中国地震  2021, Vol. 37 Issue (4): 749-766
新疆呼图壁地下储气库断层气体地球化学特征研究
蒋雨函1, 高小其1, 张磊1, 许秋龙2, 汪成国2, 陈其峰3, 范雪芳4     
1. 应急管理部国家自然灾害防治研究院,地壳动力学重点实验室,北京 100085;
2. 新疆维吾尔自治区地震局,乌鲁木齐 830011;
3. 山东省地震局,济南 250014;
4. 山西省地震局,太原 030021
摘要:Rn、CO2、Hg、H2等断层气体被广泛应用于断层活动性以及断层结构特征的研究。当前,研究介质中压力变化与断层气间的关系是断层气映震研究的主要技术方法之一。新疆呼图壁地下储气库自建成以来,每年以周期性循环“注入/采出”模式运行,该运行模式带来的储气库气压变化会影响周围地区的地震活动。同时,这一定期加压存储与减压释放气体的过程为研究应力变化引起的断层气变化提供了天然的实验场。通过对呼图壁储气库开展断层气定期流动测量以及定点连续观测,获取反复加载、卸载气体过程中储气库及周边区域断层气体Rn、CO2、Hg、H2浓度的变化特征,在储气库区域内观测到明显的Hg、H2浓度高值现象,其最大值分别为190ng/m3和725.40ppm,且其空间分布特征表现为在储气库加压存储过程中,储气库区域内注采井附近的气体浓度高于储气库区域外;此外,长期连续观测结果表明,断层气H2与储气库的压力变化存在一定的关系,H2对储气库内压力变化的响应更为灵敏。对呼图壁储气库应力变化引起的断层气变化特征进行分析,可以认识不同应力状态下断层气变化特征,为地震台站勘选与建设、震情跟踪以及异常落实等提供地球化学科技支撑。
关键词呼图壁储气库    断层气    气体地球化学    氢气        流动观测    连续观测    
Geochemical Characteristics of Soil Gas along Faults in Hutubi Underground Gas Storage, Xinjiang
Jiang Yuhan1, Gao Xiaoqi1, Zhang Lei1, Xu Qiulong2, Wang Chengguo2, Chen Qifeng3, Fan Xuefang4     
1. Key Laboratory of Crustal Dynamics, National Institute of Natural Hazards, Ministry of Emergency Management of China, Beijing 100085, China;
2. Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011, China;
3. Shandong Earthquake Agency, Jinan 250014, China;
4. Shanxi Earthquake Agency, Taiyuan 030021, China
Abstract: Earthquakes activities can cause the release of underground gas. Soil gases along faults such as radon, carbon dioxide, mercury and hydrogen are widely used in the study of fault activity and the characteristics of fault structure. At present, a great attention has been paid to study the relationship between pressure changes in the medium and gas along fault in studying fault gas reflection. Since the completion of Xinjiang Hutubi Underground Gas Storage, it has been operating in a cyclical "injection/production" mode every year. The gas storage pressure changes caused by such operation mode will have an impact on the seismic activity in the surrounding areas. At the same time of concerning the production and life safety of surrounding residents, this process of regular pressurized storage and decompression of gas release provides a natural testing ground for studying fault gas changes caused by stress changes. In this paper we carried out periodic fault gas measurement and continuous monitoring of fault gas at fixed points in Hutubi gas storage to obtain the fault gas Rn, CO2, Hg, H2 of the gas storage and the surrounding area during the repeated loading and unloading of the gas storage. Relatively high concentrations of Hg and H2 are observed in the gas storage area, with the maximum values of 190ng/m3 and 725.40ppm respectively. In terms of spatial distribution characteristics during the process of pressurized storage in the gas storage, the gas concentration near the injection and production wells in the gas storage area is higher than that outside the gas storage area. In addition, the long-term continuous observation results show that the H2 has a certain relationship with the pressure change of the gas storage, and has a certain effect on the gas storage, which suggests that the H2 response to changes in internal pressure is more sensitive. Our results show that analyzing the characteristics of gas changes caused by stress changes in Hutubi gas storage can provide geochemical scientific and technological support to help the survey and selection, construction, earthquake situation tracking and anomaly implementation of seismic stations.
Key words: Hutubi gas storage     Fault gas     Gas geochemistry     Hydrogen     Mercury     Fault gas measurement     Continuous monitoring    
0 引言

