西安地區(qū)地下熱水季節(jié)性活動(dòng)與區(qū)域地震活動(dòng)的關(guān)系研究*

王衛(wèi)東,林晨,張永志,趙云峰

(1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院,西安710054;2.浙江大學(xué)理學(xué)院,杭州310027)

從20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)鉆孔注水誘發(fā)地震,到20世紀(jì)90年代國際上出現(xiàn)地殼流體研究的熱點(diǎn),人們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到地殼中流體的存在,并對(duì)地下流體,特別是熱水在地震孕育與發(fā)生過程中的作用進(jìn)行了深入的研究[1-6],國內(nèi)也對(duì)地?zé)崴c地震活動(dòng)的關(guān)系進(jìn)行了一些研究[7-8]。

西安地區(qū)屬于國家級(jí)地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū),歷史上發(fā)生過多次強(qiáng)烈地震,過量開采地下承壓水已引起西安市嚴(yán)重的地面沉降和地裂縫活動(dòng),劉快勝等發(fā)現(xiàn)西安市地裂縫活動(dòng)和地下熱水的開采有明顯的相關(guān)性[9],吳富春等認(rèn)為西安地區(qū)的地下熱水開采沒有誘發(fā)西安地區(qū)的地震[10]。我們以往的研究則表明西安地區(qū)地下熱水開采和區(qū)域地震活動(dòng)密切相關(guān),西安市抽取地下熱水的影響范圍主要局限于西安及鄰區(qū)[11-12]。本文在研究西影井水位觀測(cè)資料的基礎(chǔ)上,分析了西安市地?zé)崴顒?dòng)的季節(jié)性特征,及其與西安及鄰區(qū)、關(guān)中東部地區(qū)和關(guān)中地區(qū)地震活動(dòng)的相關(guān)性。發(fā)現(xiàn)西安市地下熱水活動(dòng)與區(qū)域地震活動(dòng)密切相關(guān),其相關(guān)性基本不受地?zé)崴顒?dòng)季節(jié)性變化的影響,表明與構(gòu)造活動(dòng)相關(guān)的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)變化引起地下水系統(tǒng)的變形和巖石孔隙水壓力的變化,可能導(dǎo)致地下熱水活動(dòng)的異常。

1 西影水位季節(jié)變化特征

西安地區(qū)的地下熱水開采有明顯的季節(jié)性變化,一二季度用水量大,三四季度用水量小[13],但地下熱水開采的季節(jié)性變化是否與區(qū)域地震活動(dòng)相關(guān)尚缺乏研究。位于西安市南郊的西影井觀測(cè)段是第三系熱水,其周圍的地?zé)崴_采始于1992年。因此,本研究選取西影井1992-2006年的水位日均值資料,研究地下水位季節(jié)性變化與區(qū)域地震活動(dòng)的關(guān)系。將觀測(cè)水位日均值資料,經(jīng)氣壓校正后,對(duì)校正值進(jìn)行一階差分,對(duì)1-2季度和3-4季度超出背景閾值的超差次數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),得到西影井水位1-2季度和3-4季度超差次數(shù)的累計(jì)曲線圖(圖1-2)。

圖1 1992-2006年1-2季度水位異常曲線

圖2 1992-2006年3-4季度水位異常曲線

由圖可以看出,該井每年的水位變幅(或超差次數(shù))相差懸殊,具有明顯的階段性特點(diǎn),可分為3個(gè)階段:第Ⅰ階段(1992-1993年)水位動(dòng)態(tài)比較平靜,第Ⅱ階段(1994-2000年)水位動(dòng)態(tài)比較活躍,第Ⅲ階段(2000-2006年)水位動(dòng)態(tài)又趨于平靜;該井1-2季度和3-4季度的季節(jié)性變化不很明顯,但在1997-1998年間略有不同,1997年3-4季度的超差次數(shù)明顯多于1997年1-2季度的超差次數(shù),可能與1998年1月5日涇陽5.2級(jí)地震對(duì)地下水的影響有關(guān)。

