意大利地震论文研究

原来，这是一种强烈地震的前兆，被称为地光。

许多强烈地震都伴随有发光现象。这种特殊的令人毛骨悚然的自然现象，早在几千年前就已经被人们注意到了。我国是世界上记载地光最早的国家，古书《诗经小雅•十月之交》里就曾记述了2800年前陕西岐山地震时奇异的声光现象。书中写道，“烨烨震电，不宁不令。百川沸腾，山家萃崩。高岸为谷，深谷为陵。”其中的“烨烨震电”之语，就是指的闪闪的地光。因为书中所写的十月系周历，相当于现在的农历八月，这时岐山、宝鸡一带雷暴季节已过，“十月雷电”显然是误传，应该是地震前的地光现象。后来在其他史料中，也有不少关于地光的记载，如“碧光闪烁如是”、“夜半天明如昼”、“夜半天忽通红”、“红光追邑”、“天上红光如匹练”等，多得数不胜数。

在国外，地光也引起了人们的广泛注意。这种记载最早见于罗马历史学家塔西伦的《编年史》，它记述的是公元17年小亚细亚发生了强烈地震。书中说地震前有人曾看到天空火光闪闪。日本的地光记载也很早，据日本地震学家安井丰推测，日本最早的地光记录可以追溯到1500年前，可惜这种推测查无实据。真正书录在案的是公元869年的《三代实录》，书中在记述陆奥地区的地震海啸时，曾提到过发光现象，距今已有1100多年。

人们在很早以前就知道利用地光现象来预测地震，我国古人总结的六条地震前兆，其中有一条讲的就是地光。“夜半晦黑，天忽开朗，光明照耀，无异日中，势必地震。”这类描述曾在不少书中出现过。但地光作为一种奇异的自然现象，被人们进行科学探索，则是18世纪以后的事。据《日本地震史料》记载，1703年12月5日元禄级大地震前，有一位学者在研究了当地天空中奇异的发光现象以后，曾向幕府官员发出警告说，夜里将有强烈雷暴和地震发生。他在当时就注意到了地震与发光的关系，这是难能可贵的。18世纪中叶，当时的英国和北欧一带频繁地发生地震，并屡次伴随有地光的闪烁。在英国皇家学会开会讨论这个问题的时候，英国学者威廉•斯图克雷第一次试图用地表电流来解释地光产生的原因，自然，他的认识是错误的。20世纪初，意大利学者里佐率先对地震发光现象进行特别详细的调查，他对意大利1905年9月8日卡拉布里亚地震的发光现象进行了广泛研究。在他的影响下，另一位学者加里也广泛收集了欧洲148例地震发光资料，在1910年的《意大利地震学会汇报》中发表了研究论文。

20世纪30年代以后，地震发光的研究进入了全面发展的阶段，人们对于地光的真实存在不再感到怀疑了，并开始出现了解释这种现象的理论假说。在这些研究中尤以日本领先。1965年以后，日本学者安井与近藤五郎、栗林亨等利用地磁仪、回转集电器等进行了观测研究，并拍摄了世界上第一张地光照片。1974年，我国学者马宗晋在研究了邢台地震以来历次较大地震的临震宏观现象以后，提出了“地光不仅仅是地震派生的结果，而应看作是临震共同发展的统一过程”。这就是说，应把地光同与它同时出现的其他现象联系起来考虑。随着地光现象资料的不断积累，人们从地光的复杂形态中领悟到它的成因也并非是单一的。由于地光发生的时间短促，机会难逢，过去的地光资料也常常缺少详细确切的说明，尤其是直到今天，还未解决仪器观测技术问题，因此地震中地光成因的研究还没有确切结果，仍然处于假说阶段。

地光是由岩块相对摩擦产生的。米尔恩是一位长年工作在野外的地质学家，有一天，他在野外采集岩石、矿物标本，手中的锤子落在坚硬的岩石上时，点点火星迸溅出来。米尔恩从这种现象中得到了启发，第一个提出了地光是地震时岩块相对运动发生摩擦而产生的发光现象。1954年，前苏联学者邦奇科夫斯基也把地震发光比喻为马蹄与石头道路撞击而产生的火花。

这种说法是探索地光成因的一次有益尝试，但它的解释只是对某种形态的地光说得通，对地光的其他形态则难以奏效。例如，有些地光发生在半空中，似乎与地面岩石的摩擦无关；有些地光还伴随有类似日光灯的自动闪烁，这显然也无法用摩擦生光来解释。另外这种观点也很难说明在震区广阔的范围内都可观察到地光以及球形光和柱状光的缘由。因为按照岩块摩擦发光的假说，地光应该主要分布在裂隙带附近，并与裂隙的分布方向一致，发光的部位应接近地面。例如，1975年辽宁海城地震时，有人看到本县大青山菱镁矿分布区出现强烈的白色光带，它与该地大量裂隙的分布基本一致，并紧贴地面，持续2～3秒钟，没有明显闪烁，然后突然消失。这种地光可以用岩块摩擦生光观点解释，但以此来解释所有的地光，显然是不全面的。

