汶川地震十年-大数据发现汶川地震的前兆异常度

任何强烈地震前都可能出现异常现象，这一认识已由我国地震前兆观测和研究结果所证实。但汶川地震却和我国40年来发生的其它大地震不一样，前兆观测获得的信息比较少，其宏观异常也似乎“非常少”。这种现象如何解释，关系到地震预测途径探索的方向问题。张崇利研究团队利用大数据的方法，发现了汶川地震的前兆异常度，发现地震构造和前兆相结合的“前兆异常度”，这是从大数据带来的新角度研究地震前兆现象的结果。

1、前兆异常度概念

在汶川地震发生后，中国地震前兆台网（图1）回溯观测到了一些异常现象，如四川姑咱台的地倾斜观测，云南富民台和丽江台以及海南三亚海滨台的水温观测。还有不少学者从震后总结的角度探讨了某些异常现象与汶川8.0级地震的关系。

图1 中国（除中国台湾外）地震前兆台网

观测台站（点）空间分布示意图

蓝色菱形表示汶川8.0地震前在运行的观测

点的地理位置，不含“十五”期间建设的新台站

（点）；红色实心圆表示汶川地震震中位置

图2为汶川地震前2008年5月7日全国存在短临异常变化测项的地震前兆观测台、站（点）空间分布示意图。由图2我们不难发现，从异常观测点的数量及其空间分布状态来看，存在短临异常的台站（点）主要相对集中分布于华北、甘肃东南部以及四川南部至云南西部地区，而汶川地震震中区附近则相对较少，震中区及其附近“异常集中”的现象并不显著。因此，就异常的这种空间分布状态而言，根据已经积累的地震预报经验和方法，要准确预报汶川8.0级地震的发震地点，在实践上是极其困难的。

图2 汶川8.0级地震及临震前发现存在

短临异常的前兆观测台站（点）空间分布图

三角形表示由中国地震前兆台网观测到并被

提出存在异常现象的观测站/点的空间位置；

实心圆表示汶川地震的震中位置

由图1可见，我国地震前兆观测台站的空间分布是不均匀的。因为前兆观测台站（点）空间分布的不均匀性，会导致习惯上的“异常相对集中”在空间上不具可比性。如何在异常中识别出与汶川8.0级地震有关的“前兆性异常”信息？大数据的方法是在大量的数据中找关系，地震前兆“异常活动度”就是从大数据找关系。

所谓“异常活动度”，一般地，系表示某一地质构造单元在某一t时刻表现为异常活动的剧烈程度的参量。理论上可用下式表示：

式中，异常活动度AZCL为一个无量纲的参量。S为量度与孕育某个震级水平的地震相匹配且不可再分的基本地质构造单元的理论空间尺度，它与研究对象需要所设定的震级下限有关。ε为对应于S的地质构造单元的特征空间尺度参量，它是S的近似值，与“地震－构造活动”关系研究结果的准确性和精细程度有关。NA表示某一具ε特征空间尺度的地质构造单元内在t时刻呈异常活动状态的质点数，N表示与ε对应的地质构造单元内质点的总数。

关于上述“地质构造单元”的概念，是指“活动地块”（如图3所示）。并将图1所示的存在短临异常的观测点与汶川地震震中的空间关系置入“中国大陆活动地块”（图3）这一地质构造格架内的大数据分析处理结果。

图3 中国大陆一、二级活动地块划分结果示意图

（据张培震等，2003）

图4 中国大陆一、二级地块、汶川地震

震中与震前发现存在短临异常的前兆观测

台站（点）空间分布图

蓝色三角形表示存在短临异常观测台站的空间

位置；红色实心圆表示汶川地震的震中位置

2 汶川地震前的异常度

在中国大陆一、二级地块构造框架下，将各地块内的异常台站（点）数量分别与位于相应地块内地块内台站（点）的数量相比较，得到中国大陆各地块（不包括前兆监测能力低的地块如，拉萨地块、阿尔泰地块等。下同）异常活动度AZCL的近似值。在汶川8.0级地震临震前，巴颜喀拉地块异常活动水平之高居各活动地块或各边界带之首，其异常活动度aZCL值高达21.43％。而与之相邻的川滇地块aZCL值为6.45％，华南地块西部aZCL值为1.55％，羌塘地块和柴达木地块的aZCL值均为0。可见，上述各活动地块比邻的、共同作用的边界区域是异常活动差异性最为剧烈的地区，汶川8.0级地震就发生在这一区域内巴颜喀拉地块东部与华南地块西北部接壤的边界带上。显然，汶川8.0级地震震中与地震发生前短临异常活动在空间上的这种对应关系不是偶然的。

为更直观地考察与理解汶川8.0级地震前短临异常活动的空间分布与该地震发生地点的相关性，将各活动地块位于中国大陆（含海南岛）内的部分，按5×5 km划分为若干单元格，以活动地块及其边界带作为约束条件，采用以距离的倒数为权重、加权平均的非线性内插方法，便可得到aZCL的等值域及其空间分布状态，结果如图5。图中清楚地显示出汶川地震震中位于巴颜喀拉地块东部川西高原异常活动度最大（aZCL为21.43％）区域的南东边缘，且在四川盆地（华南地块西北部）异常活动水平相对较低区域（aZCL仅为1.55％）比邻的边界带上。显见，该地带是汶川地震前短临异常活动的差异性最为强烈的地带。

图5 中国大陆一、二级地块、汶川地震震中

与该地震前短临异常活动度的空间分布图

红色和粉红色的区域为临震前异常活动度值最大或比较大的地区，黄色区域为异常活动度值次之；深蓝色区域为异常活动度值最低，着其它颜色的区域所示的异常活动度值的大小介于黄色与深蓝色所表示的异常活动度值之间；红色实心圆为汶川地震震中位置；左下角的是汶川地震的孕震模型。

图5可见，汶川地震临震前异常活动度最高的区域位于川西高原。这说明，在汶川地震孕育的短临阶段，异常活动程度较高的巴颜喀拉地块东部的川西高原异常活动程度最为剧烈。汶川地震震中就位于这一区域的南东边缘、且与异常活动程度比较弱的四川盆地相毗邻的龙门山断裂带上。显然，这一结果与大地震多发生在构造活动或地壳形变差异性最为强烈地带的认识是一致的。地震活动性研究表明巴颜喀拉地块是近百年大地震最活跃的地块，前兆异常度的研究结果和这些研究是一致的，这是大数据关系处理带来的新发现。

图6 汶川地震震前、震时和震后地震前兆异常度

图6 为利用我国前兆台网数据获得的汶川地震前震后前兆异常活动度的变化图。从宏观上说明了我国几十年的前兆观测与地震前兆过程。它为我们针对大震巨灾改进前兆的观测布局，特别是建设密集地震前兆观测网，利用大数据技术动态跟踪地震的前兆过程，探索大震预测的新途径具有重要意义。

CGI-KP2018019