2 區(qū)域地震活動(dòng)特征

利用1992-2006年間陜西省地震目錄,對(duì)關(guān)中地區(qū)(33.5°-35.5°N 、106°-111°E)、關(guān)中東部地區(qū)(33.5°-35.5°N 、108°-111°E)和西安及鄰區(qū)(33.8°-34.7°N 、108.5°-109.5°E)的地震活動(dòng)性進(jìn)行了分析,得到了累積地震應(yīng)變能年釋放量時(shí)間序列圖[12](圖 3-5)。

圖3 關(guān)中地區(qū)地震應(yīng)變釋放累計(jì)曲線

由圖可見,1992-2006年,地震活動(dòng)也具有較為明顯的階段性特征,且每階段的持續(xù)時(shí)間、活動(dòng)水平與西影井水位異常活動(dòng)有較好的一致性。

圖4 西安及鄰區(qū)地震應(yīng)變釋放累計(jì)曲線

圖5 關(guān)中東部地區(qū)地震應(yīng)變釋放累計(jì)曲線

3 地震活動(dòng)與西安市地下熱水活動(dòng)相關(guān)性分析

對(duì)比圖1-5可見,三個(gè)區(qū)域的地震應(yīng)變釋放與西影井水位異常均存在較為一致的變化趨勢(shì)。為進(jìn)一步研究西安市地?zé)崴顒?dòng)的季節(jié)性特征與區(qū)域地震活動(dòng)相關(guān)性的差異,分別對(duì)西影井1992-2006年1-2季度和3-4季度水位異常曲線與上述三個(gè)區(qū)域的地震應(yīng)變釋放曲線進(jìn)行了相關(guān)分析,結(jié)果如下(表1)。

表1 西影井水位異常與區(qū)域地震活動(dòng)的相關(guān)分析

相關(guān)分析的結(jié)果表明,西影井水位異常與西安及鄰區(qū)的地震活動(dòng)最為密切,與關(guān)中東部地區(qū)和關(guān)中地區(qū)的地震活動(dòng)也有較明顯的相關(guān)性,基本不受季節(jié)性用水的影響。究其原因,由于西影井水位所觀測(cè)的是1 520 m以下深層熱水含水層的孔隙壓力,觀測(cè)層位是具有一定封閉條件的承壓系統(tǒng),并能通過壓力傳遞等方式靈敏地反映地殼中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),其動(dòng)態(tài)反映了地殼中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),使巖體中微小應(yīng)力應(yīng)變都能反映到孔隙壓力的改變上,因此它的動(dòng)態(tài)是構(gòu)造活動(dòng)的深部反映。西影熱水井水位變化與關(guān)中地區(qū)、關(guān)中東部地區(qū)和西安及鄰區(qū)的地震活動(dòng)均相關(guān),反映出它們受同一構(gòu)造力源的控制,而西影熱水井水位變化與西安及鄰區(qū)的地震活動(dòng)最為密切的內(nèi)在原因,可能在于它們都處于長安-臨潼活動(dòng)斷裂的控制范圍內(nèi)。而季節(jié)性用水對(duì)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的影響很小,因而不影響西安市地下熱水活動(dòng)與區(qū)域地震活動(dòng)的相關(guān)性。

4 討論

由上述分析可知,西安地區(qū)地下熱水活動(dòng)與西安及鄰區(qū)的地震活動(dòng)最為密切,與關(guān)中東部地區(qū)和關(guān)中地區(qū)的地震活動(dòng)也有較明顯的相關(guān)性,基本不受季節(jié)性用水的影響,反映出它們受同一力源構(gòu)造的控制;西安地區(qū)地下熱水活動(dòng)與西安及鄰區(qū)的地震活動(dòng)最為密切的原因,可能在于它們都處于長安-臨潼活動(dòng)斷裂的影響范圍內(nèi),都與區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)相關(guān),其活動(dòng)水平取決于對(duì)構(gòu)造活動(dòng)的響應(yīng)程度;研究結(jié)果也表明,與構(gòu)造活動(dòng)相關(guān)的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)變化引起地下水系統(tǒng)的變形和巖石孔隙水壓力的變化,可能導(dǎo)致了地下熱水活動(dòng)的異常。

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