点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:人工智能引领地震监测迈入新时代
首页> 科普频道> 科普头条 > 正文

人工智能引领地震监测迈入新时代

来源:《中国科学报》2021-03-18 09:39

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  减轻破坏程度是地震研究者的一个重要目标。当破坏性地震发生时,实时报告地震参数对于立即进行破坏评估和紧急疏散至关重要。研究人员发现,利用深度学习算法,人工智能系统可在收到地震记录后不到1秒时间内,准确估算出震源机制解参数。

  快速自动化揭示地震震源信息对地震预警有直接作用,也可为震后趋势判定、烈度速报、地震应急救援等提供科学依据。但是,从地震记录推算地震震源机制是个耗时的计算过程。因此,目前世界各地地震监测台网在速报信息里只有发震时刻、震级、地点和震源深度等内容,不包括描述地震破裂特征的震源机制解参数。

  日前,美国国家工程院院士、中国科学技术大学地空学院大师讲席教授张捷课题组发表在《自然—通讯》的一篇论文显示,利用深度学习算法,人工智能系统可在收到地震记录后不到1秒时间内,准确估算出震源机制解参数。

  重要的震源机制解

  2004年12月26日8时58分55秒,一场震惊世界的重大灾难突然降临。

  印度洋板块与亚洲板块交界处,发生了里氏9.3级地震。地震又引发了强烈海啸,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和财产损失。

  “印度洋大地震发生时正值圣诞假期,许多国家的地震专业人员都在度假。”张捷告诉《中国科学报》,“当时震源是大型逆冲破裂。震后15分钟,海啸最先到达印尼,但却没有预警,最后造成14个国家共22万余人失去生命。”

  张捷解释说,从地震震源参数来说,海底逆冲类型地震可能会掀起海浪,造成海啸,而其他类型地震产生海啸的可能性比较小。

  震源机制解(又称断层面解)是利用地震观测资料来研究地震发生时,震源处作用力和断层错动性质。震源机制解不仅可以帮助了解断层的类型,还可以揭示断层在地震发生时具体的运动情况,描述滑断面的特征,走向、倾向、倾角等。

  “除能帮助预测海啸外,震源机制解还可能用于由前震预测主震,或由主震资料预测强余震,揭示震源附近的应力分布状况等。”张捷说,“了解地震的震源滑断特征非常重要。在很多地震活动带,我们已经掌握了断层系的分布,依据震源滑动参数就能判断出是哪个断层系开始活动、其应力方向在哪儿、附近其他类似断层会不会出现危险等。”

  1秒内报出参数

  “从地震记录推算地震震源机制的难点在于,传统方法计算强度太大。该数值解非线性问题,计算时间长。对地震发生前后各种应对准备及震后抢险救灾来说,每一秒都非常珍贵。”张捷说。

  自1938年地震学家第一次推算地震震源机制解开始,如何快速得出震源机制参数一直是地震研究者想解决的问题。时至今日,世界各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。研究人员往往在地震发生几分钟或更长时间后,才能报出震源机制参数。

  2014年,张捷课题组与中国科大计算机学院教授陈恩红课题组合作,用互联网搜索引擎技术,实现了快速报出数据库里存好的震源机制解。该论文发表在《自然—通讯》上。随后,该方法在四川、云南投入地震监测,成为当时最先进的震源机制解速报技术。但该方法受数据库约束,难以应用于较大的地震监测区域。

  在这一领域持续深耕7年后,课题组首次利用人工智能方法,突破了数据库的约束,使该方法适用于大区域地震监测。

  目前,美、日等国速报震源参数水平相当。美国国家地震局最快能在震后3分钟报出最初的地震震源机制解,随后几分钟内有可能再进行修正完善,多数情况是在地震发生10分钟以后才能报出。

  “中国地震局台网中心最近几年在持续提高速报能力,2020年平均速报时间在震后572秒(约10分钟),其中不包括震源机制解。”张捷补充说。

  “在这项研究中,我们利用机器学习算法,提出一种新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震源机制。”该论文第一作者、已在美国斯坦福大学地球物理系从事博士后研究的况文欢对《中国科学报》说,“与一般应用中有监督神经网络模型的训练需要大量的实际数据不同,FMNet可以先用合成数据训练,然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有关的波形的普遍特征。”

