地震前有地光閃耀之謎

1976年7月28日，子夜已過(guò)，表針指向了凌晨3點(diǎn)鐘。我國(guó)北方工業(yè)重鎮(zhèn)唐山處于極度沉悶空氣的籠罩之中。這時(shí)在室外乘涼的人們看見(jiàn)東北方向一道道五彩繽紛的光束升了起來(lái)，就像強(qiáng)大的信號(hào)燈一樣，把大地照得亮如白晝。這些光束形態(tài)，有的呈片狀散開(kāi)，有的如彩虹飛架，有的似光柱沖天而起，有的像圓球飄忽不定。光束的顏色七彩紛呈，尤其是像銀藍(lán)色、白紫色等平時(shí)罕見(jiàn)的復(fù)合色令人眼花繚亂。高度眾說(shuō)不一，持續(xù)時(shí)間有長(zhǎng)有短。這種火球曾在唐山市郊區(qū)引燃成患，燒焦了農(nóng)田的稻谷。一些小學(xué)生見(jiàn)此情景，以為是天亮了，背起書(shū)包就往學(xué)校走，結(jié)果弄了一場(chǎng)笑話。光焰散去，大地開(kāi)始顫動(dòng)，幾秒鐘后，唐山變成了一片廢墟。

這是為什么呢？

原來(lái)，這是一種強(qiáng)烈地震的前兆，被稱為地光。

許多強(qiáng)烈地震都伴隨有發(fā)光現(xiàn)象。這種特殊的令人毛骨悚然的自然現(xiàn)象，早在幾千年前就已經(jīng)被人們注意到了。我國(guó)是世界上記載地光最早的國(guó)家，古書(shū)《詩(shī)經(jīng)小雅·十月之交》里就曾記述了2800年前陜西岐山地震時(shí)奇異的聲光現(xiàn)象。書(shū)中寫(xiě)道，“燁燁震電，不寧不令。百川沸騰，山家萃崩。高岸為谷，深谷為陵?！逼渲械摹盁顭钫痣姟敝Z(yǔ)，就是指的閃閃的地光。因?yàn)闀?shū)中所寫(xiě)的十月系周歷，相當(dāng)于現(xiàn)在的農(nóng)歷八月，這時(shí)岐山、寶雞一帶雷暴季節(jié)已過(guò)，“十月雷電”顯然是誤傳，應(yīng)該是地震前的地光現(xiàn)象。后來(lái)在其他史料中，也有不少關(guān)于地光的記載，如“碧光閃爍如是”、“夜半天明如晝”、“夜半天忽通紅”、“紅光追邑”、“天上紅光如匹練”等，多得數(shù)不勝數(shù)。

在國(guó)外，地光也引起了人們的廣泛注意。這種記載最早見(jiàn)于羅馬歷史學(xué)家塔西倫的《編年史》，它記述的是公元17年小亞細(xì)亞發(fā)生了強(qiáng)烈地震。書(shū)中說(shuō)地震前有人曾看到天空火光閃閃。日本的地光記載也很早，據(jù)日本地震學(xué)家安井豐推測(cè)，日本最早的地光記錄可以追溯到1500年前，可惜這種推測(cè)查無(wú)實(shí)據(jù)。真正書(shū)錄在案的是公元869年的《三代實(shí)錄》，書(shū)中在記述陸奧地區(qū)的地震海嘯時(shí)，曾提到過(guò)發(fā)光現(xiàn)象，距今已有1100多年。

