深地震是地球科學中的一個未解之謎。過去三十年里，地震學家發現深地震的破裂過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生機制導致。中國科學技術大學李澤峰課題組利用機器學習對全球3000余個中大震級地震進行了系統分析，證明了深地震破裂過程和震源參數的差異由地球剛度隨深度變化導致，與地震的具體產生機制無關，糾正了該領域長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程（Similar seismic moment release process for shallow and deep earthquakes）”為題發表在國際學術期刊《Nature Geoscience》。

深地震是指震源深度超過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，深地震的產生機制與淺地震的脆性破裂有所不同。關于深地震成因有許多猜想，如脫水脆化、熱失穩和亞穩態橄欖石相變等，但至今仍沒有定論。了解深地震的成因和破裂過程有助于我們更好地理解地震的物理機制、俯沖帶的性質以及地球內部的動力過程。長久以來，地震學家通過分析震源時間函數，發現淺地震(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生機制。

李澤峰課題組創新性地設計了一系列機器學習實驗，對全球3000多個中大地震進行了分類和相關性分析（圖1）。結果證明淺地震和深地震的破裂過程差異都可以被隨深度變化的地球剛度所定量解釋，而與具體的地震產生機制無關。這一發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度比值對不同深度、不同介質下的地震均保持恒定。該理論預測發生在巖石剛度較低的超淺地震（如海嘯地震）會有更長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剛度校正的地震標度律（圖2），將地震學界沿用超過半個世紀的自相似理論拓展到不同深度不同巖石種類的地震。傳統地震標度律認為持續時間和破裂面積遵從相同的縮放關系，但這一關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間和破裂面積會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的地震持續時間和破裂面積都會遵循相同的縮放關系。新的地震標度律深化了我們對地震物理本質的理解。

圖2. 新的地震標度律預測了地震關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技術大學地球和空間科學學院博士研究生崔鑫，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。研究受到國家重點研發計劃和國家自然科學基金項目的資助，是李澤峰課題組近年來致力于將人工智能應用于地震科學發現(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

（地球和空間科學學院、科研部）