人工知能が地震監視を新たな時代へ導く

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被害の程度を軽減することは地震研究者にとって重要な目標です。破壊的な地震が発生した場合、即時の被害評価と緊急避難のためには、地震パラメータのリアルタイム報告が不可欠です。研究者らは、ディープラーニングアルゴリズムを使用することで、人工知能システムが地震記録を受け取ってから1秒以内に震源メカニズムの解析パラメータを正確に推定できることを発見した。

地震発生源情報の迅速かつ自動的な公開は、地震の早期警報に直接影響を与えるだけでなく、地震後の傾向の判断、迅速な震度報告、地震緊急救助のための科学的根拠を提供することもできます。しかし、地震記録から地震の震源メカニズムを推測するのは、時間のかかる計算プロセスです。そのため、現在、世界中の地震監視ネットワークでは、地震発生時刻、マグニチュード、場所、震源の深さなどの速報情報のみが提供されており、地震の破壊特性を表す震源メカニズム解析パラメータは含まれていません。

最近、米国工学アカデミー会員で中国科学技術大学地球宇宙工学学院の修士教授である張潔氏の研究グループがネイチャー・コミュニケーションズに発表した論文によると、ディープラーニングアルゴリズムを使用することで、人工知能システムは地震記録を受け取ってから1秒以内に震源メカニズム解のパラメータを正確に推定できることが示された。

重要な焦点メカニズムの解決策

2004年12月26日午前8時58分55秒、世界を震撼させる大災害が突如発生した。

インドプレートとアジアプレートの接合部でマグニチュード9.3の地震が発生した。この地震は強力な津波も引き起こし、巨大な波がインドネシア、スリランカ、モルディブなどの国々を襲い、多数の死傷者と財産の損失を引き起こした。

「インド洋の地震はクリスマス休暇中に発生し、多くの国の地震専門家は休暇中だった」と張潔氏は中国科学日報に語った。「震源地は大規模な逆断層だった。地震発生から15分後、津波がまずインドネシアに到達したが、何の前触れもなく、最終的に14カ国で22万人以上の死者を出した。」

張潔氏は、地震の震源パラメータの観点から、海底逆断層地震は波を作り津波を引き起こす可能性があるが、他の種類の地震は津波を発生させる可能性が低いと説明した。

震源メカニズム解析（断層面解析とも呼ばれる）では、地震観測データを使用して、地震発生時の震源地の力と断層の動きの性質を調べます。震源メカニズムの解析は、断層の種類を理解するのに役立つだけでなく、地震発生時の断層の具体的な動きを明らかにし、走向、傾斜、傾きなどのすべり面の特性を説明することにも役立ちます。

「震源メカニズム解析は津波の予測に役立つだけでなく、前震から本震を予測したり、本震データから強い余震を予測したり、震源付近の応力分布状況を明らかにしたりするためにも使用できます」と張潔氏は述べた。「地震の震源すべりの特性を理解することは非常に重要です。多くの地震活動地帯では、断層系の分布はすでに把握されています。震源すべりパラメータに基づいて、どの断層系が活動を開始したか、その応力方向はどこか、近くにある他の同様の断層が危険かどうかなどを判断することができます。」

1秒以内にパラメータを報告

「地震記録から地震の震源メカニズムを推測することが難しいのは、従来の方法が計算負荷が大きすぎるからだ。この非線形問題の数値解の計算には長い時間がかかる。地震前後のさまざまな対応準備や地震後の救助・救援活動には、一秒一秒が非常に貴重だ」と張潔氏は語った。

1938 年に地震学者が初めて地震の震源メカニズムの解を計算して以来、震源メカニズムのパラメータをいかに迅速に導き出すかは、地震研究者が常に解決したいと考えてきた問題でした。現在に至るまで、世界中の地震監視ネットワークは、地震速報情報を公表する際に、震源メカニズムのパラメータを含めていません。研究者は、地震発生後数分以上経過するまで、震源メカニズムのパラメータを報告できないことがよくあります。

2014年、張潔の研究グループは中国科学技術大学コンピュータサイエンス学院の陳恩紅教授の研究グループと協力し、インターネット検索エンジン技術を利用して、データベースに保存されている震源メカニズムの解を迅速に報告しました。この論文はNature Communicationsに掲載されました。その後、この方法は四川省や雲南省での地震監視に使用され、当時としては地震の震源メカニズムを迅速に報告する最先端の技術となりました。しかし、この方法はデータベースによって制約されており、より広い地震監視エリアに適用することは困難です。