  “人工智能方法可以通过学习、验证与测试完善自身系统。但一个区域历史地震不够、样本不够,怎么解决机器学习问题?”张捷说,“我们发现采用理论计算数据做训练样本非常有效。实际上,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的,机器学习只不过掌握了所有理论知识,因此速度与准确度更好。”

  “应用完备的理论地震大数据训练人工智能神经网络,完善了该系统的准确性和可靠性。”况文欢说,“经过几天的学习,当地震发生后,实际地震数据进入人工智能系统后,在不到1秒的时间内,系统就可以准确地估算出震源机制参数。”

  研究参数“平民化”

  “该成果第一次实现了全自动瞬间报出所有震源参数。在此之前,这是个‘研究参数’,地震学家经常发论文报告某个地震的震源机制解。”张捷说,“能够实时提供震源机制解,将引领全球地震监测水平进入一个新的阶段。”

  张捷解释说,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,从而推断应力分布,预测地震风险。虽然震源机制解的概念公众并不容易理解,但预警系统可以依据震源机制解做出决定,通知公众风险程度。

  “大量实际数据测试证实了该方法的有效性。”况文欢说,“我们使用震源机制来描述断层地质和断层机制,也可以利用主震的震源机制来计算应力变化,以检验余震的地震触发理论。此外,及时导出的震源机制可以为目前正在实施的点源地震动预测模型提供重要的补充,有可能帮助改进地震预测,以便进行早期预警。”

  对团队取得的成果,该论文的三位审稿人一致评价为,“非常激动人心的突破性成果”。

  “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理,现有的人机结合工作模式已不适应这一要求。这一成果为地震监测、预测预警业务实现快速、高效的智能化转型提供了坚实的基础。”中国地震局科技与国际合作司司长车时告诉《中国科学报》。

  北京大学理论与应用地球物理研究所所长赵里评价说:“张捷教授团队在人工智能解决地震监测预警领域不断取得突破,并应用到川滇地震科学实验场,对我国的地震减灾事业意义重大。”

  “减轻破坏程度是地震研究者的一个重要目标。当破坏性地震发生时,实时报告地震参数对于立即进行破坏评估和紧急疏散至关重要。该研究目前正在转化为实际成果,近期将在中国科学技术大学和中国地震局合作研发的‘智能地动’人工智能地震监测系统上试运行,在中国地震科学实验场全面推广。”张捷说。(张双虎)

[ 责编:张梦凡 ]
阅读剩余全文()

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 日/周
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

