西影井水位的混沌特性及其與地震活動的關系

王衛東劉新平張永志鄭 怡長安大學地質工程與測繪學院，西安 710054陜西省寶雞市上王地震臺，陜西寶雞 721004陜西省地震局，西安 710068

西影井水位的混沌特性及其與地震活動的關系

王衛東1）劉新平2）張永志1）鄭 怡3）
1）長安大學地質工程與測繪學院，西安 710054
2）陜西省寶雞市上王地震臺，陜西寶雞 721004
3）陜西省地震局，西安 710068

地下流體的異常判定方法有多種，不同的方法，不同的時間尺度及濾波窗口等多種因素都會造成提取出的異常變化時間和形態有很大的差異。水文系統要素受多種因素影響，呈現出非隨機卻貌似隨機的特征，因此，可運用混沌理論的分析方法來提取地下流體的地震前兆信息。本文利用G-P算法重構相空間，對西影井水位1993—2003年的日均值差分時間序列的特性進行了分析，得到了飽和關聯分維數隨時間的變化，分析了與地震活動的關系。

渭河斷陷盆地是一個新生代斷陷盆地，西安地區位于渭河斷陷盆地東部，新生界沉積厚度為7 000 m。位于西安市南郊的西影井（03號井）是西安地區的第一眼熱水井，井深 2 000 m，在1 080 m深處穿透長安—臨憧斷裂帶的一條次級斷層。西影井用SW40-1型水位計自動記錄，觀測誤差小于1 mm，觀測水層屬深層承壓水，降雨和氣壓效應不明顯，受外界影響較小，能反應地下應力場的變化和地震活動的特征。

選取西影井1992—2002年觀測水位的日均值，取其差分時間序列，引入延遲時間和嵌入維數進行延時再造，將一維時間序列改造為多維相空間，通過G-P算法重構相空間，從而得到最小嵌入維數m和飽和關聯維。采用滑動時間窗法進行計算，窗長為半年，步長為3個月，最后得到飽和關聯維隨時間的變化圖。

經計算，隨著嵌入維數的增加，在m=8時，西影井水位時間序列的關聯維基本穩定，故可得到最小嵌入維數為8，同時得到飽和關聯維值。計算結果表明，從1992年3月至1994年3月，西影井水位飽和關聯維處于上升階段，至1994年3月，飽和關聯維達到最高值2.1，而后開始出現拉鋸式下降，自1997年開始出現持續下降，至1997年底達到最低值0.45，而后逐漸回升到平均值附近。分析渭河斷陷盆及鄰區的地震活動性可知，在1998年1月5日發生了陜西省涇陽（北緯34°25′，東經108°57′）5.2級地震，其他時段沒有4級以上地震發生。結合飽和關聯維的變化，可以推測，在此次地震前，地殼介質相對比較均勻，其結構自相似性也較穩定，其飽和關聯維數也相對穩定，隨著地震的孕育，地殼應力場不斷增加，對應的飽和關聯維也持續增大，這一過程持續到1994年基本完成。1994年3月后，構造應力不斷積累達到一定程度，地震應力開始緩慢釋放，使得系統內介質受到擾動，地下水環境受到物理因素變化的影響，其自相似性也發生了改變，因而產生了一個拉鋸式飽和關聯維降維過程。1997年后，應力釋放速度加快，震源周圍介質開始處于較雜亂的狀態，飽和關聯維開始出現持續下降，飽和關聯維在1997年底達到最低值0.45，說明地殼應力系統可能開始失穩，地下水結構自相似性變化最大，其飽和關聯維數值也最低，隨后，在1998 年1月5日發生了涇陽5.2級地震。震后，飽和關聯維數由低值逐漸緩慢回升到平均值附近，說明地殼應力系統逐步趨于穩定。可見，地下水水位的飽和關聯維變化與地震孕育過程密切相關，其變化特征可用來捕捉地震的前兆信息，從而為地震的短期預報提供有價值的信息。