根据水的毛细管电位理论。日本学者寺田寅彦闲来无事，对物理学中的电动现象甚感兴趣。他看到液体和固体相对运动时，常伴随有一些电现象，即在液体和固体的接触面上会出现两层异种电荷。如果液体在压力下通过一个固体毛细管，那么就会在毛细管的两端出现电位差，这就是流动电位。这位学者由此萌发了水的毛细管电位理论，试图能在地光成因问题上一显身手。他认为，一场强烈地震所影响的深度可与地面波及的范围相当。在地震影响的深度范围内，地下水受到挤压，便通过岩石的孔隙向上移动，产生流动电位。寺田推测，地下水所受到的压力，相当于100千米厚的岩柱所产生的压力。根据计算，它所产生的电位差可达到300万伏。显然，这样巨大的电位差足以导致产生高空放电，形成地光。寺田的理论得到了日本部分学者的支持，但国际上多数学者对这理论提出了质疑。尤其是美国学者麦克唐纳对寺田计算出来的300万伏电位差表示怀疑。这位美国人设想了地球内部产生电位差的各种可能原因，研究了地下核爆炸时所产生的压力对地下水流经岩石和土壤中孔隙的流动电位的影响，结果发现，在300多米的深度范围内，能产生的最大电位差仅有几百毫伏。即使地震的影响能达到100千米的深度，所产生的电位差也不过几百伏，远比寺田所说的小得多。这样小的电位差，是不可能引起大气发光的。

这个水的毛细管电位理论，就这样夭折了。

石英的压电效应说。芬克尔斯坦和鲍威尔，当年曾是继美国人麦克唐纳之后水的毛细管电位理论的主要反对者。他们在推翻日本学者的理论以后，提出了石英的压电效应说，企图利用地电电位差来解释地光的形成。

1970年，芬克尔斯坦和鲍威尔首次发现了地震孕育过程中石英的压电效应。科学家们早在物理学的实验中发现，许多晶体在受到挤压或拉伸时，会在两个平面上产生相反的电荷，这种现象被称为压电效应。今天，它已被广泛应用于各种电子设备和仪器中，也被广泛应用于导弹、电子计算机、航天等尖端技术中。压电石英就是这样的一种晶体。由于石英在地壳中分布很广，地震是岩层长期受力突然破裂的表现，可以想象，在地震孕育过程中必然也有压电效应产生。两位学者推断，当石英在地壳中有规律排列时，如果沿长轴排列的石英晶体的总长度，相当于地震波的波长时，就会产生地震电效应。若地震压力的压强为30～330帕，就有可能产生500～5000伏／厘米的平均电场。这个电场足以引起类似暴风雨时的闪电那样的低空放电现象，产生地光。由于压电效应并不一定在地震发生时才有，所以在地震前的几个小时也可以看到地光。

如果按照这种理论，地光应该只发生在某些特定的分布有定向排列的大量石英晶体的区域内，然而实际上出现地光的强震区其地下岩石并非都是石英岩，而是多种多样的岩石，但无论地下岩石性质如何，都有出现地光的可能，这一实际情况与石英压电效应理论不相吻合。另外，石英压电效应理论也不能解释在一些震区观察到的极为独特的“电磁暴”现象。

更难解释的奇怪现象。1966年，前苏联塔什干大地震前几小时，塔什干上空突然发生了一场电磁暴。天空中耀眼的白光就像镁光灯一样，使人目眩。更令人奇怪的是，室内的日光灯无故自亮。科学工作者观测到电离层中电子密集度达到顶峰。

这次地光的奇异特征，显然很难用前面的几种假说解释。

1972年，日本学者安井丰等人提出了“低层大气振荡”的看法。他们认为，由于大气中含有各种正负离子，所以大地具有微弱导电性。当大气中的气体分子受到来自太空的宇宙射线和地球本身的放射性元素射线的撞击，结果使这些气体离子带电。地震区常会有以氡为主要成分的放射性物质，地壳震动把它抖入大气中，特别是在含有较多放射性物质的中、酸性岩石分布区和断层附近，大气中的氡含量将显著提高，这也将使大气离子导电性增强。这时如果地面有一个天然电场，那么就会向空中大规模放电，使地光闪烁起来。