研究チームはこの分野で7年間の継続的な研究を経て、初めて人工知能手法を用いてデータベースの制約を打ち破り、広域地震監視に適した手法を実現した。

現在、米国、日本、その他の国における地震の震源パラメータの報告レベルは同程度です。米国地震庁は、地震発生後 3 分以内に初期の地震発震メカニズムの解析結果を報告し、数分以内に修正や改善を行うことがあります。ほとんどの場合、地震発生後 10 分経って初めて報告されます。

「中国地震局ネットワークセンターは近年、緊急通報能力を継続的に向上させている。2020年の緊急通報の平均時間は、震源メカニズムの解明を除いた地震発生後572秒（約10分）だった」と張潔氏は付け加えた。

「この研究では、機械学習アルゴリズムを使用して、新しい深層畳み込みニューラルネットワークであるFocal Mechanism Network（FMNet）を提案しました。これは、完全な波形情報を使用して、発震機構を迅速に推定します。」論文の筆頭著者で、現在は米国スタンフォード大学地球物理学部の博士研究員であるKuang Wenhuan氏は、China Science Dailyに次のように語っています。「教師ありニューラルネットワークモデルのトレーニングに大量の実際のデータが必要な一般的なアプリケーションとは異なり、FMNetは最初に合成データでトレーニングしてから、実際のデータに直接適用できます。FMNetは、合成トレーニングデータから、発震機構に関連する波形の普遍的な特性を学習します。」

「人工知能の手法は、学習、検証、テストを通じて独自のシステムを改善できます。しかし、地域に十分な過去の地震やサンプルがない場合、機械学習の問題をどうやって解決すればよいのでしょうか？」と張潔氏は語ります。「理論計算データをトレーニングサンプルとして使用するのは非常に効果的であることがわかりました。実際、これまでに発表された震源メカニズムの解決に関する研究も、理論モデルとデータ反転を通じて得られたものです。機械学習はすべての理論的知識を習得するため、速度と精度が優れています。」

「完全な理論的地震ビッグデータを人工知能ニューラルネットワークのトレーニングに応用することで、システムの精度と信頼性が向上しました」とクアン・ウェンファン氏は述べた。「数日間の学習の後、地震が発生すると、実際の地震データが人工知能システムに入力され、1秒以内にシステムは震源メカニズムのパラメータを正確に推定できます。」

研究パラメータ「普及」

「今回の成果は、すべての地震源パラメータを完全自動かつ即時に報告することを実現した初めての成果です。これまでは、これは『研究パラメータ』であり、地震学者は特定の地震の発震機構の解を報告する論文を発表することが多かったのです。」張潔氏は、「リアルタイムで発震機構の解を提供できることは、世界の地震監視レベルを新たな段階に導くでしょう。」と語った。

張潔氏は、地震の発震機構が解明されれば、単一の地震でどの断層が活動しているかがわかり、応力分布を推測して地震リスクを予測できるようになると説明した。震源メカニズムの解決という概念は一般の人にとって理解しにくいものですが、早期警報システムは震源メカニズムの解決に基づいて判断を下し、一般の人々に危険度を知らせることができます。

「大量の実際のデータテストにより、この方法の有効性が確認されました」とクアン・ウェンフアン氏は述べました。「私たちは、断層の地質と断層のメカニズムを説明するために、震源メカニズムを使用しています。また、本震の震源メカニズムを使用して応力変化を計算し、余震による地震誘発理論をテストすることもできます。さらに、タイムリーに導き出された震源メカニズムは、現在実装されている点震源地盤動予測モデルに重要な補足情報を提供し、早期警報のための地震予測の改善に役立つ可能性があります。」

論文の3人の査読者は全員一致でチームの成果を「非常に刺激的で画期的な結果」と評した。

「地震予知と早期警報の精度向上には、集中的な高頻度監視データ収集とリアルタイム処理が必要です。既存の人間と機械の連携作業モードでは、もはやこの要件を満たせません。今回の成果は、地震監視、予知、早期警報サービスの迅速かつ効率的なインテリジェント化に向けた強固な基盤を提供します」と中国地震局科学国際協力部のチェ・シ部長は中国科学日報に語った。

北京大学理論応用地球物理学研究所所長の趙立氏は、「張潔教授のチームは、地震監視と早期警報の問題を解決するために人工知能の分野で継続的に進歩を遂げ、それを四川・雲南地震科学実験場に応用しており、これはわが国の地震災害軽減活動にとって非常に意義深い」とコメントした。

「被害の程度を軽減することは地震研究者の重要な目標です。破壊的な地震が発生した場合、地震パラメータのリアルタイム報告は、即時の被害評価と緊急避難にとって重要です。この研究は現在実用的な結果に変換されており、中国科学技術大学と中国地震局が共同開発した人工知能地震監視システム「スマート地震」でまもなく試験運用され、中国の地震科学実験分野で全面的に推進される予定です」と張潔氏は述べた。 （張双湖）