地球内部发生的各种物理、化学场变化以及构造活动等,常常会导致地下流体从各种通道释放。研究表明,地下流体在地震预测与震情跟踪中具有重要的作用(晏锐等,2018赵红丽等,2006),而地下断层气体能够灵敏反映地壳应力、应变状态与构造活动状态,因此常被用于判断断裂带位置、进行地震科学研究等(杜乐天,2005李营等,2009Chiodini et al,2011张冠亚等,2015孙小龙等,20162017张磊等,2018)。前人对断层气开展了大量的研究,如利用断层气浓度的时空变化特征探寻断裂带断层气逸出位置与运移路径(Zhou et al,2010Li et al,2013);根据断层气的测量结果揭示断裂带的结构特征等(Ciotoli et al,2007Annunziatellis et al,2008Sun et al,2018张磊等,2019)。除此之外,断裂带是地下气体向上逸出的主要通道,研究证明断层气中Rn、Hg、CO2等组分的时空特征可以灵敏地反映地震与构造活动(汪成民等,1991杜建国等,2000刘耀炜等,2006周晓成等,2013Zhou et al,2016Yang et al,2018)。在地震孕育或构造活动过程中,应力场发生变化,从而导致地壳发生瞬时变化,如岩石裂隙开启、闭合,断层蠕动等,压力导致气体从裂隙中逸出(杜建国等,2000杨竹转等,2008Zhou et al,2010刘耀炜等,2015)。

呼图壁地下天然储气库是中国目前存储量最大的天然气储气库,于2013年建成并投入使用,作为西气东输管网首个大型配套系统,其库区面积约为16km2,设计总库容为107×106m3,工作气量为45.1×106m3(刘志成,2015李杰等,2016)。储气库的气量调节工作由注气与采气两部分组成,即在夏季注气、冬季采气。储气库的周期性注采气过程,导致储气库内部产生巨大的压力差,使其内部压力发生变化,与此同时,储气库的上部地表盖层发生水平、垂直变化,地表水准测量观测到的地表形变与储气库压力变化相关性良好,GPS观测结果显示,地表盖层在储气库注采气过程中,水平方向上出现明显的“呼吸效应”(Shapiro et al,2007李杰等,2016王迪晋等,2016方伟等,2017)。此外,有研究发现在该储气库开始注气后,周围的小震活动有所增加(方伟等,2017)。张卓然等(2020)研究结果表明,储气库注采气活动导致的气压变化会对周缘地区的地震活动产生影响,当储气库内部气压超过22MPa后,较小的气压波动便会导致该地地震活动性明显增强,明显影响的范围约距储气库中心40km内。王成虎等(2020)也对该区注采诱发地层应力场变化以及断层易滑动性对小震级地震的影响进行了研究,得到了注采前呼图壁储气库工区最大水平主应力值;应力结构随着储气库的注采周期在走滑与逆冲间转换,储气库注气也可能增加断层滑动风险,其滑动趋势数值也随着周期性注采发生周期变化,同时确定了诱发微震发生的临界断层滑动趋势数值。由于断层气中Rn、Hg、H2、CO2等组分的时空特征对地壳应力、应变状态响应灵敏,因此,通过对呼图壁储气库区域不同注采气阶段断层气地球化学时空特征进行研究,判断其能否对储气库内压力变化产生响应,有助于了解该处地下应力应变状态,为分析地震活动性提供依据。

本文通过2017—2020年的7期流动观测以及2019年开始的呼图壁储气库的定点连续观测,对比分析断层气中Rn、Hg、CO2、H2的浓度变化,尝试探索气体地球化学时空变化特征及其与地下应力应变状态和地震活动的关系。

