MEANet: Magnitude estimation via physics-based features time series, an attention mechanism, and neural networks

震级(天文学) 人工神经网络 计算机科学 系列(地层学) 深度学习 人工智能 算法 物理 地质学 天体物理学 古生物学
作者
Jindong Song,Jingbao Zhu,Shanyou Li
出处
期刊:Geophysics [Society of Exploration Geophysicists]
卷期号:88 (1): V33-V43 被引量:20
标识
DOI:10.1190/geo2022-0196.1
摘要

ABSTRACT The traditional magnitude estimation method, which establishes a linear relationship between a single warning parameter and the magnitude, exhibits considerable scatter and underestimation. In addition, the extraction of features from raw waveforms by a deep learning network is a black box. To provide a more robust magnitude estimation and to construct a deep learning network with an interpretable input, in light of deep learning and earthquake rupture physics, we have established a magnitude estimation network model (MEANet) via the physics-based features time series, an attention mechanism, and neural networks. We use events with 4 ≤ M ≤ 7.5 that occur in Japan and the Sichuan-Yunnan region, China, to train and validate MEANet, and then use MEANet to test additional events. Our results find that MEANet has a more robust magnitude estimation than the traditional τc and Pd methods, with a standard deviation of error of ±0.25 magnitude units at a single station with a 3 s P-wave time window. Within 10 s after the first station is triggered, based on the weighted average of the triggered stations, MEANet provides robust magnitude estimation without underestimation for events with 4 ≤ M ≤ 7.5. Our finding implies that the final magnitude is to some degree deterministic by the combination of deep learning and physics-based features. Meanwhile, MEANet might have potential for earthquake early warning.
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