人們?cè)诤茉缫郧熬椭览玫毓猬F(xiàn)象來(lái)預(yù)測(cè)地震，我國(guó)古人總結(jié)的六條地震前兆，其中有一條講的就是地光?！耙拱牖藓?，天忽開(kāi)朗，光明照耀，無(wú)異日中，勢(shì)必地震?！边@類描述曾在不少書(shū)中出現(xiàn)過(guò)。但地光作為一種奇異的自然現(xiàn)象，被人們進(jìn)行科學(xué)探索，則是18世紀(jì)以后的事。據(jù)《日本地震史料》記載，1703年12月5日元祿8.2級(jí)大地震前，有一位學(xué)者在研究了當(dāng)?shù)靥炜罩衅娈惖陌l(fā)光現(xiàn)象以后，曾向幕府官員發(fā)出警告說(shuō)，夜里將有強(qiáng)烈雷暴和地震發(fā)生。他在當(dāng)時(shí)就注意到了地震與發(fā)光的關(guān)系，這是難能可貴的。18世紀(jì)中葉，當(dāng)時(shí)的英國(guó)和北歐一帶頻繁地發(fā)生地震，并屢次伴隨有地光的閃爍。在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)開(kāi)會(huì)討論這個(gè)問(wèn)題的時(shí)候，英國(guó)學(xué)者威廉·斯圖克雷第一次試圖用地表電流來(lái)解釋地光產(chǎn)生的原因，自然，他的認(rèn)識(shí)是錯(cuò)誤的。20世紀(jì)初，意大利學(xué)者里佐率先對(duì)地震發(fā)光現(xiàn)象進(jìn)行特別詳細(xì)的調(diào)查，他對(duì)意大利1905年9月8日卡拉布里亞地震的發(fā)光現(xiàn)象進(jìn)行了廣泛研究。在他的影響下，另一位學(xué)者加里也廣泛收集了歐洲148例地震發(fā)光資料，在1910年的《意大利地震學(xué)會(huì)匯報(bào)》中發(fā)表了研究論文。

20世紀(jì)30年代以后，地震發(fā)光的研究進(jìn)入了全面發(fā)展的階段，人們對(duì)于地光的真實(shí)存在不再感到懷疑了，并開(kāi)始出現(xiàn)了解釋這種現(xiàn)象的理論假說(shuō)。在這些研究中尤以日本領(lǐng)先。1965年以后，日本學(xué)者安井與近藤五郎、栗林亨等利用地磁儀、回轉(zhuǎn)集電器等進(jìn)行了觀測(cè)研究，并拍攝了世界上第一張地光照片。1974年，我國(guó)學(xué)者馬宗晉在研究了邢臺(tái)地震以來(lái)歷次較大地震的臨震宏觀現(xiàn)象以后，提出了“地光不僅僅是地震派生的結(jié)果，而應(yīng)看作是臨震共同發(fā)展的統(tǒng)一過(guò)程”。這就是說(shuō)，應(yīng)把地光同與它同時(shí)出現(xiàn)的其他現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)考慮。隨著地光現(xiàn)象資料的不斷積累，人們從地光的復(fù)雜形態(tài)中領(lǐng)悟到它的成因也并非是單一的。由于地光發(fā)生的時(shí)間短促，機(jī)會(huì)難逢，過(guò)去的地光資料也常常缺少詳細(xì)確切的說(shuō)明，尤其是直到今天，還未解決儀器觀測(cè)技術(shù)問(wèn)題，因此地震中地光成因的研究還沒(méi)有確切結(jié)果，仍然處于假說(shuō)階段。

地光是由巖塊相對(duì)摩擦產(chǎn)生的。米爾恩是一位長(zhǎng)年工作在野外的地質(zhì)學(xué)家，有一天，他在野外采集巖石、礦物標(biāo)本，手中的錘子落在堅(jiān)硬的巖石上時(shí)，點(diǎn)點(diǎn)火星迸濺出來(lái)。米爾恩從這種現(xiàn)象中得到了啟發(fā)，第一個(gè)提出了地光是地震時(shí)巖塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生摩擦而產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象。1954年，前蘇聯(lián)學(xué)者邦奇科夫斯基也把地震發(fā)光比喻為馬蹄與石頭道路撞擊而產(chǎn)生的火花。

這種說(shuō)法是探索地光成因的一次有益嘗試，但它的解釋只是對(duì)某種形態(tài)的地光說(shuō)得通，對(duì)地光的其他形態(tài)則難以奏效。例如，有些地光發(fā)生在半空中，似乎與地面巖石的摩擦無(wú)關(guān)；有些地光還伴隨有類似日光燈的自動(dòng)閃爍，這顯然也無(wú)法用摩擦生光來(lái)解釋。另外這種觀點(diǎn)也很難說(shuō)明在震區(qū)廣闊的范圍內(nèi)都可觀察到地光以及球形光和柱狀光的緣由。因?yàn)榘凑諑r塊摩擦發(fā)光的假說(shuō)，地光應(yīng)該主要分布在裂隙帶附近，并與裂隙的分布方向一致，發(fā)光的部位應(yīng)接近地面。例如，1975年遼寧海城地震時(shí)，有人看到本縣大青山菱鎂礦分布區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)烈的白色光帶，它與該地大量裂隙的分布基本一致，并緊貼地面，持續(xù)2～3秒鐘，沒(méi)有明顯閃爍，然后突然消失。這種地光可以用巖塊摩擦生光觀點(diǎn)解釋，但以此來(lái)解釋所有的地光，顯然是不全面的。