1 地质概况

呼图壁地下天然储气库地处呼图壁县,隶属于昌吉回族自治州,地理位置位于新疆维吾尔自治区中北部、准噶尔盆地南缘,属天山北麓中段(李杰等,2016方伟等,2017蒋雨函,2020)。

呼图壁储气库所处的天山北缘自中新生代,尤其是新生代以来,在近SN向的应力挤压下,由南向北发育了一系列向北逆冲的断裂,形成了准噶尔盆地南缘的三排雁列式构造带(图 1)(Burchfiel et al,1999邓起东等,2000郭召杰等,2011)。呼图壁储气库位于天山山前坳陷第三排构造带东端的呼图壁背斜上,呼图壁背斜由侏罗纪煤系地层(约地下7~8km)中的滑脱面向上扩展而成的断坡顶端形成,在地表呈现为一轻微隆起,形成于喜马拉雅运动晚期、约更新世以来1Ma(仵宗涛等,2017)。该背斜长轴延伸方向为NWW,长轴长度为40km,短轴为8km(康竹林,1997邓起东等,1999陈立春,2012)。呼图壁断裂将呼图壁背斜切割为上、下2个断背斜,下盘发育了呼图壁北断裂,研究区呼图壁地下储气库就位于呼图壁北断裂与呼图壁断裂2个断裂带之间(图 2表 1)。

图 1 准噶尔盆地南缘区域地质图(据田孝茹等(2017))

图 2 呼图壁地下储气库、断层与断层气测量点分布示意图(据张磊等(2018)) 阴影表示储气层分布区域

表 1 呼图壁断裂要素(据曹锡秋(2013))

呼图壁储气库属于枯竭型气田,由原呼图壁油气田改建而成,储气库所在区域地层发育由下至上分别为:第四系西域组(Q1x)、新近系独山子组(N2d)、塔西河组(N1t)、沙湾组(N1s)、古近系安集海河组(E2-3a),紫泥泉子组(E1-2z)、白垩系上统东沟组(K2d)(曹锡秋,2013),其中储气库的储层为紫泥泉子组的紫2段。

研究区位于中国西北典型的大陆内部挤压活动构造区,是我国主要地震活动带之一,地震活动(M≥3.0)在该活动带频繁发生,如2016年12月8日新疆呼图壁发生MS6.2地震。

2 测量方法 2.1 观测点布设

基于新疆维吾尔自治区地震局在呼图壁地区建立的储气库地表形变监测网所布设的形变观测墩,在研究区内垂直于断层分别布设了3条测线,为了综合对比观测,1号测线与形变观测墩HKPS-HKPN测线一致,对其中距离较远的观测点进行了加密,另外布设了2号、3号测线以便对比分析(图 2)。此外,沿呼图壁北断裂在1-8测点两旁分别布设了2个测点1-8-1与1-8-2,3个测点组成1-8测线。其中,1-6、1-8、1-8-2、2-4、2-5和3-4测点位于储气库的注采井旁,3-2测点位于天然气探井旁。

2.2 连续观测点布设

依据前阶段在研究区进行的多期断层气流动观测结果,最终选择其中断层气各组分浓度变化明显、且位置处于储气库中心区域的1-8测点处(图 2)建立固定连续观测站。固定连续观测站于2019年投入使用,为避免当地温差过大对观测结果造成影响,观测站采用半地下室建筑结构,设备仪器均置于地下室内。其中,采用ATG-6118H痕量氢在线自动分析仪全时段测量断层气氢气浓度,其测量范围为0~5000ppm,分辨率为0.001ppm;采用ATG-C600二氧化碳在线监测仪测量断层气CO2浓度,测量范围为0~60%,分辨率为0.1ppm;采用ATG-6138M痕量汞在线自动分析仪测量断层气Hg的浓度,测量范围为0~10000ng/m3,分辨率为0.01ng/m3;采用BG-2015R测氡仪对断层气Rn浓度进行测量,测量范围为0.01~5000Bq/m3,分辨率为0.01Bq/m3。对原始数据进行分析处理,全部观测数据均为整点值,对于干扰造成的数据异常,则采用缺数处理。

