Bayesian neural networks (BNN) are the probabilistic model that combines the strengths of both neural network (NN) and stochastic processes. As a result, BNN can combat overfitting and perform well in applications where data is limited. Earthquake rupture study is such a problem where data is insufficient, and scientists have to rely on many trial and error numerical or physical models. Lack of resources and computational expenses, often, it becomes hard to determine the reasons behind the earthquake rupture. In this work, a BNN has been used (1) to combat the small data problem and (2) to find out the parameter combinations responsible for earthquake rupture and (3) to estimate the uncertainty associated with earthquake rupture. Two thousand rupture simulations are used to train and test the model. A simple 2D rupture geometry is considered where the fault has a Gaussian geometric heterogeneity at the center, and eight parameters vary in each simulation. The test F1-score of BNN (0.8334), which is 2.34% higher than plain NN score. Results show that the parameters of rupture propagation have higher uncertainty than the rupture arrest. Normal stresses play a vital role in determining rupture propagation and are also the highest source of uncertainty, followed by the dynamic friction coefficient. Shear stress has a moderate role, whereas the geometric features such as the width and height of the fault are least significant and uncertain.


翻译:贝叶斯神经网络(BNN)是将神经网络(NN)和随机过程相结合的概率模型。因此,BNN能够解决过拟合问题,并在数据有限的应用中表现良好。地震断裂研究是一个这样的问题,其中数据不充足,科学家不得不依靠许多试错的数值或物理模型。由于资源不足和计算开销大,通常很难确定地震断裂的原因。在这项工作中,我们使用了一个BNN:(1)解决小数据问题,(2)找出导致地震断裂的参数组合,(3)估计与地震断裂相关的不确定性。使用了2000个断裂模拟来训练和测试模型。考虑了一个简单的二维断裂几何形状,其中断层在中心具有高斯几何异质性,并且每个模拟中有八个参数变化。BNN的测试F1分数为0.8334,比简单NN分数高2.34%。结果表明,断裂传播的参数具有比断裂停止更高的不确定性。法向应力在确定断裂传播方面起着至关重要的作用,并且是最大的不确定性来源,其次是动态摩擦系数。剪应力起到中等作用,而几何特性,如断层的宽度和高度则是最不重要和不确定的。

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