我国地震工作者在研究了辽宁海城地震以后，发现震前氡含量明显增加，大气中电离子也明显增加，在震区上空形成电荷密集区，大气的导电率增加以后，在地面电场作用下便可能发生放电发光，大面积放电和氡蜕变放出的射线都可能产生荧光，使日光灯管闪亮。

这个低空大气发光理论，是目前比较成立的假说。不过，也有人认为日光灯管发亮的原因与地震时的高频地震波有关。

此外，最近又有人提出，黏土矿物也是地光的光源之一；还有人重新提出岩块摩擦生热与地光的关系，并考虑了电场的形成。这些观点也都不能圆满地解释地光的成因。

从现有资料看，地光是地震时有着多种成因的发光现象的总称。要想彻底揭开它的形成之谜，就必须加强对地光的科学观察，特别是要用现代的先进技术装备，及时地捕捉有关地光的各种信号，并仔细地区分不同类型，最后终将洞悉地光的秘密。

中国地球物理学家郭自强最近通过岩石压裂实验研究，得知岩石在受到压力发生破裂时，会放出强烈的电子流。地震发生之前，岩石受到地壳应力作用而破裂，也会产生强电子流，这些电子流可以通过地壳裂缝进入大气，使空气分子电离而产生地光，这是目前世界上对地光的最新解释。

（Dipartimento di Scienze della Terra,Universita degli Studi di Trieste,via Trieste,Italy）

（International Institute of Earthquake Prediction Theory and Mathematical Geophysics,Russian Academy of Sciences,Warshavskoye,79,.）

摘要CN算法在此被应用于意大利境内的中期地震预报以及地震构造模式的确定。通过利用CN算法并考虑地震构造模式，在意大利划分出三个主要地区，分别为北部、中部及南部。它们之间并无明显分界，基于不同的分区，有可能识别出交汇区，作为两个主要分界区之一。当TIPs持续时间减少并包括交汇区时，在这些地区发生的地震有助于利用CN算法在每一主要地区识别出地震的前兆现象。

进而我们用意大利最新的地震活动资料建立一个经修订的地震目录，并且我们严格依照意大利地震构造模式所限定的边界考虑其区域性。每一地区仅包括具有相似性的地震构造特征的带。此方法所得结果较好且稳定，是以往研究的一种改进。

关键词CN算法中期地震预报地震构造模式意大利

1引言

基于CN算法，利用正态函数分析震级大于或等于给定阀值Mo的一次强震的增加概率时间（Time of Increased Probability）（TIP），以描述被分析地区的地震活动模式。这样在加利福尼亚—内华达地区应用的原始算法，不经任何调整，就可直接用于大小和地震活动水平不同的地方，Keilis-Borok等[5,6]详细介绍了CN算法。

由地震及构造论据支持的一种分区减少了[2,4]警报历时和预报的失败，并且当研究区边界仅仅依所用地震目录的完整性而定义时，与所得结果相比[7]算法稳定性增加。因此，CN算法允许考虑现代区域地球动力学模式的发展，包括控制地震活动性的关键构造要素与为预报所做最佳发震断层系统的选择之间的关系[12]。

考虑到意大利的地震构造模式[10]和地震震中的空间分布，可以将其分为三个主要地区（图1）[4]。每一地区有其占优势的地震构造特性、与其他地区不同的地震活动水平，以及与其相一致的Mo。

图1意大利地震构造模式[10]及三个主要分区和两个过渡区

在此我们介绍一种更为详尽的分区，在意大利的北部、南部及中部严格按地震构造带的边界划分的分区[10]。每一新的地区具有同样特征的地震构造带，构造带之间具有过渡特性。

在目前的分析中，一个新的地震目录“CCI96”被应用于意大利的CN算法中。该目录是由PFGING[2,3,11]目录经修订编辑而来，主要是历史资料[1]，加入了最近出版的有关地震活动性资料。在PFGING目录和新的CCI96目录之间存在一些差别，如在一些大震级中，最大震级地震主要发生于意大利南部。

2分区（Regionalization）

为了将空间不确定性降到最低，预报一次强震发生的区域应尽可能地小，但有三种因素限制它的最小尺度：①应尽可能依照地震活动的最低点画出区域的边界；②震级大于或等于目录完整性阀值的年地震数须大于等于3；③区域的线性尺度必须约为5L到10L,L为预期震源的长度。