2.3 断层气流动测量方法

断层气气体组分浓度测量采用常规的测量方法。利用钢钎在测点处的土壤中打孔,孔径约30mm,孔深为80cm。在拔出钢钎后立即将麻花钻取样器插入孔中并旋紧(全程注意密封),再依次将测量仪器连接在取气口处进行测量。采用杭州超钜ATG-300H测氢仪野外现场测量H2浓度,测量误差<1%;采用Lumex RA915M测汞仪测量断层气Hg浓度,测量误差<5%;采用Alpha GUARD p2000测氡仪测量Rn浓度,气体最低检出限浓度为1ng/m3,测量误差<3%;采用北京华云GXH-3010E1E二氧化碳测量仪测量断层气CO2,测量误差<6%。野外测量需要选择适当的测量环境,尽量避免可能存在的影响因素,如气候、降水、季节、地温等。2017—2020年共开展了7期野外测量(2017年9月、2017年11月、2018年6月、2018年9月、2019年6月、2019年10月、2020年9月),期间均属于旱季,测量前与测量过程中均未发生明显降雨,周围地表植被不发育,降低了降水、生物作用对测量结果的影响(张磊等,2018)。此外,于2019年7月、10月分别进行了呼图壁储气库研究区地表形变二等水准测量工作,结合同期气体地球化学特征进行对比分析。

3 测量结果 3.1 断层气流动观测结果

对于1号主测线,7期测量结果对比显示断层气Rn与CO2整体浓度变化基本保持稳定,其中CO2在1-13测点始终存在浓度高值现象,最大值为0.54%。Rn、CO2浓度范围分别为15366~41901Bq/m3和0.04%~0.54%,Hg、H2的浓度测线分布特征基本保持一致,但在储气库区域内的1-6、1-8测点,2种气体浓度测线均存在显著升高现象(图 3(a)),尤其在1-8测点浓度较其他测点出现成倍升高现象,7期测量结果的分布特征基本一致,且Hg和H2的浓度范围分别为2~190ng/m3和1.17~555.10ppm(表 2)。

图 3 2017—2020年呼图壁地下天然气储气库地区断层气浓度剖面图 矩形阴影方框内为储气库示意范围

表 2 2017—2020年呼图壁地下天然气储气库区断层气中Rn、CO2、Hg和H2浓度的极值与均值(据张磊等(2018))

对于2号测线,从2017—2018年观测结果(图 4)来看,H2和Hg的浓度测线存在储气库区域内浓度高、储气库区域外浓度低的现象,尤其在2-4测点,2018年9月H2浓度测值为储气库区域外2-3测点处浓度的10.8倍,Hg浓度为2-3测点处浓度的6.8倍。但在2019年6月、10月以及2020年9月(图 3(c)),氢气浓度测线在2-1、2-2、2-3测点浓度明显高于前期测量结果,未发现明显规律,可能是由外部原因引起。Rn、CO2浓度测线保持基本稳定,CO2在2-3、2-8测点处7期测量结果均存在明显浓度高值现象,可能与所处位置有关。

图 4 2017—2018年呼图壁地下天然气储气库地区2号测线断层气浓度剖面图

沿断层布设的1-8测线上的3个测点均位于储气库区域内,7期测量结果(图 3(b))显示,在测点1-8-1处,Rn、CO2、Hg以及H2气体变化范围基本一致,另外2个测点(1-8、1-8-2)Rn、CO2浓度测线变化稳定,无明显浓度高值位置;与之相反,Hg与H2浓度发生明显变化。除此之外,分布在呼图壁断裂附近的1-5测点的5种断层气体多期测量浓度均为背景值。在3号测线上,7期测量结果(图 3(d))均显示3-4与3-6测点的4种气体浓度均偏高,其他位置上浓度测线保持稳定,可能与测点在储气库中的位置有关。

