模擬斷層滑動(dòng)引起的地殼形變是構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和地震學(xué)的核心基礎(chǔ)問題之一。 然而，由于觀測(cè)數(shù)據(jù)稀疏且存在空間不連續(xù)性，往往導(dǎo)致傳統(tǒng)的正演和反演方法存在計(jì)算效率低和計(jì)算結(jié)果精度不足的問題。盡管物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PINNs）和物理編碼有限元網(wǎng)絡(luò)（PEFEN）等人工智能方法為受物理規(guī)律約束的稀疏數(shù)據(jù)問題提供了新方案，但其基于連續(xù)可微假設(shè)的連續(xù)場(chǎng)預(yù)測(cè)特性，與斷層位錯(cuò)場(chǎng)固有的位移非連續(xù)特征存在本質(zhì)沖突。
針對(duì)以上問題，中國地震局地質(zhì)研究所魯人齊研究員團(tuán)隊(duì)，利用人工智能技術(shù)，在模擬方法上取得進(jìn)展。中國地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)與強(qiáng)震預(yù)測(cè)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生楊旭航，在陶瑋研究員指導(dǎo)下，提出一種基于辟節(jié)點(diǎn)-物理編碼有限元網(wǎng)絡(luò)（SN-PEFEN）模擬斷層位錯(cuò)引起的非連續(xù)形變場(chǎng)的正反演方法。
本方法將有限元節(jié)點(diǎn)分裂機(jī)制集成到 PEFEN 框架中，通過在網(wǎng)格預(yù)處理階段將空間不連續(xù)性顯式編碼進(jìn)節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，SN-PEFEN 不僅克服了現(xiàn)有 PEFEN 模型在處理不連續(xù)場(chǎng)時(shí)的理論限制，還保持了所研究問題的物理一致性。
圖1 SN-PEFEN方法的正演流程圖
圖2 SN-PEFEN方法的反演流程圖
本研究將SN-PEFEN方法應(yīng)用于二維和三維復(fù)雜介質(zhì)、復(fù)雜斷層位錯(cuò)引起的形變場(chǎng)的正反演模擬。在保證結(jié)果精度的前提下，對(duì)百萬量級(jí)節(jié)點(diǎn)自由度網(wǎng)格，正演問題的計(jì)算效率比傳統(tǒng)有限元（FEM）方法提高40倍以上（從約1800s縮短至42s）；反演計(jì)算僅在100個(gè)迭代步內(nèi)即可收斂，總運(yùn)行時(shí)間約 2000 秒，展現(xiàn)出極高的計(jì)算效率。
圖3 基于SN-PEFEN方法的二維和三維斷層位錯(cuò)的正演數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果，及與相同網(wǎng)格的FEM結(jié)果的比較
圖4 2023 年土耳其Mw7.8 級(jí)地震三維復(fù)雜非均勻斷層同震位錯(cuò)造成的地表形變場(chǎng)模擬結(jié)果對(duì)比（斷層幾何和同震位錯(cuò)來自 Barbot et al., 2023）
（b\c\f\g）不同斷層損傷帶強(qiáng)度，SN-PEFEN方法正演模擬結(jié)果；（d\e\h\i）不同斷層損傷帶強(qiáng)度，F(xiàn)EM方法正演模擬結(jié)果
圖5 基于SN-PEFEN方法的三維斷層位錯(cuò)的反演數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果，及其收斂曲線和地表變形場(chǎng)模擬精度
本方法為分析地質(zhì)力學(xué)中復(fù)雜的不連續(xù)變形建立了一種高效的人工智能新范式，在多斷層系統(tǒng)分析和斷層滑動(dòng)正反演方面具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，SN-PEFEN 可以為地震應(yīng)急響應(yīng)和災(zāi)害管理提供快速且基于物理規(guī)律的評(píng)估手段，并可服務(wù)于下一代數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的區(qū)域地震預(yù)警系統(tǒng)所需的大數(shù)據(jù)模型積累。
上述研究成果近期發(fā)表在國際地學(xué)期刊Geophysical Journal International，核心代碼已開源于https://doi.org/10.5281/zenodo.16623837。研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2023YFC3012004）、中國科學(xué)院國際伙伴計(jì)劃-中國科學(xué)院-土耳其科技研究理事會(huì)協(xié)議項(xiàng)目（059GJHZ2023075MI）和中國地震局地質(zhì)研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)（IGCEA2406）、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（ 42074118）支持。
論文信息：
Xuhang Yang, Wei Tao, Split-Node Physics-Encoded Finite-Element Network for Forward and Inverse Modeling of Fault-Slip-Induced Discontinuous Deformation, Geophysical Journal International, 2026;, ggag074, https://doi.org/10.1093/gji/ggag074
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