基于形变驱动的火山地震相互作用模型：福莱格雷火区的地震活动研究

为何这个不停躁动的火山重要

福莱格雷火区是位于那不勒斯西侧的一处广阔火山口，坐落在欧洲人口最为密集的区域之一之下。一个多世纪以来，该处地面缓慢抬升与下沉，有时幅度超过一米，自2005年起，无论是抬升速率还是小震数量都在加速。人们自然会问：这是即将喷发的警告信号，还是这个寿命很长的火山系统在“喘息”？本研究通过构建一个基于物理的模型，将地面形变与地震相互作用联系起来，旨在更好地评估该区域的短期地震危险性。

福莱格雷的躁动地表

历史记录与现代观测显示，自至少1905年以来，福莱格雷破火山盆地经历了反复的抬升与沉降周期。重大抬升事件分别出现在上世纪50年代初、约1970年、80年代初，以及自2005年起再次发生。地震往往在这些抬升阶段聚集，但并非简单地与抬升速率成正比：地震数量的上升速度快于抬升速率，而且显著的地震活动常常只有在地面水平超过此前高点后才开始。这种行为类似于岩石力学中所称的凯泽（Kaiser）效应：受力材料在超过既往最大应力之前保持沉寂。然而，福莱格雷的观测表现比单一的“开/关”阈值更为平滑，表明有更精细的物理过程在起作用。

断层如何记忆过去的应力

为捕捉长期模式，作者采用了一种称为速率—状态摩擦（rate‑and‑state friction）的框架，它描述了断层如何在当前应力与历时加载历史的共同作用下发生滑动。在他们的简化模型中，作用于浅层断层的应力被假定与破火山口内一个GPS站测得的垂直抬升成正比。该方法自然引入了“记忆”效应：模型追踪自1905年以来的所有抬升，因此早期的膨胀事件会影响断层今天开始滑动的难易程度。通过合适的参数设置，速率—状态模型重现了世纪尺度的总体趋势，包括在抬升超过此前峰值之前地震活动延迟启动的现象。它在时间上模拟了类似于凯泽效应的行为，但生成的是更平滑、逐渐加速的地震率上升，与观测更为一致。

地震何以触发更多地震

在小时至天的短时间尺度上，地震记录呈现出截然不同的面貌。福莱格雷并非通常那种孤立主震后出现整齐余震序列的模式，而是经常产生密集的地震群。乍看之下这些震群似乎缺乏明显主震，但作者指出，许多震群中包含被隐藏的余震级联。通过围绕最大震事件叠加活动，他们发现地震率在这些冲击之后立即跃升，随后以余震典型的方式随时间衰减。被触发事件的数量也随主震规模迅速增长。这一模式表明地震—地震相互作用是震群行为的关键成分，即便这些簇集的性质也受流体及其他火山过程的调制。

关于应力与簇集的混合视角

单靠形变无法解释强烈的短期簇集，因此本研究结合了两种建模方法。速率—状态模型提供了由抬升驱动的时变“背景”地震率，而统计性的流行病型余震模型则叠加在其上，以表示每次事件如何触发后续事件。该混合模型有七个参数，利用自2005年以来记录的数千次小震进行标定。与更简单的替代方案相比，它更为成功：既匹配了长期地震率上升，也重现了爆发式、类似群集的短期簇集，并在回溯至20世纪中期时复现了既往抬升事件的时序与强度。值得注意的是，它还给出了断层“记忆”先前应力的现实估计。

模型能为风险评估提供什么

为检验其实用价值，研究团队以一种伪前瞻的方式使用该混合模型：从2020年开始，他们反复预测未来一周或一个月内地震数量与最大震级会如何，仅使用在每一步实际可得的信息。每个预测窗口进行了数千个模拟情景，产生的概率区间大体涵盖了随后观测到的情况，包括2025年中发生的一次4.6级地震。对于福莱格雷周边的居民和管理机构而言，这并不意味着能够精确预测某一次地震或喷发。相反，它提供了一种更可靠、以物理为基础的方法来估计未来数周到数月内地震活动的强度与频繁程度，从而改善对这一敏感火山区短期危险性的评估基础。

引用: Hainzl, S., Dahm, T. & Tramelli, A. A deformation-driven earthquake interaction model for seismicity at Campi Flegrei. Commun Earth Environ 7, 244 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03296-3

关键词: 福莱格雷火区, 火山地震, 地面抬升, 地震预测, 地震群