基于ABIC的联合反演方法：利用海啸、GNSS和SAR数据构建2024年日本能登半岛地震有限断层模型

《Geophysical Journal International》：ABIC-based Joint Inversion using Tsunami, GNSS, and SAR Data: Finite Fault Model of the 2024 Noto Peninsula Earthquake, Japan

本刊推荐：为解决多源数据联合反演中权重确定难题，研究人员开展ABIC(赤池贝叶斯信息量准则)驱动的海啸、GNSS与SAR数据联合反演研究。通过构建能登半岛Mw7.5地震有限断层模型，发现铲式断层为最优几何结构，最大滑动量达11米，首次实现断层倾角与数据权重的同步优化。该方法为复杂断层系统的震源机制研究提供了新范式。

　　

2024年元旦，日本能登半岛发生矩震级7.5级的逆断层型地震，引发了局地海啸和显著同震位移。这次地震的震源机制复杂，特别是断层几何结构存在争议——不同研究团队提出了高倾角（约60°）、中倾角（约45°）和铲式（listric）断层（倾角随深度由70°变为35°）等多种模型。准确确定断层几何和滑动分布对于理解地震破裂过程、评估海啸风险以及预测余震活动至关重要。

传统上，构建有限断层模型需要联合多种观测数据，如海啸波形、全球导航卫星系统（GNSS）数据和合成孔径雷达（SAR）数据。每种数据各有优劣：GNSS能提供高精度三维地表位移但空间稀疏；SAR覆盖范围广但缺乏时间分辨率；海啸数据对约束海底断层滑动至关重要，但时间分辨率低。将不同数据集进行联合反演可以互补优势，然而，一个长期存在的难题是如何确定这些数据集之间的相对权重，以及如何选择正则化（如平滑约束）的强度。以往研究多采用试错法，随着数据类型的增加，确定权重变得异常困难。

为此，本研究提出了一种基于赤池贝叶斯信息量准则（ABIC）的联合反演新方案。ABIC是一种模型选择准则，能够通过最小化其数值来客观地确定反演中的超参数（hyperparameters），包括数据集权重、平滑度约束的强度，甚至断层的物理参数（如倾角）。虽然ABIC已成功应用于地震和大地测量数据的反演，但将其与海啸数据结合，并同时优化多个超参数的研究尚属罕见。

研究人员将此法应用于2024年能登半岛地震。他们基于地震研究所（ERI）先前提出的断层模型，设置了七个子断层（NT2, NT3, NT4, NT5, NT6, NT8, NT9），并评估了三种倾角模型：原始ERI模型（倾角约50°或60°）、倾角45°模型（MLIT模型）以及铲式断层模型（JAMSTEC模型）。反演中，他们将断层划分为5 km × 5 km的子断层，共144个。模型参数为每个子断层上的滑动量，并引入了基于构造应力场的直接先验约束（direct prior constraint）和空间平滑约束（Laplacian平滑）。

关键的技术方法包括：1) 利用ABIC框架统一处理海啸（在频率域分析）、GNSS（GEONET网络的每日解算结果）和SAR（ALOS-2卫星的像素偏移结果）数据的联合反演问题，并优化相对权重（γ₁², γ₂²）、平滑度（α²）和先验约束强度（β²）；2) 将断层倾角（δ）作为超参数进行评估；3) 使用贝叶斯优化算法（Optuna库）高效搜索最优超参数组合；4) 采用DC3D程序计算格林函数；5) 对海啸数据采用频率域分析以简化协方差矩阵并提高反演稳定性。

反演结果

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  最优断层几何：ABIC值最低的是铲式断层模型（ABIC=13482），其次是倾角45°模型（ABIC=13591）和原始ERI模型（ABIC=13703）。这表明铲式断层是解释观测数据的最优几何结构。
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  滑动分布特征：铲式断层模型显示，最大的同震滑动（约11米）位于能登半岛西北角下方的NT6断层西端，这与实地调查发现的约4米海岸抬升相符。此外，模型还揭示了半岛东部近海的NT2和NT3断层存在显著滑动（最大约3-4米），这与一些仅使用大地测量数据的研究结果不同。滑动以逆冲分量为主。模型估算的矩震级M_w为7.56。
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  数据拟合效果：铲式断层模型在拟合各类数据上表现均衡。海啸波形的方差减少（VR）达到76.3%，特别是在能登半岛西侧的金泽（Kanazawa）和敦贺（Tsuruga）站，该模型成功再现了观测波形的第一个波峰。GNSS位移的VR为96.7%，SAR视线向位移的VR为86.6%，均优于其他两种模型，表明ABIC能够有效地权衡数据集，在很好地拟合海啸数据的同时，显著改善了对陆地基站位移的拟合。

讨论与结论

本研究成功发展并验证了一套基于ABIC的海啸、GNSS和SAR数据联合反演方案。该方案的创新性在于能够同步客观地确定数据集权重、平滑约束以及断层倾角等关键参数。将其应用于2024年能登半岛地震，得出以下主要结论：

1. 1.1.
   铲式断层结构最可能：在测试的三种断层几何中，铲式断层最能协调解释海啸、GNSS和SAR的联合观测数据，为理解该地震复杂的破裂过程提供了关键几何约束。
2. 2.2.
   海啸数据约束海底滑动：联合反演有效利用了海啸数据来约束近海断层（NT2, NT3）的滑动，降低了模型在这些区域的不确定性，展示了联合反演的优势。
3. 3.3.
   频率域分析提升稳定性：研究发现，在ABIC框架下，对海啸记录进行频率域分析（FDI）比传统时间域分析（TDI）能获得更稳健的反演结果。这是因为频率域允许使用更简单的对角协方差矩阵，避免了时间域中因滤波等因素引入的复杂非对角协方差矩阵问题，从而使ABIC优化过程更稳定。
4. 4.4.
   主要滑动区与地表变形一致：模型揭示的最大滑动区位于NT6断层西部，与实地观测到的最大海岸抬升区对应，验证了模型的可靠性。
5. 5.5.
   近海断层活动性：模型表明NT2和NT3断层可能发生了同震滑动，这对于解释能登半岛东部近海的地质构造活动和海啸生成有重要意义。不过，对于NT2断层上的滑动，以及模型在个别子断层上出现的负滑动（可能与固定滑动角导致的自由度不足有关），仍需结合更多数据（如地震波数据）进行进一步验证。

这项研究的意义在于，它不仅为2024年能登半岛地震提供了一个更可靠的有限断层模型，更重要的是提出了一种强大的、可扩展的联合反演方法论。该方法能够系统性地处理多源数据融合中的权重难题，并可方便地融入其他数据类型（如地震波形），为未来深入研究地震震源过程、评估地震和海啸灾害提供了新的技术途径。论文发表于《Geophysical Journal International》。