3.2 断层气连续观测结果

根据原始数据绘制2019年1月—2020年10月断层气H2与CO2浓度年变化曲线,如图 5所示,并对2种断层气浓度的长期动态变化特征进行分析。另外,断层气Rn以及Hg的测量结果表明其随时间变化的趋势不明显,因此判断Rn、Hg浓度对压力变化响应不明显。

图 5 2019年1月—2020年10月呼图壁地下储气库断层气H2、CO2浓度年变化曲线 Ⅰ:储气库采气期;Ⅱ:储气库注气期(蓝色方框)

随着储气库加载和卸载过程,断层气H2与CO2均具有较为明显的年变化规律特征。图 5 (a)为断层气H2浓度年变化观测曲线,观测到其2年间具有明显的年变规律,具体特征趋势表现为:约每年12月至次年3月,H2浓度相对较低且保持稳定,浓度范围0.01~3.90ppm,4月初H2浓度渐渐升高,6月至7月间浓度达到最高值,测值在26.14~30.46ppm,随后浓度开始降低直至11月,12月至次年3月浓度恢复至最低水平波动。2019年5月H2浓度出现短暂降低的现象,随后立即回升,但在2020年观测中并未发生相同的情况,推测其可能为偶然现象。从目前掌握的数据来看,土壤气H2浓度年变化范围为0.01~30.46ppm,具有较好的周期性。

图 5 (b)为断层气CO2浓度年变化观测曲线,观测到其2年间具有明显的年变规律,具体特征趋势表现为:每年6月至7月CO2浓度最低,测值在3.16~12.40ppm,8月前后CO2浓度开始升高,12月至次年1月达到浓度最高,测值为637.48~1064.50ppm,2月前后CO2浓度开始降低,至6月、7月浓度达最低值。同样,在2019年5月前后,CO2浓度发生短暂升高随即迅速降低现象,但在2020年并未出现此类现象,其应属偶然现象。从现有数据来看,断层气CO2浓度年变化范围为3.16~1064.50ppm,且具有较好的周期性。

3.3 呼图壁储气库地表形变观测结果

基于李杰等(2016)对呼图壁储气库区域地表形变的研究,于2019年7月和10月对呼图壁储气库区域进行了同期地表二等水准测量,测点位置见图 6,测量结果见表 3

图 6 呼图壁地下储气库形变综合观测墩及注采井分布(据李杰等(2016))

表 3 2019年呼图壁地下天然气储气库区地表二等水准测量高程(单位:m)

从测量结果看,2019年7月—2019年10月大部分测点表现出地表沉降现象(图 7),变化范围-12.32~-0.61mm,仅HKP9、HK07测点出现轻微地表抬升,变化范围0.05~0.95mm。2019年7~10月处于呼图壁储气库注气加压阶段,储气库区域地表整体呈现沉降趋势,尤其是位于储气库研究区域北部以及西北部临近农业灌溉井的测点位置,仅位于研究区南部远离农田灌溉井的2个测点(HKP9、HK07)呈现小幅度抬升现象,其中HK07抬升幅度较大,该点位于注采井附近。

图 7 呼图壁地下储气库区域2019年7—10月地表垂直变化
4 讨论 4.1 断层气观测空间分布特征 4.1.1 H2和Hg

从呼图壁地下储气库区域布设的4条测线上的Rn、CO2、Hg以及H2浓度整体特征来看,断层气H2和Hg在2017—2020年7期测量中的浓度变化测线具有一定的空间分布特征。对比1号、2号、3号测线2种气体的浓度测线,其特征具体表现为:在储气库区域内断层气H2和Hg浓度高于储气库外,尤其是位于储气库区域内注采井附近的测点,而储气库区域外测点以及位于断层附近、且周围无注采井的1-5、1-8-1测点的浓度测值始终为背景值特征,证明研究区内断层未发生明显的活动。而位于同一断层上的1-8测线上的3个测点断层气体浓度存在差异性,可能说明断层气H2和Hg浓度高值与注采井有关。

