèi）审稿人（rén）一致评价为，“非（fēi）常激动（dòng）人（rén）心的（de）突破性成果”。
“提（tí）高地震预（yù）测（cè）预警的准确性，需要密（mì）集（jí）的高频监（jiān）测数据采集和（hé）实时处理，现（xiàn）有的人机结合工作模式已不适应这一要求。这一成果为（wéi）地震监测（cè）、预测预警业务实现快速、高效的智能化转（zhuǎn）型（xíng）提供了坚实的基（jī）础。”中国地震局科技与国际（jì）合作司司长车时告诉《中国科学报》。
北京大学（xué）理论与应用地（dì）球（qiú）物理研究所所长赵（zhào）里评（píng）价说：“张捷教授团队在人（rén）工智能解（jiě）决地震监测预警领（lǐng）域不断取得突（tū）破，并应（yīng）用到川滇地震科学实验场，对我国的地震减灾事业（yè）意义重大。”
“减轻破坏程度是地震研究（jiū）者的一个重要目（mù）标。当（dāng）破坏性地震发生时，实（shí）时（shí）报告地（dì）震参数（shù）对于立即进（jìn）行破坏评估和（hé）紧急疏散至关重要。该研究目前正在（zài）转化为实际（jì）成果，近期将（jiāng）在中国科（kē）学技术大学（xué）和中国地震局合作研发的（de）‘智能（néng）地（dì）动’人工智能地震监测系统上试运（yùn）行，在中国地震科学实验场（chǎng）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）
