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西影井水位的混沌特性及其与地震活动的关系

西影井水位的混沌特性及其与地震活动的关系

王卫东1) 刘新平2) 张永志1) 郑 怡3)

1)长安大学地质工程与测绘学院,西安 710054

2)陕西省宝鸡市上王地震台,陕西宝鸡 721004

3)陕西省地震局,西安 710068

地下流体的异常判定方法有多种,不同的方法,不同的时间尺度及滤波窗口等多种因素都会造成提取出的异常变化时间和形态有很大的差异。水文系统要素受多种因素影响,呈现出非随机却貌似随机的特征,因此,可运用混沌理论的分析方法来提取地下流体的地震前兆信息。本文利用G-P算法重构相空间,对西影井水位1993—2003年的日均值差分时间序列的特性进行了分析,得到了饱和关联分维数随时间的变化,分析了与地震活动的关系。

渭河断陷盆地是一个新生代断陷盆地,西安地区位于渭河断陷盆地东部,新生界沉积厚度为7000 m。位于西安市南郊的西影井(03号井)是西安地区的第一眼热水井,井深2000 m,在1080 m深处穿透长安—临憧断裂带的一条次级断层。西影井用SW40-1型水位计自动记录,观测误差小于1 mm,观测水层属深层承压水,降雨和气压效应不明显,受外界影响较小,能反应地下应力场的变化和地震活动的特征。

选取西影井1992—2002年观测水位的日均值,取其差分时间序列,引入延迟时间和嵌入维数进行延时再造,将一维时间序列改造为多维相空间,通过G-P算法重构相空间,从而得到最小嵌入维数m和饱和关联维。采用滑动时间窗法进行计算,窗长为半年,步长为3个月,最后得到饱和关联维随时间的变化图。

经计算,随着嵌入维数的增加,在m=8时,西影井水位时间序列的关联维基本稳定,故可得到最小嵌入维数为8,同时得到饱和关联维值。计算结果表明,从1992年3月至1994年3月,西影井水位饱和关联维处于上升阶段,至1994年3月,饱和关联维达到最高值2.1,而后开始出现拉锯式下降,自1997年开始出现持续下降,至1997年底达到最低值0.45,而后逐渐回升到平均值附近。分析渭河断陷盆及邻区的地震活动性可知,在1998年1月5日发生了陕西省泾阳(北纬34°25′,东经108°57′)5.2级地震,其他时段没有4级以上地震发生。结合饱和关联维的变化,可以推测,在此次地震前,地壳介质相对比较均匀,其结构自相似性也较稳定,其饱和关联维数也相对稳定,随着地震的孕育,地壳应力场不断增加,对应的饱和关联维也持续增大,这一过程持续到1994年基本完成。1994年3月后,构造应力不断积累达到一定程度,地震应力开始缓慢释放,使得系统内介质受到扰动,地下水环境受到物理因素变化的影响,其自相似性也发生了改变,因而产生了一个拉锯式饱和关联维降维过程。1997年后,应力释放速度加快,震源周围介质开始处于较杂乱的状态,饱和关联维开始出现持续下降,饱和关联维在1997年底达到最低值0.45,说明地壳应力系统可能开始失稳,地下水结构自相似性变化最大,其饱和关联维数值也最低,随后,在1998年1月5日发生了泾阳5.2级地震。震后,饱和关联维数由低值逐渐缓慢回升到平均值附近,说明地壳应力系统逐步趋于稳定。可见,地下水水位的饱和关联维变化与地震孕育过程密切相关,其变化特征可用来捕捉地震的前兆信息,从而为地震的短期预报提供有价值的信息。

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