根據(jù)水的毛細(xì)管電位理論。日本學(xué)者寺田寅彥閑來(lái)無(wú)事，對(duì)物理學(xué)中的電動(dòng)現(xiàn)象甚感興趣。他看到液體和固體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，常伴隨有一些電現(xiàn)象，即在液體和固體的接觸面上會(huì)出現(xiàn)兩層異種電荷。如果液體在壓力下通過(guò)一個(gè)固體毛細(xì)管，那么就會(huì)在毛細(xì)管的兩端出現(xiàn)電位差，這就是流動(dòng)電位。這位學(xué)者由此萌發(fā)了水的毛細(xì)管電位理論，試圖能在地光成因問(wèn)題上一顯身手。他認(rèn)為，一場(chǎng)強(qiáng)烈地震所影響的深度可與地面波及的范圍相當(dāng)。在地震影響的深度范圍內(nèi)，地下水受到擠壓，便通過(guò)巖石的孔隙向上移動(dòng)，產(chǎn)生流動(dòng)電位。寺田推測(cè)，地下水所受到的壓力，相當(dāng)于100千米厚的巖柱所產(chǎn)生的壓力。根據(jù)計(jì)算，它所產(chǎn)生的電位差可達(dá)到300萬(wàn)伏。顯然，這樣巨大的電位差足以導(dǎo)致產(chǎn)生高空放電，形成地光。寺田的理論得到了日本部分學(xué)者的支持，但國(guó)際上多數(shù)學(xué)者對(duì)這理論提出了質(zhì)疑。尤其是美國(guó)學(xué)者麥克唐納對(duì)寺田計(jì)算出來(lái)的300萬(wàn)伏電位差表示懷疑。這位美國(guó)人設(shè)想了地球內(nèi)部產(chǎn)生電位差的各種可能原因，研究了地下核爆炸時(shí)所產(chǎn)生的壓力對(duì)地下水流經(jīng)巖石和土壤中孔隙的流動(dòng)電位的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在300多米的深度范圍內(nèi)，能產(chǎn)生的最大電位差僅有幾百毫伏。即使地震的影響能達(dá)到100千米的深度，所產(chǎn)生的電位差也不過(guò)幾百伏，遠(yuǎn)比寺田所說(shuō)的小得多。這樣小的電位差，是不可能引起大氣發(fā)光的。

這個(gè)水的毛細(xì)管電位理論，就這樣夭折了。

石英的壓電效應(yīng)說(shuō)。芬克爾斯坦和鮑威爾，當(dāng)年曾是繼美國(guó)人麥克唐納之后水的毛細(xì)管電位理論的主要反對(duì)者。他們?cè)谕品毡緦W(xué)者的理論以后，提出了石英的壓電效應(yīng)說(shuō)，企圖利用地電電位差來(lái)解釋地光的形成。

1970年，芬克爾斯坦和鮑威爾首次發(fā)現(xiàn)了地震孕育過(guò)程中石英的壓電效應(yīng)?？茖W(xué)家們?cè)缭谖锢韺W(xué)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，許多晶體在受到擠壓或拉伸時(shí)，會(huì)在兩個(gè)平面上產(chǎn)生相反的電荷，這種現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。今天，它已被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備和儀器中，也被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、電子計(jì)算機(jī)、航天等尖端技術(shù)中。壓電石英就是這樣的一種晶體。由于石英在地殼中分布很廣，地震是巖層長(zhǎng)期受力突然破裂的表現(xiàn)，可以想像，在地震孕育過(guò)程中必然也有壓電效應(yīng)產(chǎn)生。兩位學(xué)者推斷，當(dāng)石英在地殼中有規(guī)律排列時(shí)，如果沿長(zhǎng)軸排列的石英晶體的總長(zhǎng)度，相當(dāng)于地震波的波長(zhǎng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生地震電效應(yīng)。若地震壓力的壓強(qiáng)為30～330帕，就有可能產(chǎn)生500—5000伏/厘米的平均電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)足以引起類似暴風(fēng)雨時(shí)的閃電那樣的低空放電現(xiàn)象，產(chǎn)生地光。由于壓電效應(yīng)并不一定在地震發(fā)生時(shí)才有，所以在地震前的幾個(gè)小時(shí)也可以看到地光。