作为最轻的元素,氢元素具有原子半径小、质量轻、移速快、穿透能力强、粘性小等特点,因此与其他气体相比,H2的迁移性和渗透能力较强。除此之外,H2也被认为是反应断裂活动最灵敏的组分之一,能够快速对构造活动产生响应(King,1986车用太等,20022015张磊等,2018)。范雪芳等(2016)对长期全时段断裂带断层气高精度氢观测资料进行评估分析,认为H2浓度变化与地震活动存在一定的对应关系,发现在震前断层气H2浓度突升,变化幅度极大,说明断层气H2的异常变化可反映地下应力状态的改变(张磊等,2018)。

由于断层位置上测点的断层气H2浓度为背景值特征,而储气库内注采井附近的断层气H2浓度具有明显高值特征,分析其原因可能是由于将大量高压天然气注入储气库,使得注采井下方拉张裂隙增多(王芳,2017),或因地下压力变化导致注采井附近地下孔隙连通,使得土壤中的裂隙、孔隙中的H2和(或)天然气中的H2向上运移,由于H2迁移速度快,由此观测到断层气中H2浓度升高(张磊等,2018)。

Hg在常温下即可蒸发,气态Hg具有极强的扩散、穿透能力,Hg还具有很强的富集吸附作用,容易附着于岩石或断层的泥中,汞蒸气、胶体汞离子与吸附汞、汞化合物、汞的配合物是其在自然界主要存在形式(康春丽等,1999b;杜建国,1999a)。在地下温度或压力发生变化时,Hg蒸气便可沿构造裂隙逸出至地表,形成地下流体中的汞浓度异常变化(Zhou et al,2010Zhang et al,2014),地震活动区域中由于构造活动影响,汞含量明显高于外部区域(张磊,2016)。

断层气Hg与H2浓度的空间变化特征为储气库区域内测点浓度高,尤其是注采井位置1-6、1-8、2-4、2-5测点处。另外,多期测量结果显示,多条测线上Hg和H2的浓度变化趋势与高值位置较为一致,由此分析认为Hg和H2的变化机理可能是一致的。储气库内部压力升高使得地下应力发生变化,导致存在于土壤、裂隙或天然气中的气体沿裂隙向上运移,从而观测到2种气体在注采井处浓度突然升高。因此,断层气Hg与H2对于储气库内气压变化的响应是较为灵敏的,故认为其可能是能反映呼图壁储气库区域压力变化的有效测项气体。

4.1.2 Rn和CO2

断层气Rn、CO2在2017—2020年7期测量中浓度变化均表现为稳定变化、无明显高值波动且各自趋势一致。除此之外,其相互之间无明显相关性,说明在浅层CO2不是Rn运移的主要载体。

Rn属于惰性元素,半衰期为3.825天。通常情况下,Rn的单质形态是氡气,化学性质不活泼、不易形成化合物、不易溶于水,大部分Rn存在于土壤或岩石的裂隙中,即自由Rn,但自由Rn的迁移速率低。然而当Rn被作为载体运移时,可迅速从地下深处运移至地表,载体气体通常有CO2、CH4。断层气组分除了受到地下应力应变影响,还存在很多其他影响因素,如地质构造、土壤性质、气象因素等,呼图壁储气库断层气组分CO2、Rn并不具有在储气库区域内浓度升高特征,而是分别在储气库外区域点位上存在浓度高值现象,这种与H2、Hg的差异性变化趋势,可能与气体产生的机理和响应机制不同有关(张磊等,2018)。