在由Costa等[4]提出的分区中，三个主要地区：北部、中部及南部之间的分界并未明显确定，它们可更好地由一个过渡域表示（图1）。事实上，在意大利境内，由两个过渡区域分割出三个主要地区，这种划分与CN算法显示的地震活动的特性相一致。在每一主要地区，为了分析过渡区域地震活动对于预报的作用，拿两种不同的地区做试验，每一构造区仅以地震构造带为边界（图1、2）。在所有被考虑的情况中，包括过渡域的地区得到的结果最好[4]。

ALPOR[1]中地震资料被用于编辑新的地震目录CCI96，该目录被用于在一个新的分区格架中进行CN分析（图3），这种分区严格依照地震构造带的边界进行，且处在意大利的优先监测中。

图2Costa等[4]所做的分区

a—意大利北部第一种不同的分区（1区）；b—意大利北部第二种不同的分区（2区）；c—意大利中部第一种不同的分区（1区）；d—意大利中部第二种不同的分区（2区）；e—意大利南部第一种不同的分区（1区）；f—意大利南部第二种不同的分区（2区）

图3本研究所做的意大利分区（实线）

a—研究区位置；b—意大利中部；c—意大利南部，虚线表示Costa等人[4]所用的分区

3意大利北部的CN分析

阿尔卑斯山弧，意大利北部最重要的构造特征，被不同的国家所分割，因此对于我们的研究，目录PFGING很不完全[4]；为此引入另外两个地震目录的资料以填补空白，ALPOR[1]和NEIC[9]。

依据CN算法所用的标准[3]，定义强震的震级阀值被选择为Mo=。由于1960年前地震目录严重缺失，只分析了1960～1992年期间的地震目录[4]。本地区（图2a）过去的30年间只发生了两次强震（1976年5月6日M=和1988年1月2日M=）。事实上1976年9月15日的6级地震是一次强余震，被认为是相关强震[8]，因此它不是CN算法的一个目标。

定义的发震区如图2a所示。预报了两次强震，并且TIP持续时间占整个时间的27%（见图4a）。1988年强震后只有一次错误警报。

中期地震预报不能忽略集中于大地构造边缘或与其他构造带相交区域的地震，为了检验此假设，Costa等[4]考虑了一个次级分区（图2b），它仅包括东阿尔卑斯的挤压区（图2b）。预报了两次强震（图4b），但TIP持续时间增加到整个时间的34%，并且有三次错误警报。

在此考虑的新的分区沿用意大利东北地震构造模式的挤压带（图3a），因此与意大利中部相分离（图3a）。在奥地利和斯洛文尼亚境内地震构造带只划在意大利边界附近，不能得到一个完整的分区，因此意大利之外的边界仅由地震活动性划定。这种分区以及应用CCI96目录（图5a）所得结果是：预报了两次强震，TIP持续时间为整个时间的，两次错误警报，空间不确定性减少约28%。

4意大利中部CN分析

由于目录PFGING在此相当完整，CN算法最初应用于意大利中部[3,6]。因此，基于考虑地震构造的一种分区被提出[3]（见图2c）。在意大利中部只用了发生于地壳的地震，根据Costa等[4]提出的模式，只有少数中深部地震属于意大利中部，用CN算法时应予以考虑。事实上，它们的加入不影响结果，这并不奇怪，因为这些事件的数量和大小较小。定义强震的震级阀值被确定为Mo=。预报了两次强震，警报约占整个时间的30%，两次错误警报（见图4c）。

意大利北部和南部地区的界定使Costa等[4,3]所提出的意大利中部的分区有必要做一次修正。经修正的分区如图2d所示。由于该区较小，震级阀值为Mo=。此区已发生4次强震。从图4d中可看出其中三次被CN算法预报，而1979年的地震未预报出。有4次错误警报，TIPs增大，由原来TIPs研究的30%提高到整个时间的38%。

严格依照地震构造带边界所划的新的分区（图3b），包括扩张带及一些过渡带。定义强震的震级阀值为Mo=，所用目录为CCI96。三个强震全部被预报，且警报期约占整个时间的21%，三次错误警报（图5b）。

5意大利南部CN分析

地震目录PFGING在意大利的这个地区只在1950年之后被认为是完整的，且震级大于3。Costa等[4]所用定义强震的震级阀值为Mo=。

北纬41°线将亚平宁（Apennies）分成两个完整的不同构造域[10]，在意大利南部研究了图2e所示区域。CN算法在此区[4]的结果如图4e所示。所有三次强震（1954年11月23日M=年11月23日M=及11月24日M=）均被预报，TIP持续时间为整个时间的33%，有5次错误警报。

为研究相应的深部地震活动性[4]的影响，这里只考虑了浅部地震，1980年11月23日M=强震被正确预报，图4f给出CN算法的结果。上述强震虽被正确预报，但TIP持续时间增大至整个时间的44%，且有6次错误警报。

