月震數(shù)據(jù)是研究月球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)最直接的資料，對于理解月球的演化至關(guān)重要。1969年，阿波羅任務(wù)首次成功布設(shè)月震儀，改變了人類對月球的認(rèn)知，開啟了月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測時代。進(jìn)入21世紀(jì)，月球再次成為世界主要航天國家的探測熱點(diǎn)，中國和美國分別計劃于2026年通過嫦娥7號月震儀和Farside Seismic Suite開展月球極區(qū)月震觀測，我們正處于新一輪月震觀測的前夕。不同于地球，月球地震觀測環(huán)境異常惡劣。例如，月表的溫度變化幅度極大（約-185°C到+122°C）。在阿波羅任務(wù)中，為了減小儀器的溫度浮動范圍，首先使用絕熱罩將溫度波動范圍控制在約±12°C內(nèi)（Chief & Branch, 1971）。在月球夜間溫度驟降時，通過循環(huán)加熱器將儀器溫度穩(wěn)定在約51°C±0.3°C 。在月球白天，由于并未配備制冷器，儀器內(nèi)部溫度會明顯升高。例如，阿波羅12號站月震儀儀器溫度記錄顯示：月球上的日出48小時內(nèi)，儀器溫度升高約10°C。而阿波羅月震儀使用的LaCoste彈簧在每攝氏度的溫度變化下存在4%的熱漂移，因此還配備了一個熱補(bǔ)償棒來減輕這種漂移現(xiàn)象（Bendix, 1968）。極端的觀測環(huán)境和航天器設(shè)備的干擾會導(dǎo)致月震記錄中出現(xiàn)地球地震觀測中未曾出現(xiàn)的特殊信號。檢測、理解和去除這些由儀器故障、溫度變化等因素引起的異常信號，對于正確解讀和分析月震數(shù)據(jù)至關(guān)重要。在此背景下，利用人工智能新方法重新挖掘和分析阿波羅月震數(shù)據(jù)，不僅有助于增進(jìn)對已有月震記錄的認(rèn)識，也可為我國即將獲取的首批月震數(shù)據(jù)提供有益參考和技術(shù)儲備。
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為此，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所劉欣博士，肖卓偉博士后和導(dǎo)師李娟研究員，聯(lián)合美國德州大學(xué)奧斯汀分校Yosio Nakamura教授，利用基于深度學(xué)習(xí)的無監(jiān)督聚類方法對阿波羅月震數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入挖掘，發(fā)現(xiàn)了一類此前未被報道過的與溫度強(qiáng)相關(guān)的長周期信號（圖1）。該信號同時存在于阿波羅任務(wù)被動源地震實(shí)驗(yàn)（Passive Seismic Experiment, PSE）四個長期工作的月震儀記錄中，其主周期約560秒，存在倍頻，且不同臺站的主周期存在差異。該信號的振幅在“峰值”（Peak）和“平坦”（Flat）兩種工作模式下的振幅相差約10倍，與儀器響應(yīng)相符。信號主周期在月球日出日落時會發(fā)生遷移（圖2）。在排除數(shù)模轉(zhuǎn)換器的影響之后，根據(jù)阿波羅月震儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖3），推測該信號可能產(chǎn)生自PSE儀器的循環(huán)加熱器：在月球夜間，當(dāng)加熱器開啟時，儀器內(nèi)溫度上升，此時LaCoste彈簧可能變?nèi)酰瑢?dǎo)致擺向下移動；而當(dāng)加熱器關(guān)閉時，儀器內(nèi)溫度下降，此時彈簧強(qiáng)度逐漸恢復(fù)，導(dǎo)致擺向上移動；循環(huán)加熱器的往復(fù)開關(guān)有可能導(dǎo)致了周期為500多秒的長周期信號。遺憾的是，由于阿波羅月震儀并未記錄其循環(huán)加熱器的開關(guān)情況，無法最終證實(shí)我們對該信號成因的推測。
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研究發(fā)現(xiàn)的長周期信號的主周期及其倍頻落在月球自由振蕩的特征頻率范圍內(nèi)（Khan & Mosegaard, 2001），對于月球自由震蕩信號的搜索具有重要的價值。該信號在月球夜間長期存在，也會影響阿波羅月震數(shù)據(jù)的自相關(guān)和互相關(guān)分析。自開展阿波羅月震研究五十余年后，這一廣泛存在的信號才被本研究首次發(fā)現(xiàn)和報道，這也提醒研究人員在使用月震數(shù)據(jù)時，需特別留意極端觀測環(huán)境下各方面因素對月震記錄可能帶來的影響。此外，本研究使用的非監(jiān)督深度聚類方法采用偽標(biāo)簽和分類損失函數(shù)更新網(wǎng)絡(luò)權(quán)重，不同于此前依賴重構(gòu)損失函數(shù)或聚類損失函數(shù)的方法（Mousavi et al., 2019; Seydoux et al., 2020) ，為行星地震信號挖掘提供了一個新的有力的工具。