如果按照這種理論，地光應(yīng)該只發(fā)生在某些特定的分布有定向排列的大量石英晶體的區(qū)域內(nèi)，然而實(shí)際上出現(xiàn)地光的強(qiáng)震區(qū)其地下巖石并非都是石英巖，而是多種多樣的巖石，但無(wú)論地下巖石性質(zhì)如何，都有出現(xiàn)地光的可能，這一實(shí)際情況與石英壓電效應(yīng)理論不相吻合。另外，石英壓電效應(yīng)理論也不能解釋在一些震區(qū)觀察到的極為獨(dú)特的“電磁暴”現(xiàn)象。

更難解釋的奇怪現(xiàn)象。1966年，前蘇聯(lián)塔什干大地震前幾小時(shí)，塔什干上空突然發(fā)生了一場(chǎng)電磁暴。天空中耀眼的白光就像鎂光燈一樣，使人目眩。更令人奇怪的是，室內(nèi)的日光燈無(wú)故自亮?？茖W(xué)工作者觀測(cè)到電離層中電子密集度達(dá)到頂峰。

這次地光的奇異特征，顯然很難用前面的幾種假說(shuō)解釋。

1972年，日本學(xué)者安井豐等人提出了“低層大氣振蕩”的看法。他們認(rèn)為，由于大氣中含有各種正負(fù)離子，所以大地具有微弱導(dǎo)電性。當(dāng)大氣中的氣體分子受到來(lái)自太空的宇宙射線和地球本身的放射性元素射線的撞擊，結(jié)果使這些氣體離子帶電。地震區(qū)常會(huì)有以氡為主要成分的放射性物質(zhì)，地殼震動(dòng)把它抖入大氣中，特別是在含有較多放射性物質(zhì)的中、酸性巖石分布區(qū)和斷層附近，大氣中的氡含量將顯著提高，這也將使大氣離子導(dǎo)電性增強(qiáng)。這時(shí)如果地面有一個(gè)天然電場(chǎng)，那么就會(huì)向空中大規(guī)模放電，使地光閃爍起來(lái)。

我國(guó)地震工作者在研究了遼寧海城地震以后，發(fā)現(xiàn)震前氡含量明顯增加，大氣中電離子也明顯增加，在震區(qū)上空形成電荷密集區(qū)，大氣的導(dǎo)電率增加以后，在地面電場(chǎng)作用下便可能發(fā)生放電發(fā)光，大面積放電和氡蛻變放出的射線都可能產(chǎn)生熒光，使日光燈管閃亮。

這個(gè)低空大氣發(fā)光理論，是目前比較成立的假說(shuō)。不過(guò)，也有人認(rèn)為日光燈管發(fā)亮的原因與地震時(shí)的高頻地震波有關(guān)。

此外，最近又有人提出，黏土礦物也是地光的光源之一；還有人重新提出巖塊摩擦生熱與地光的關(guān)系，并考慮了電場(chǎng)的形成。這些觀點(diǎn)也都不能圓滿地解釋地光的成因。

從現(xiàn)有資料看，地光是地震時(shí)有著多種成因的發(fā)光現(xiàn)象的總稱。要想徹底揭開(kāi)它的形成之謎，就必須加強(qiáng)對(duì)地光的科學(xué)觀察，特別是要用現(xiàn)代的先進(jìn)技術(shù)裝備，及時(shí)地捕捉有關(guān)地光的各種信號(hào)，并仔細(xì)地區(qū)分不同類型，最后終將洞悉地光的秘密。

中國(guó)地球物理學(xué)家郭自強(qiáng)最近通過(guò)巖石壓裂實(shí)驗(yàn)研究，得知巖石在受到壓力發(fā)生破裂時(shí)，會(huì)放出強(qiáng)烈的電子流。地震發(fā)生之前，巖石受到地殼應(yīng)力作用而破裂，也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電子流，這些電子流可以通過(guò)地殼裂縫進(jìn)入大氣，使空氣分子電離而產(chǎn)生地光，這是目前世界上對(duì)地光的最新解釋。