图4利用图2的分区得到的意大利CN分析结果，所用目录为PFGING

箭头表示M≥Mo的地震，TIPs由黑色矩形表示。在e和g中震级表示在Tyrrhenian海中的一次中深部地震；e和f中震级7表示1980年亚平宁地震，a和b中的震级为1976年Friuli地震。在意大利南部目录中的最大震级被用于本次计算中，而在北部和中部用的是优先震级（priority magnitude）Mpr（ML、MI、Md、Mo）[3]

图5用图3的分区得到的CN分析结果，所用目录为CCI96

箭头表示M≥Mo的地震，TIPs由黑色矩形表示。采用优先震级Mpr（ML,MI,Md,Mp）

依据意大利中部的分区[3]，作为第二种试验，意大利南部的北界沿北纬°勾划（图2f）。在此区预报了两次强震，分别为1954年11月23日级地震及1980年11月23日级地震。预报的1980年地震其TIP持续时间延至整个时间的25%;1954年级地震未预报出来且有两次错误警报（图4g）。

新的分区（图3c）严格依意大利南部的扩张及过渡地震构造带（在北纬42°之下）划分，包括西西里地区地震活动小而密集的火山带，但不包括地震构造带前陆区，如Costa等[3]在意大利中部所做的那样。

意大利南部PFGING目录和CCI96目录之间M>Mo地震的震级差别非常大，因此不可能与Costa等人[4]所得结果做直接比较。新目录与新的分区所做的改进，允许意大利南部采用和北部及中部同样的标准，震级阀值为Mo=，可被预报的地震数为4次。它们均被预报且TIP持续时间为整个时间的（图5c），3次错误警报。对于Costa等（1996）的结果而言，空间不确定性减少是相当大的，约为72%。

6结论

CN算法被用于中期地震预报以及证实意大利境内的构造模式。

利用ALPOR[11]中地震资料修订了Costa等[3,4]所用的目录PFGING，编辑了一个新的地震目录在此应用。当考虑意大利南部最大震级时，对于大的震级在PFGING目录和新的目录之间差别较大。

一种严格按地震构造带[10]边界划分的新的详细分区被提出。只有具相同性质或过渡性状的地震构造区可被包含于一个新的地区。这种分区是对Costa等[4]所提出的分区的一种改进，预报的平均空间不确定性降低约45%,TIPs持续时间及错误警报总体减少。这种改进在意大利南部影响相当大。

基于Costa等[4]所得结果，作者推断三个地区没有明显的分界，在不同的区划基础上，可以识别出交汇区，它们可被划给任一相邻的地区。当这些交汇区被纳入CN算法时，结果得到改进。利用新的分区方法对意大利南部和中部进行计算时，此结论得到证实。在意大利北部，挤压地震构造带从过渡及挤压地震构造带中被分离出来，把后者纳入Costa等[4]所提出的分区中，因此，对比只可能在图2b所示的区域中进行：相对于以往的结果有改进，且交汇区的效果最明显。

致谢作者非常感谢给予的鼓励，我们感谢来自MURST基金的经济资助（40%和60%）CNR-Gruppo Nazionale per la Difesa dai Terremoti合同号和INTAS经费批准号94-0232。

（周庆译，郝重涛校）

参考文献

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1、意大利是因为它处于非洲板块和亚欧大陆板块的交界处，非洲板块每年都在以2厘米左右的速度上升，释放能量，这使得意大利随时处于地震的“活跃地带”，尤其是山脉绵延的中部地区。因此意大利每隔5到10年就会发生一次6级左右的地震。2、专家预警 当局无视 当救援人员仍在搜寻地震幸存者时，一名地震学家的先前预警成为意大利舆论焦点。意大利古城拉奎拉6日发生强烈地震的数周前，意大利一名科学家预测到该市一带会发生强烈地震，但有人认为他向民众散播恐慌而向当局举报。该区最初在一月中感到连串震动，而且震动其后每隔一段时间就出现一次，使这个罗马以东古城的民众担忧起来。地震学家朱利亚尼预测大地震即将发生后，多辆配备扬声器的客货车就穿越拉奎拉的大街小巷，呼吁当地居民疏散。结果这个举动触怒了市长。虽然朱利亚尼以地震活跃带的氡气浓度作为他的预测依据，但有人向警方举报他“散播恐慌”，迫使他在互联网删除已公布的研究成果。意大利的民防局3月31日还在拉奎拉召开主要风险委员会会议，指民众所感到的震动仅属“典型序列”，不需担心。主要风险委员会的成员是负责评估这类风险的科学家。