活動斷層復(fù)雜的三維幾何結(jié)構(gòu)對斷層的發(fā)震潛力和地震破裂行為具有重要控制作用，因此準確表達斷層空間三維模型在地震科學(xué)研究中至關(guān)重要。雖然目前很多方法都可以直接刻畫斷層三維結(jié)構(gòu)，但對于復(fù)雜的非平面斷層（non-planar）而言，常規(guī)方法往往存在不確定性和多解性。針對斷層三維模型精細刻畫的技術(shù)難題，中國地震局地質(zhì)研究所博士研究生孫曉，在魯人齊研究員、王偉副研究員等老師的指導(dǎo)下，提出了一種基于自適應(yīng)閾值層次聚類和定量評估的自動化斷層三維建模方法（圖1）。
該方法利用人工智能技術(shù)，通過以下步驟實現(xiàn)斷層的高精度建模：1. 基于地震的空間特征，將最近鄰指數(shù)法擴展至三維空間，定量分析地震活動是否具有斷層結(jié)構(gòu)的叢集特征；2. 通過引入噪音閾值設(shè)計自適應(yīng)閾值層次空間聚類方法，識別各條斷層的小震叢集；3. 對每條斷層的小震叢集，通過局部加權(quán)回歸（LOWESS）實現(xiàn)切片自動垂直小震叢集走向，結(jié)合自定義切片步長和重疊度，實現(xiàn)高密度三維自動切片及斷層線穩(wěn)健擬合（圖2）；4. 結(jié)合地表破裂跡線，利用離散光滑插值構(gòu)建斷層三維模型；5. 通過核密度估計分析小震叢集到三維斷層面距離的空間分布特征進一步優(yōu)化斷層模型。
圖1自適應(yīng)閾值層次聚類和定量評估的自動化三維斷層建模方法。(1)地震叢集定量評估, (2)斷層叢集的智能識別，(3)自適應(yīng)高密度三維切片及斷層線穩(wěn)健擬合，(4)斷層的三維精細模型。
圖2高密度三維自動切片與斷層線穩(wěn)健擬合示意圖。(a)基于局部加權(quán)回歸的自動切片，(b)斷層線穩(wěn)健擬合示意圖。
圖3 2013年和2022年兩次蘆山地震震源區(qū)三維斷層模型。(a)AI驅(qū)動的三維斷層模型，(b)三維斷層的傾角分布，(c)小震叢集至斷層模型的距離統(tǒng)計及核密度估計曲線。
圖4 2019年Ridgecrest Mw 7.1地震震源區(qū)三維斷層模型。(a) NW-SE和SW-NE的兩個最大規(guī)模地震叢集建立的斷層模型，藍色小點為2019年Ridgecrest Mw 7.1地震的地震序列，紫色小球為識別出的叢集地震活動。(b)小震叢集至斷層的距離統(tǒng)計及核密度估計曲線，(c)2019年Ridgecrest地震的所有斷層模型，紅色線條代表地表破裂約束，紫色線條范圍代表無地表破裂約束。
研究團隊成功將該方法應(yīng)用于逆沖型盲斷層（2013年和2022年蘆山地震）和走滑斷層（2019年美國Ridgecrest Mw7.1地震）。在2013年Ms7.0蘆山地震案例中，模型識別出主斷層和分支斷層，二者構(gòu)成典型的Y型構(gòu)造。其中，主斷層F1幾何與產(chǎn)狀與主震及大多數(shù)M≥4.0地震的震源機制高度吻合，與前人研究一致。此外，2022年Ms6.1蘆山地震的主斷層F3與F2相距約10公里（圖3），顯示出兩次地震在空間上的關(guān)聯(lián)性。在2019年美國Ridgecrest地震案例中，該方法成功構(gòu)建了包含15條相互交切的復(fù)雜斷層結(jié)構(gòu)，主斷層總體呈NW-SE走向、平均傾角約85°，其幾何特征（如西北段近直立、中段略向NE傾）與地表破裂、主震及強余震（M≥4.0）的震源機制解及前人研究一致（圖4）。
相較于傳統(tǒng)人工或顯示建模，該自動化方法顯著提高了小震叢集識別精度，大幅減少人工干預(yù)，提升了建模效率并降低了主觀誤差，能有效處理單一或多條交切斷層系統(tǒng)，為復(fù)雜活動斷層的三維幾何構(gòu)建提供了一種高效、客觀的新技術(shù)途徑。
圖5本研究相關(guān)技術(shù)獲兩項國家發(fā)明專利授權(quán)。
該方法首創(chuàng)三維最近鄰指數(shù)與自適應(yīng)閾值層次聚類，提出基于LOWESS的高密度自動切片技術(shù)，結(jié)合地表破裂多元約束和核密度對稱性定量評估，實現(xiàn)了復(fù)雜非平面及多分支活動斷層的高效、客觀三維建模。該自動化技術(shù)體系已獲2項國家發(fā)明專利授權(quán)（圖5），為地震動力學(xué)模擬、斷層滑移反演及地質(zhì)災(zāi)害評估提供了高精度三維斷層模型支撐。
本項研究由深地國家國家科技重大專項(2024ZD1000500)資助，近期發(fā)表于國際期刊Geophysical Journal International：
Xiao Sun, Renqi Lu, Wei Wang, Fan Yang, Kefeng He; Automated 3-D modeling of seismic faults using adaptive threshold hierarchical clustering and quantitative assessment. Geophysical Journal International 2026; https://doi.org/10.1093/gji/ggaf426
京公網(wǎng)安備 11010502042766號