独家策划

推荐阅读
当前全球生态环境挑战日益严峻,科技创新是应对可持续发展挑战的核心力量。
2026-10-16 16:29
10月16日是第四十六个世界粮食日,所在周是全国粮食安全宣传周,主题为“创新当下,粮安未来”。从良种选育、智能农机到数字农业、精准储运,创新正成为粮食增产、节粮减损、营养提升的关键引擎。即日起,光明网联合科普中国推出系列科普视频,深入解读科技创新绘就的粮安答卷。
2026-10-16 08:46
在显示技术升级与人工智能赋能的双重驱动下,行业正跳出传统数字阅读的固有边界
2026-10-16 08:45
打造集技术研发、模型训练、系统验证及场景测试于一体的创新基地,推动人形机器人及具身智能技术从实验室研发阶段走向大规模产业应用。
2026-10-16 08:39
工业和信息化部、中央网信办、市场监管总局高度重视,在前期调查工作基础上,成立联合调查组开展核查,并依法依规处理。有关情况将及时公布。
2026-10-16 08:40
大会延续“零碳·科技”永久主题,以“智储新程 绿动全球”为年度主题
2026-10-16 08:35
“戈壁荒滩老风口,飞沙走石雁不留。托里县老风口蝶变的三部曲,为生态脆弱地区推动高质量发展、树立和践行正确政绩观,提供了深刻启示。树立和践行正确政绩观,就要算大账、算长远账、算整体账,既做显功、也做潜功,把生态优势转化为发展优势、民生福祉。
2026-10-15 09:51
常压下,水到0℃会结冰,这就是人们熟悉的相变,0℃即是相变的临界点。两篇论文的共同通讯作者、宁波东方理工大学助理教授余雪佳,把这个难题比作“在沸水中完好保存一件冰雕”。
2026-10-15 09:49
长久以来,古生物学界与教科书普遍认为琥珀皆源自种子植物(裸子或被子植物),最古老的确切记录定格在美国约3.2亿年前的石炭纪晚期。
2026-10-15 09:48
在芯片制造、航空发动机等高端硬核制造领域,技术迭代具有长周期、累积性、阶梯式特征,遵循循序渐进、层层突破的线性攻关规律。新征程上,持续深耕创新生态建设、迭代升级现代化创新体系,必能培育形成扎根中国、联通世界、内生增长、开放共生的创新新格局。
2026-10-15 09:46
受困于“小散弱”的格局,长期以来,我国科技期刊在国际学术传播体系中缺少属于自己的“拳头产品”与平台话语权——“在精品化发展方面,经过70余年积淀,我国已形成以《中国科学》《科学通报》《国家科学评论》等刊群为代表的高水平期刊方阵。
2026-10-15 09:45
AI时代,科研的“源头活水”是什么?不是算力,不是数据,而是人对未知世界的好奇与追问。
2026-10-14 11:28
截至8月末,三家基础电信企业的固定互联网宽带接入用户总数7.04亿户,比上年末净增1365万户;三家基础电信企业及中国广电的移动电话用户总数18.49亿户,其中5G移动电话用户13.11亿户。
2026-10-14 09:34
自然资源部会同国家发展改革委12日发布《矿产资源目录》。自然资源部矿产资源保护监督司负责人表示,矿产资源目录是矿产资源管理制度的重要基础,是制定矿产资源规划、实施矿业权管理、规范矿产资源勘查开采行为、征缴矿产资源税费、制定产业政策等工作的依据。
2026-10-14 09:40
与共康村相邻的巴达村,是第一批参与试种的村,也是西藏首个高海拔水稻实测亩产破千斤的村子,村民把“海拔3175米种水稻”写进村史。一粒水稻种子,不只改写了亩产数字,更改变了“西藏水稻只能在察隅、墨脱海拔1500米以下种植”的历史,为高原水稻纳入地方主粮增添可能。
2026-10-14 09:41
如今,AI正改变许多行业的底层逻辑,固守单一思维模式将面临严峻挑战,文理兼备、跨界融合才是稀缺能力——既有理科生的技术思维和逻辑能力,又有文科生的人文洞察和情感素养。未来更有竞争力的,可能不是最典型的文科生或理科生,而是既有专业深度,又能跨学科解决问题的人。
2026-10-14 09:48
不久前,在海南三亚崖州湾科技城,一场名为“青年π”的海洋主题对话临海开讲。高频下潜试出的不只有装备可靠性,也不断刷新人们对深海的认识。同一园区,由哈尔滨工程大学南海研究院孵化的海南水之声海洋科技有限公司,正给海洋装备搭水下“Wi-Fi”。
2026-10-14 09:49
目前各地正在开展流感疫苗接种。今年开始,国家对农村地区“一老一小”重点人群实施免费接种等相关支持性政策。为什么要接种流感疫苗?去年接种过,今年是否还需要接种?到哪里接种?
2026-10-13 10:03
我国城市盲道总里程以万公里计,公共场所无障碍设施持续铺开。数字世界的“盲道”畅通起来。精神文化的“视界”也在扩大。中国传媒大学师生发起的“光明影院”项目,近十年间每年制作上百部无障碍电影,把电影送到视障朋友耳边,今年还走进联合国教科文组织总部举办专场放映。
2026-10-13 10:01
记者近期从中国互联网络信息中心获悉:截至今年上半年,我国生成式人工智能用户规模超7亿人,普及率超50%。
2026-10-13 09:58
加载更多