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  地震地磁观测与研究  2022, Vol. 43 Issue (S1): 268-270  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2022.S1.087
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引用本文  

龚丽文, 张怀, 陈石, 等. 基于机器学习提取微震迁移规律的研究[J]. 地震地磁观测与研究, 2022, 43(S1): 268-270. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2022.S1.087.
GONG Liwen, ZHANG Huai, CHEN Shi, et al. Research on the extraction of microseismic migration law based on machine learning[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2022, 43(S1): 268-270. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2022.S1.087.

基金项目

国家杰出青年科学基金(项目编号:41725017);国家重点研发计划课题项目(项目编号:2020YFA0713401)

通讯作者

张怀(1973-), 男, 博士, 教授, 主要从事计算地球动力学及人工智能在地学中的应用研究工作。E-mail: hzhang@ucas.ac.cn

作者简介

龚丽文(1988-), 男, 工程师, 主要从事计算地球动力学与地震预报研究。E-mail: gongliwen21@mails.ucas.cn
基于机器学习提取微震迁移规律的研究
龚丽文 1),2)   张怀 1)   陈石 3)   陈丽娟 2)     
1) 中国北京 100049 中国科学院大学地球与行星科学学院, 计算地球动力学重点实验室;
2) 中国重庆 401147 重庆市地震局;
3) 中国北京 100081 中国地震局地球物理研究所
关键词地震精定位    聚类分析    特征提取    
Research on the extraction of microseismic migration law based on machine learning
GONG Liwen 1),2)   ZHANG Huai 1)   CHEN Shi 3)   CHEN Lijuan 2)     
1) College of Earth and Planetary Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
2) Chongqing Earthquake Agency, Chongqing 401147, China;
3) Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China
Key words: seismic precise location    cluster analysis    feature extraction    
1 研究背景

地震迁移是指地震带内地震的发生顺序在空间上呈定向迁移的现象,对其规律的研究有助于震情形势的研判。马宗晋等(1992)结合中国大陆4条地震带的迁移规律证明了迁移的定向性。Peng和Zhao(2009)利用重复地震及其迁移特征反演断层的破裂与滑动特征;孙云强等(2019)结合三维黏弹塑性有限元模型模拟区域断层系统的地震循环,进而计算地震迁移概率。因此,地震迁移具有更加明确的物理机理和实际应用价值,可为后期地震数值预报提供可靠的物理指标。

2 研究内容

近年来,随着微震监测能力和地震精定位技术的显著提升,地震目录趋于完备,本文以西昌地区2008—2022年发生的地震为例[图 1(a)],利用机器学习算法提取地震簇的空间特征和时间属性。

图 1 地震簇提取结果 Fig.1 Extraction results of seismic clusters

由于地壳介质的不均匀性和构造地质环境的复杂性,地震通常呈簇状分布在特殊的构造部位。因此,选用密度聚类方法对精定位数据进行聚类分析,即通过一组邻域范围内的地震个数来描述样本分布的紧密程度,其最大优势是不需要输入簇数k,且可以发现任意形状的聚类簇,剔除一些分散的噪声地震。然后,通过轮廓系数来衡量聚类效果,在保证分类多样性的前提下,选取轮廓系数局部最优的聚类参数(ϵ = 0.26,MinPts = 25)作为最终的模型参数[图 1(b)],对精定位地震数据进行聚类分析。为了消除因石棉地区地震密度较大而造成地震簇过大,通过迭代聚类再次提取断裂交错部位的不同地震簇,最终获取13个有效地震簇,并按断裂位置和地名进行命名[图 1(c)]。然后以聚类分析结果为训练样本,通过K邻近算法训练模型,并结合长期的地震目录进行监督分类,以获得与地震簇相关的分类结果[图 1(d)],从而增加统计分析的样本量和时间尺度。

3 研究结果

由于不同地震簇中的地震存在集中发生时段,即在时间上具有丛集特征。因此,在空间分类基础上,再次对时间进行聚类分析,获取不同地震簇的时间演化特征,将地震进一步划分为29个地震簇(图 2)。

图 2 地震迁移特征 Fig.2 Analysis of seismic migration characteristics

结合不同地震簇的空间分布特征和时间属性进行分析,深入挖掘地震活动的迁移特征:①整体而言,地震从康滇地轴的东西两侧(蓝黑色)向康滇地轴核部迁移(黄绿色),然后向两侧扩散(红色)[图 2(a)];②利用箱形图显示地震簇的分散情况,反映各簇地震发生的分散程度:即小江河断裂、大凉山石棉段、鲜水河石棉段和则木河西昌段等地震簇持续时间较长,指示断裂的相应部位长期处于活动状态,而其他断裂部位则集中在某个时间段呈丛集状分布[图 2(b)];③鲜水河断裂磨西段和大凉山断裂石棉段地震复发周期较短,呈现多个地震簇间歇性重复出现,反映该区段对区域应力场较敏感,应力变化后,能量容易释放发生小地震。

4 结束语

在断层的不同区段,因其不同活动性,形成不同形态的地震簇。结合地震簇的特征提取,研究地震迁移规律,可知:西昌地区地震具有从康滇地轴的东西两侧向中轴迁移,然后向外扩散的迁移规律,这可为该区域震情形势研判和地震预报提供重要依据。

参考文献
马宗晋, 李献智, 金继宇. 地震迁移的规律解释和预报: 中国大陆四条地震带的地震迁移[J]. 地震地质, 1992, 14(2): 129-139.
孙云强, 罗纲, 尹力, 等. 青藏高原东北缘断层系统的大地震迁移概率及断层滑动速度的分段特征[J]. 地球物理学报, 2019, 62(5): 1663-1679.
Peng Z, Zhao P. Migration of early aftershocks following the 2004 Parkfield earthquake[J]. Nature Geoscience, 2009, 2: 877-881.