深地震是地球科學(xué)中的一個(gè)未解之謎。過(guò)去三十年里，地震學(xué)家發(fā)現深地震的破裂過(guò)程與淺地震有諸多不同，認為這些不同是由深地震獨特的產(chǎn)生機制導致。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李澤峰課題組利用機器學(xué)習對全球3000余個(gè)中大震級地震進(jìn)行了系統分析，證明了深地震破裂過(guò)程和震源參數的差異由地球剛度隨深度變化導致，與地震的具體產(chǎn)生機制無(wú)關(guān)，糾正了該領(lǐng)域長(cháng)達三十年的錯誤解釋。2023年5月1日，該研究成果以“深淺地震的相似地震矩釋放過(guò)程（Similar seismic moment release process for shallow and deep earthquakes）”為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Nature Geoscience》。
深地震是指震源深度超過(guò)60公里的地震。由于地球深處高溫高壓，巖石表現出塑性形變，深地震的產(chǎn)生機制與淺地震的脆性破裂有所不同。關(guān)于深地震成因有許多猜想，如脫水脆化、熱失穩和亞穩態(tài)橄欖石相變等，但至今仍沒(méi)有定論。了解深地震的成因和破裂過(guò)程有助于我們更好地理解地震的物理機制、俯沖帶的性質(zhì)以及地球內部的動(dòng)力過(guò)程。長(cháng)久以來(lái)，地震學(xué)家通過(guò)分析震源時(shí)間函數，發(fā)現淺地震(0-60 km)、中源地震(60-300 km)和深源地震(300-700 km)具有不同的破裂特征，并根據這些差異推斷深地震可能的產(chǎn)生機制。
李澤峰課題組創(chuàng )新性地設計了一系列機器學(xué)習實(shí)驗，對全球3000多個(gè)中大地震進(jìn)行了分類(lèi)和相關(guān)性分析（圖1）。結果證明淺地震和深地震的破裂過(guò)程差異都可以被隨深度變化的地球剛度所定量解釋?zhuān)c具體的地震產(chǎn)生機制無(wú)關(guān)。這一發(fā)現挑戰了傳統的地震應力降不變假設，轉而支持了應變降不變，即斷層滑移距與斷層破裂長(cháng)度比值對不同深度、不同介質(zhì)下的地震均保持恒定。該理論預測發(fā)生在巖石剛度較低的超淺地震（如海嘯地震）會(huì )有更長(cháng)的持續間以及更大的破裂面積，可能造成超出預期的破壞，對地震預警以及地震災害評估具有重要指導意義。
圖1. 全球震級>5.5級的淺、中深和深源地震分布
研究團隊據此提出了新的基于介質(zhì)剛度校正的地震標度律（圖2），將地震學(xué)界沿用超過(guò)半個(gè)世紀的自相似理論拓展到不同深度不同巖石種類(lèi)的地震。傳統地震標度律認為持續時(shí)間和破裂面積遵從相同的縮放關(guān)系，但這一關(guān)系并不適用于不同深度的地震。新的地震標度律考慮到不同深度的地震的持續時(shí)間和破裂面積會(huì )受其破裂區巖石剛度影響，增加了對巖石剛度的校正，使得不同深度不同介質(zhì)的地震持續時(shí)間和破裂面積都會(huì )遵循相同的縮放關(guān)系。新的地震標度律深化了我們對地震物理本質(zhì)的理解。
圖2. 新的地震標度律預測了地震關(guān)鍵參數隨地球深度的系統性變化
本文第一作者是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院博士研究生崔鑫，李澤峰研究員為通訊作者，合作者包括胡巖研究員。中國科大是本研究的唯一完成單位。研究受到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金項目的資助，是李澤峰課題組近年來(lái)致力于將人工智能應用于地震科學(xué)發(fā)現(AI for Earthquake Science)的系列研究成果之一。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41561-023-01176-5
擴展閱讀：
Li, Z. (2022), A generic model of global earthquake rupture characteristics revealed by machine learning, Geophys. Res. Lett., 49(8), e2021GL096464.
Ma, S., Z. Li, W. Wang (2022), Machine learning of source spectra for large earthquakes, Geophys. J. Int., 231(1), 692–702.
Yin, J., Z. Li, M. Denolle (2021), Source time function clustering reveals patterns in earthquake dynamics, Seismo. Res. Lett., 92, 2343-2353.
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https://mp.weixin.qq.com/s/lKubDiS2bWF7Hsjo8c_YIw
（地球和空間科學(xué)學(xué)院、科研部）
