王衛(wèi)東劉新平張永志鄭 怡長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安 710054陜西省寶雞市上王地震臺(tái)，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(dòng)的關(guān)系

王衛(wèi)東1）劉新平2）張永志1）鄭 怡3）
1）長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安 710054
2）陜西省寶雞市上王地震臺(tái)，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(shí)間尺度及濾波窗口等多種因素都會(huì)造成提取出的異常變化時(shí)間和形態(tài)有很大的差異。水文系統(tǒng)要素受多種因素影響，呈現(xiàn)出非隨機(jī)卻貌似隨機(jī)的特征，因此，可運(yùn)用混沌理論的分析方法來(lái)提取地下流體的地震前兆信息。本文利用G-P算法重構(gòu)相空間，對(duì)西影井水位1993—2003年的日均值差分時(shí)間序列的特性進(jìn)行了分析，得到了飽和關(guān)聯(lián)分維數(shù)隨時(shí)間的變化，分析了與地震活動(dòng)的關(guān)系。

渭河斷陷盆地是一個(gè)新生代斷陷盆地，西安地區(qū)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(hào)井）是西安地區(qū)的第一眼熱水井，井深 2 000 m，在1 080 m深處穿透長(zhǎng)安—臨憧斷裂帶的一條次級(jí)斷層。西影井用SW40-1型水位計(jì)自動(dòng)記錄，觀測(cè)誤差小于1 mm，觀測(cè)水層屬深層承壓水，降雨和氣壓效應(yīng)不明顯，受外界影響較小，能反應(yīng)地下應(yīng)力場(chǎng)的變化和地震活動(dòng)的特征。

選取西影井1992—2002年觀測(cè)水位的日均值，取其差分時(shí)間序列，引入延遲時(shí)間和嵌入維數(shù)進(jìn)行延時(shí)再造，將一維時(shí)間序列改造為多維相空間，通過(guò)G-P算法重構(gòu)相空間，從而得到最小嵌入維數(shù)m和飽和關(guān)聯(lián)維。采用滑動(dòng)時(shí)間窗法進(jìn)行計(jì)算，窗長(zhǎng)為半年，步長(zhǎng)為3個(gè)月，最后得到飽和關(guān)聯(lián)維隨時(shí)間的變化圖。

經(jīng)計(jì)算，隨著嵌入維數(shù)的增加，在m=8時(shí)，西影井水位時(shí)間序列的關(guān)聯(lián)維基本穩(wěn)定，故可得到最小嵌入維數(shù)為8，同時(shí)得到飽和關(guān)聯(lián)維值。計(jì)算結(jié)果表明，從1992年3月至1994年3月，西影井水位飽和關(guān)聯(lián)維處于上升階段，至1994年3月，飽和關(guān)聯(lián)維達(dá)到最高值2.1，而后開始出現(xiàn)拉鋸式下降，自1997年開始出現(xiàn)持續(xù)下降，至1997年底達(dá)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(qū)的地震活動(dòng)性可知，在1998年1月5日發(fā)生了陜西省涇陽(yáng)（北緯34°25′，東經(jīng)108°57′）5.2級(jí)地震，其他時(shí)段沒有4級(jí)以上地震發(fā)生。結(jié)合飽和關(guān)聯(lián)維的變化，可以推測(cè)，在此次地震前，地殼介質(zhì)相對(duì)比較均勻，其結(jié)構(gòu)自相似性也較穩(wěn)定，其飽和關(guān)聯(lián)維數(shù)也相對(duì)穩(wěn)定，隨著地震的孕育，地殼應(yīng)力場(chǎng)不斷增加，對(duì)應(yīng)的飽和關(guān)聯(lián)維也持續(xù)增大，這一過(guò)程持續(xù)到1994年基本完成。1994年3月后，構(gòu)造應(yīng)力不斷積累達(dá)到一定程度，地震應(yīng)力開始緩慢釋放，使得系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)受到擾動(dòng)，地下水環(huán)境受到物理因素變化的影響，其自相似性也發(fā)生了改變，因而產(chǎn)生了一個(gè)拉鋸式飽和關(guān)聯(lián)維降維過(guò)程。1997年后，應(yīng)力釋放速度加快，震源周圍介質(zhì)開始處于較雜亂的狀態(tài)，飽和關(guān)聯(lián)維開始出現(xiàn)持續(xù)下降，飽和關(guān)聯(lián)維在1997年底達(dá)到最低值0.45，說(shuō)明地殼應(yīng)力系統(tǒng)可能開始失穩(wěn)，地下水結(jié)構(gòu)自相似性變化最大，其飽和關(guān)聯(lián)維數(shù)值也最低，隨后，在1998 年1月5日發(fā)生了涇陽(yáng)5.2級(jí)地震。震后，飽和關(guān)聯(lián)維數(shù)由低值逐漸緩慢回升到平均值附近，說(shuō)明地殼應(yīng)力系統(tǒng)逐步趨于穩(wěn)定?？梢?，地下水水位的飽和關(guān)聯(lián)維變化與地震孕育過(guò)程密切相關(guān)，其變化特征可用來(lái)捕捉地震的前兆信息，從而為地震的短期預(yù)報(bào)提供有價(jià)值的信息。