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快速自动化（huà）揭（jiē）示（shì）地震震源（yuán）信息对地震（zhèn）预警（jǐng）有直接作（zuò）用（yòng），也（yě）可（kě）为震（zhèn）后趋势（shì）判（pàn）定、烈度速报、地震应急救援（yuán）等提（tí）供（gòng）科学依据。但（dàn）是，从地震记录推算（suàn）地（dì）震震源机制是个耗时（shí）的计（jì）算过程。因此（cǐ），目前世界各地地震监测台网在速报信息里（lǐ）只有（yǒu）发震时（shí）刻、震级（jí）、地点和震（zhèn）源深度等内容，不包括描述地震破裂特征的震源机制解参数。
日前（qián），美国国家工程院院士、中国科（kē）学技术大学地空（kōng）学院大师（shī）讲席教授（shòu）张捷课题组发表在《自然（rán）—通讯》的（de）一篇论文（wén）显（xiǎn）示，利用深度学习算法（fǎ），人工（gōng）智（zhì）能系统可在收到地震记录后不到1秒时间内，准确估算出震（zhèn）源机制解参数。
重要的震源机制（zhì）解
2004年（nián）12月26日8时58分55秒，一场震惊世界的重（chóng）大（dà）灾（zāi）难突然降临。
印度洋（yáng）板块与亚洲板块交界处，发生（shēng）了里氏9.3级地震。地震又引（yǐn）发了（le）强烈海啸，滔（tāo）天巨浪席卷了包（bāo）括印度尼西亚、斯里兰卡、马尔（ěr）代夫等国，造成了（le）巨大的（de）人员伤（shāng）亡和财（cái）产（chǎn）损失。
“印度洋大地震（zhèn）发生（shēng）时正值圣诞假期，许多（duō）国家（jiā）的地（dì）震专（zhuān）业人员都在（zài）度假。”张（zhāng）捷告诉《中国科学报》，“当（dāng）时震源是大型逆冲破裂。震后（hòu）15分钟，海啸最先到达印尼，但却（què）没有预警（jǐng），最后造（zào）成14个国（guó）家共22万（wàn）余（yú）人失去生命。”
张捷解释说，从地震（zhèn）震源（yuán）参数来说，海底逆冲类型（xíng）地（dì）震可（kě）能会掀起（qǐ）海浪，造成（chéng）海啸，而其他类（lèi）型地震产生海啸（xiào）的（de）可能性比（bǐ）较小。
震源（yuán）机制解（jiě）（又称断层面解）是利用地震观测资料来研究地震（zhèn）发生时，震源处（chù）作用力和断层错动性（xìng）质。震源机制解（jiě）不仅可以帮助了解断层的类（lèi）型，还可以揭示断（duàn）层在（zài）地震发（fā）生时具（jù）体的运动情况，描述滑断面的特征，走向、倾向、倾角等。
“除能帮（bāng）助预测海啸外，震源机（jī）制解还可能用于（yú）由（yóu）前震预测主震，或（huò）由主震资（zī）料（liào）预（yù）测强余震，揭示震源附近的应力分布状况等。”张捷（jié）说（shuō），“了解地震的震源（yuán）滑断特征非常重要。在很多地震活（huó）动（dòng）带，我们已经掌握了（le）断层（céng）系（xì）的分（fèn）布，依据震源（yuán）滑动参数就能判（pàn）断出是哪个断层系开始（shǐ）活动（dòng）、其应力方向在哪（nǎ）儿、附近其他类似断（duàn）层会不会出现危险等。”
1秒内报出参数
“从地震记录推算（suàn）地震震源机制的难点（diǎn）在（zài）于（yú），传统（tǒng）方法计算（suàn）强度太大。该数值解非线（xiàn）性问题，计算时（shí）间长（zhǎng）。对（duì）地震发生前后各（gè）种应（yīng）对准备及（jí）震后（hòu）抢险（xiǎn）救灾（zāi）来（lái）说，每一秒都非常珍贵。”张（zhāng）捷说。
自1938年地（dì）震学家第（dì）一次（cì）推算地震震源（yuán）机制（zhì）解开始，如（rú）何快（kuài）速（sù）得出震源机制（zhì）参数（shù）一直是（shì）地震研究者想解决的（de）问题。时至今日，世界各地地震监测台网在地震速报（bào）信息时，仍不（bú）包括震源（yuán）机制参数。研究人员往往在地震发生几（jǐ）分钟或更长时（shí）间后，才（cái）能报出震（zhèn）源机制参数。
2014年，张捷课题组与中国科大计算机学院（yuàn）教授（shòu）陈恩红（hóng）课题组（zǔ）合作，用互联网搜索引擎技术，实现了快速报（bào）出数据库里存好的震（zhèn）源机制解。该论文发表在《自然—通讯》上（shàng）。随后，该方法在四川、云（yún）南（nán）投入地震监测，成为当时最（zuì）先进的（de）震源机制（zhì）解速报技术。但该（gāi）方（fāng）法（fǎ）受（shòu）数（shù）据库约束，难以应用（yòng）于较大（dà）的地震监测区域。
在这一领域持续深耕7年后，课（kè）题组首次（cì）利（lì）用人（rén）工智能方法，突（tū）破了数据库（kù）的（de）约（yuē）束，使该方法适用于大区域地震（zhèn）监测。
目前，美、日等（děng）国速报震源参数水平相当。美国国（guó）家地震局最快能在震后3分钟报出（chū）最初的地（dì）震震（zhèn）源机（jī）制解，随后几分（fèn）钟（zhōng）内有可能再进（jìn）行修（xiū）正（zhèng）完善，多（duō）数情况是在地震（zhèn）发生10分（fèn）钟以后才能报出。
