Healthy Research Rewards
ResearchHub is incentivizing healthy research behavior. At this time, first authors of open access papers are eligible for rewards. Visit the publications tab to view your eligible publications.
Got it
WZ
Weiqiang Zhu
Author with expertise in Machine Learning for Earthquake Early Warning Systems
Achievements
Cited Author
Open Access Advocate
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
6
(83% Open Access)
Cited by:
1,851
h-index:
25
/
i10-index:
38
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
0

PhaseNet: A Deep-Neural-Network-Based Seismic Arrival Time Picking Method

Weiqiang Zhu et al.Oct 11, 2018
As the number of seismic sensors grows, it is becoming increasingly difficult for analysts to pick seismic phases manually and comprehensively, yet such efforts are fundamental to earthquake monitoring. Despite years of improvements in automatic phase picking, it is difficult to match the performance of experienced analysts. A more subtle issue is that different seismic analysts may pick phases differently, which can introduce bias into earthquake locations. We present a deep-neural-network-based arrival-time picking method called "PhaseNet" that picks the arrival times of both P and S waves. Deep neural networks have recently made rapid progress in feature learning, and with sufficient training, have achieved super-human performance in many applications. PhaseNet uses three-component seismic waveforms as input and generates probability distributions of P arrivals, S arrivals and noise as output. We engineer PhaseNet such that peaks in the probability distributions provide accurate arrival times for both P and S waves. PhaseNet is trained on the prodigious available data set provided by analyst-labelled P and S arrival times from the Northern California Earthquake Data Center. The data set we use contains more than 700 000 waveform samples extracted from over 30 yr of earthquake recordings. We demonstrate that PhaseNet achieves much higher picking accuracy and recall rate than existing methods when applied to the waveforms of known earthquakes, which has the potential to increase the number of S-wave observations dramatically over what is currently available. This will enable both improved locations and improved shear wave velocity models.
0
Paper
Citation708
0
Save
0

CRED: A Deep Residual Network of Convolutional and Recurrent Units for Earthquake Signal Detection

S. Mousavi et al.Jul 16, 2019
Abstract Earthquake signal detection is at the core of observational seismology. A good detection algorithm should be sensitive to small and weak events with a variety of waveform shapes, robust to background noise and non-earthquake signals, and efficient for processing large data volumes. Here, we introduce the Cnn-Rnn Earthquake Detector (CRED), a detector based on deep neural networks. CRED uses a combination of convolutional layers and bi-directional long-short-term memory units in a residual structure. It learns the time-frequency characteristics of the dominant phases in an earthquake signal from three component data recorded on individual stations. We train the network using 500,000 seismograms (250k associated with tectonic earthquakes and 250k identified as noise) recorded in Northern California. The robustness of the trained model with respect to the noise level and non-earthquake signals is shown by applying it to a set of semi-synthetic signals. We also apply the model to one month of continuous data recorded at Central Arkansas to demonstrate its efficiency, generalization, and sensitivity. Our model is able to detect more than 800 microearthquakes as small as −1.3 ML induced during hydraulic fracturing far away than the training region. We compare the performance of the model with the STA/LTA, template matching, and FAST algorithms. Our results indicate an efficient and reliable performance of CRED. This framework holds great promise for lowering the detection threshold while minimizing false positive detection rates.
0
Paper
Citation294
0
Save
0

STanford EArthquake Dataset (STEAD): A Global Data Set of Seismic Signals for AI

S. Mousavi et al.Jan 1, 2019
Seismology is a data rich and data-driven science. Application of machine learning for gaining new insights from seismic data is a rapidly evolving sub-field of seismology. The availability of a large amount of seismic data and computational resources, together with the development of advanced techniques can foster more robust models and algorithms to process and analyze seismic signals. Known examples or labeled data sets, are the essential requisite for building supervised models. Seismology has labeled data, but the reliability of those labels is highly variable, and the lack of high-quality labeled data sets to serve as ground truth as well as the lack of standard benchmarks are obstacles to more rapid progress. In this paper we present a high-quality, large-scale, and global data set of local earthquake and non-earthquake signals recorded by seismic instruments. The data set in its current state contains two categories: (1) local earthquake waveforms (recorded at "local" distances within 350 km of earthquakes) and (2) seismic noise waveforms that are free of earthquake signals. Together these data comprise ~1.2 million time series or more than 19,000 hours of seismic signal recordings. Constructing such a large-scale database with reliable labels is a challenging task. Here, we present the properties of the data set, describe the data collection, quality control procedures, and processing steps we undertook to insure accurate labeling, and discuss potential applications. We hope that the scale and accuracy of STEAD presents new and unparalleled opportunities to researchers in the seismological community and beyond.
0
Paper
Citation291
0
Save
0

Imaging the Garlock Fault Zone With a Fiber: A Limited Damage Zone and Hidden Bimaterial Contrast

James Atterholt et al.Jul 1, 2024
Abstract The structure of fault zones and the ruptures they host are inextricably linked. Fault zones are narrow, which has made imaging their structure at seismogenic depths a persistent problem. Fiber‐optic seismology allows for low‐maintenance, long‐term deployments of dense seismic arrays, which present new opportunities to address this problem. We use a fiber array that crosses the Garlock Fault to explore its structure. With a multifaceted imaging approach, we peel back the shallow structure around the fault to see how the fault changes with depth in the crust. We first generate a shallow velocity model across the fault with a joint inversion of active source and ambient noise data. Subsequently, we investigate the fault at deeper depths using travel‐time observations from local earthquakes. By comparing the shallow velocity model and the earthquake travel‐time observations, we find that the fault's low‐velocity zone below the top few hundred meters is at most unexpectedly narrow, potentially indicating fault zone healing. Using differential travel‐time measurements from earthquake pairs, we resolve a sharp bimaterial contrast at depth that suggests preferred westward rupture directivity.
0

Deep Learning for Deep Earthquakes: Insights from OBS Observations of the Tonga Subduction Zone

Ziyi Xi et al.Jun 6, 2024
SUMMARY Applications of machine learning in seismology have greatly improved our capability of detecting earthquakes in large seismic data archives. Most of these efforts have been focused on continental shallow earthquakes, but here we introduce an integrated deep-learning-based workflow to detect deep earthquakes recorded by a temporary array of ocean-bottom seismographs (OBSs) and land-based stations in the Tonga subduction zone. We develop a new phase picker, PhaseNet-TF, to detect and pick P- and S-wave arrivals in the time–frequency domain. The frequency-domain information is critical for analysing OBS data, particularly the horizontal components, because they are contaminated by signals of ocean-bottom currents and other noise sources in certain frequency bands. PhaseNet-TF shows a much better performance in picking S waves at OBSs and land stations compared to its predecessor PhaseNet. The predicted phases are associated using an improved Gaussian Mixture Model Associator GaMMA-1D and then relocated with a double-difference package teletomoDD. We further enhance the model performance with a semi-supervised learning approach by iteratively refining labelled data and retraining PhaseNet-TF. This approach effectively suppresses false picks and significantly improves the detection of small earthquakes. The new catalogue of Tonga deep earthquakes contains more than 10 times more events compared to the reference catalogue that was analysed manually. This deep-learning-enhanced catalogue reveals Tonga seismicity in unprecedented detail, and better defines the lateral extent of the double-seismic zone at intermediate depths and the location of four large deep-focus earthquakes relative to background seismicity. It also offers new potential for deciphering deep earthquake mechanisms, refining tomographic models, and understanding of subduction processes.