基于震源机制解反演应力场的贝叶斯优化算法及其应用

关兆萱
防灾科技学院
摘要：构造应力场反演是解析地震动力学机制与板块构造运动的核心问题,其中基于震源机制解反演应力场的方法被广泛使用。但目前的传统方法存在着精度和效率难以平衡、无法筛选数据集中的异常数据的缺陷。基于此,本研究提出了一种具有高精度鲁棒性的应力场反演方法,该方法使用贝叶斯优化的算法来反演应力张量,不仅使用了全局优化(全参数空间搜索与EI+策略)和局部调优(收缩空间迭代与LCB策略)的双优化架构,还使用了并行计算来加速震源机制数据处理和目标函数模型训练过程。不仅如此,本研究方法还通过构建经过残差评分机制优化后的目标函数,来自动筛除数据集中的异常数据。 利用9种应力状态下人工合成的包含随机噪声以及异常值的震源机制数据对本研究方法进行验证,将得到的结果与传统的网格搜索法进行对比,结果表明在仅添加随机噪声数据的反演中,两种方法均能获得正确的结果,但本研究方法结果的平均残差与空间旋转角更小,更接近预设应力状态,这印证了本研究方法使用贝叶斯优化反演应力张量的准确性与优势性。在添加随机噪声与异常数据的反演中,本研究方法能够准确地筛除预设的异常数据,并给出与预设应力场值相差不大的最优解,而网格搜索法在大部分的场景下反演的结果与预设值相差很大,这印证了本研究方法使用残差评分机制筛除异常值的准确性。这些合成数据测试表明,新方法在噪声与异常值干扰下,R值反演误差稳定在±0.1以内,空间旋转角偏移均小于10°,平均残差均在10°以下,显著优于网格搜索法的误差。进一 步将该方法应用于南极中国长城站的地区进行检验,计算得到的结果显示,本研究反演的结果与世界应力图在该区域的最新结果十分接近,二者空间旋转角仅为24.20°,而网格搜索法的空间旋转角高达75.65°。反演结果表明该区域呈现近垂直向的挤压应力和较强西北-东南向的拉张应力,与菲尼克斯板块下沉导致的该地区拉张应力状态相一致,表明菲尼克斯板块逐渐消减的进程仍然在持续。 将本研究方法应用于台湾纵谷断裂带,发现该地区整体受到SE-NW向的挤压和近垂直拉张应力,这与菲律宾海板块的NW向俯冲方向一致。然而,研究识别出704个异常震源机制(残差>20°),表明纵谷断裂带内应力分布存在显著异质性。进一步的分区应力场反演结果显示,纵谷断裂带存在明显的分段异质性。南段和中段东侧以逆冲作用为主,西侧则主要表现为走滑,表明东侧块体受板块挤压较强,而西侧则受中央山脉侧向挤出影响;北段的应力状态则以逆冲分量为主。这些结果与GPS形变研究等结论相符,但本研究提供了更高空间分辨率的应力场约束。通过历史强震验证,2022年池上双震发生在S4和S6分区,2024年花莲M7.2地震位于N3分区。计算这些强震的相对剪应力和正应力,表明这些地震是构造应力场下的正常应力释放,验证了分区应力场对断层活动的控制,并证明了本研究反演方法的正确性。
关键词： 贝叶斯优化;应力场反演;震源机制解;异常值筛选;

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