“中国地震局台网中心最近几年在持（chí）续提（tí）高速报能力（lì），2020年平均速报时间在震后572秒（miǎo）（约10分钟），其中（zhōng）不包括（kuò）震（zhèn）源机（jī）制解。”张捷补（bǔ）充说。
“在这项研究中，我们利用机器（qì）学习（xí）算法，提出一种（zhǒng）新的深度卷积神经（jīng）网（wǎng）络——震源机制网络（FMNet），利（lì）用全波形信息快速（sù）估计震源机制。”该论文第一作者、已在美（měi）国斯坦福大学地（dì）球物理系（xì）从事博士（shì）后（hòu）研究（jiū）的况文欢对《中国科学报》说，“与一般应用中有（yǒu）监督神经网络模型的训练需（xū）要大量的（de）实（shí）际数据不同，FMNet可以（yǐ）先（xiān）用（yòng）合成数（shù）据训练，然后直接应用（yòng）于实（shí）际数据。FMNet从（cóng）综合训练数据中学习与（yǔ）震源机（jī）制有关的波形的普遍特（tè）征。”
“人工智能方法可以通过学习、验证与测试完（wán）善自（zì）身系统。但一（yī）个区（qū）域历（lì）史（shǐ）地震（zhèn）不够、样本（běn）不够，怎么解（jiě）决（jué）机（jī）器学习问题？”张捷说，“我们发（fā）现采用理论计算数据做训练样（yàng）本非常有（yǒu）效。实际（jì）上（shàng），目前发表的震源机制解方面的研究（jiū），也是通过理（lǐ）论（lùn）模型和数据反演得（dé）到的，机器学习只不过掌（zhǎng）握（wò）了所（suǒ）有理论知（zhī）识，因此速度（dù）与（yǔ）准确度更好（hǎo）。”
“应（yīng）用完备（bèi）的理（lǐ）论地震大数据（jù）训练人工智能神（shén）经网络，完善（shàn）了（le）该（gāi）系统的准确性和可靠性。”况文欢说，“经过几天的学习，当地震发（fā）生后，实际地震数据进入人工（gōng）智能系统后，在不（bú）到1秒的时间内，系统就可（kě）以准确地估算出（chū）震源机制参数。”
研究参数“平民化”
“该成果第一次（cì）实现了全自动瞬间报（bào）出所有（yǒu）震源参数。在此之前，这是个（gè）‘研究（jiū）参数（shù）’，地震学家经常发（fā）论文（wén）报告某个（gè）地震的震（zhèn）源机制（zhì）解（jiě）。”张捷说，“能（néng）够实时（shí）提供震（zhèn）源机制（zhì）解，将（jiāng）引领全球地震监测水平（píng）进入一个新的阶段。”
张（zhāng）捷解释说（shuō），有（yǒu）了地震震源机制（zhì）解后，就（jiù）知道单个地震是（shì）哪个断层在（zài）活动，从（cóng）而推断应力分布（bù），预测地震风险。虽（suī）然震源机（jī）制解的概（gài）念公众并不（bú）容易（yì）理解，但预警系统可以依据震源机制解做（zuò）出决定，通知公众风险程度。
“大量实（shí）际数据测试证（zhèng）实了该方法的有效性。”况文欢说，“我们（men）使用震源机制来描述断（duàn）层地质和断层机制，也可以利（lì）用主（zhǔ）震的震（zhèn）源机制来计算应力变化（huà），以检验余震的地（dì）震触发理论。此外，及时（shí）导（dǎo）出的震（zhèn）源机（jī）制可以为目前正在实施的点源地震动预测（cè）模型提供重要的补充，有可能帮助改进地震预测，以便进（jìn）行早期（qī）预（yù）警。”
对团队取得（dé）的成果，该论文的三（sān）位（wèi）审稿人（rén）一致（zhì）评价为，“非常激动人心的突破（pò）性成果”。
“提（tí）高地震（zhèn）预测预警（jǐng）的准确（què）性，需要（yào）密集的高（gāo）频监（jiān）测（cè）数据采集和实时处理，现有（yǒu）的人（rén）机（jī）结合工（gōng）作模式已不适应这一要求。这一成果（guǒ）为地震监测（cè）、预测预警业（yè）务（wù）实现（xiàn）快速、高效的（de）智能化转型提（tí）供了坚实的基础。”中国地震局科技与国际合作司司长车时告（gào）诉《中国科学（xué）报》。
北京大学理（lǐ）论与应用地球物理（lǐ）研究所所长赵里评价说：“张捷教授团队在（zài）人工智能解决地震监测预（yù）警（jǐng）领域不断取（qǔ）得突破（pò），并应（yīng）用到川滇地震科（kē）学实验场（chǎng），对我国的地震减灾事业意义重（chóng）大（dà）。”
“减轻（qīng）破坏程度是（shì）地震研究（jiū）者的一个重要目标。当破坏性地震发生时，实（shí）时报告地震参数对于立即进（jìn）行（háng）破坏（huài）评估和紧急疏散至关重（chóng）要（yào）。该研究目前（qián）正在转（zhuǎn）化为实际成果，近期将在中国科学技术大学和中（zhōng）国地震（zhèn）局合作（zuò）研发的‘智能地动’人工智能地震监测系统（tǒng）上试（shì）运（yùn）行（háng），在中国地震科（kē）学实验场（chǎng）全面推广。”张捷说。
相（xiàng）关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-21670-x
（原载（zǎi）于《中国科学报》 2021-03-18 第3版）