圖1 (a) 波形片段聚類結(jié)果的疊加展示，以阿波羅PSE 12號站“Peak”模式下的MHZ分量為例。以1小時為時窗切片，聚類疊加后的波形。設(shè)置的聚類數(shù)量為40，每個子圖的標(biāo)題中說明了每個類的ID（從C0到C39）以及每個類中Peak模式片段的總數(shù)（Num）。紅框展示了具有該長周期信號的類別，在疊加后的波形中可以看到清晰的長周期信號。（b）為（a）中片段對應(yīng)的歸一化振幅譜的疊加展示。
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圖2 長周期信號的周期變化特征。（a）根據(jù)波形峰值間隔計算得到的周期，日平均值用紅點(diǎn)表示。結(jié)果受噪聲和波形中的異常影響，穩(wěn)定性較差，樣點(diǎn)較分散，尤其是在日落和日出時；（b）使用3小時片段的振幅譜計算得到的周期，滑動步長為30分鐘；（c）對振幅譜計算的周期進(jìn)行微調(diào)后得到的周期。
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圖3 阿波羅PSE垂直地震儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（改自Bendix, 1968）。阿波羅月震儀采用的LaCoste彈簧在每攝氏度的溫度變化下存在4%的熱漂移。熱補(bǔ)償棒的作用是減輕彈簧熱漂移的影響。
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研究成果發(fā)表于國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Earth and Space Science（劉欣, 肖卓偉, 李娟*, Yosio Nakamura. (2024). Newly discovered temperature‐related long‐period signals in lunar seismic data by deep learning.?Earth and Space Science,?11(7), e2024EA003676. DOI: 10.1029/2024EA003676.）。研究受國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（E42230111）和中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所重點(diǎn)部署項(xiàng)目（IGGCAS-201904）聯(lián)合資助。
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主要參考文獻(xiàn)：
- Chief, L., & Branch, E. E. (1971). APOLLO LUNAR SURFACE EXPERIMENTS PACKAGE SYSTEMS HANDBOOK ALSEP A2 PCN-1.
- Bendix. (1968). Final Technical Report for ALSEP Passive Seismic Experiment Subsystem Program. Bendix Corporation Aerospace Systems Division.
- Khan, A., & Mosegaard, K. (2001). New information on the deep lunar interior from an inversion of lunar free oscillation periods.?Geophysical research letters,?28(9), 1791-1794.
- Mousavi, S. M., Zhu, W., Ellsworth, W., & Beroza, G. (2019). Unsupervised clustering of seismic signals using deep convolutional autoencoders.?IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,?16(11), 1693-1697.
- Seydoux, L., Balestriero, R., Poli, P., Hoop, M. D., Campillo, M., & Baraniuk, R. (2020). Clustering earthquake signals and background noises in continuous seismic data with unsupervised deep learning.?Nature Communications,?11:3972.
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