综上所述,从断层气地球化学空间特征角度说明,断层气组分H2、Hg可以在储气库区域内对呼图壁储气库注气带来的压力变化产生响应,但对于深入研究其与地下应力应变状态的关系,仍然存在一定的局限性。因此,在后续选择的固定观测点进行了断层气连续观测,进一步对比分析断层气与储气库内部压力变化的关系,探究地下应力应变状态。

4.2 断层气观测时间演化特征

从断层气H2与CO2的长期动态特征分析(图 5),2种气体均具有明显的年变特征,周期性较好;2种气体的变化趋势相反,CO2具有夏季浓度低、冬季浓度高的季节性特征,但与储气库的注气、采气期无明显的相关性,H2具有一定的周期性且与储气库的注气、采气期存在对应关系。依据2016年4—9月向储气库内注气使得储气库内气压不断增加、1—3月以及10—12月从储气库采气导致储气库内气压不断下降(张卓然等,2020)的储气库压力变化规律,推断出2019—2020年储气库注气、采气阶段与前期时间节点接近,从而推断断层气H2与储气库压力变化存在明显的正相关响应关系,CO2与之相关性不显著。

从2019年同期测量的地表形变数据结果(图 7)判断,7—10月呼图壁储气库区域地表整体呈现沉降趋势,尤其是北部及西北部农田区域,仅研究区南部工业区内的2个测点呈现出小幅度抬升趋势。王泽根等(2020)基于SBAS-InSAR技术,对2017年3月—2019年5月呼图壁储气库的地表形变时空特征分布及其影响因素进行了研究,结果显示每年4—10月的注气阶段,储气库地表抬升10~30mm;但遇夏季降水量不能满足当地农业农田灌溉需求时,采取抽取地下水措施,导致注气阶段储气库区域(特别是接近农田灌溉井的区域)地表抬升量明显减小;每年11月至次年3月采气阶段,地表沉降5~10mm。储气库注气阶段地表抬升,采气阶段地表沉降,储气库区域地表形变受注气、采气与地下水抽取2个因素共同影响,在注气阶段会因夏季地下水抽取使地表抬升量下降,而地下水抽取则受降水量影响。

分析2019年呼图壁区域月降水量(图 8)发现,研究区2019年7—9月的降水量极低,因此农业灌溉用水需求大,地下水开采量增多,从而导致在储气库注气阶段储气库区域北部农田区发生地表沉降现象,与李杰等(2016)在该区域的研究结果一致。反观储气库区域南部工业区出现的轻微地表隆升现象,则足以证明在储气库注气阶段,由于储气库注气导致其内部压力增大,从而使呼图壁储气库区域地下应力发生改变,进而导致地表产生形变。进一步分析H2浓度的时间变化规律得出,在1—3月储气库采气阶段,储气库内压力较低,H2浓度在背景值附近波动,自4月开始随着春季到来,储气库停止采气并开始注气以后,随着储气库内压力升高,H2浓度升高,当储气库压力达到峰值后,储气库停止注气,在储气库平衡期,储气库内压力不再继续增加,H2浓度便缓慢降低,直至10月储气库再次开始采气,储气库内压力迅速降低,H2浓度也随即下降直至背景值附近。

图 8 2019年新疆呼图壁区域月降水量
4.3 地震活动

通过小震活动及其分布可以了解该区域的构造活动特征,为判断断层气体异常是否与断层活动有关提供相关依据(张磊等,2018)。因此,本文选取了储气库周围50km范围内的地震目录(图 9)。2017年1月1日—2020年12月31日该区发生ML≥0地震1227次,其中,ML0~0.9地震375次,ML1.0~1.9地震694次,ML2.0~2.9地震136次,ML3.0~3.9地震21次,ML4.0~4.9地震1次,最大地震为2020年6月22日呼图壁ML4.0地震(图 10(a)),该地震距离储气库中心位置49km。2017年1月—2018年9月,地震活动相对较弱,月频度为15次;2018年10月后,区域地震活动较前期略有增强,月频度达到34次,而2020年6月以来增强最为显著,2020年6月月频度达到101次。地震活动显示,每年发生震级相对较高的地震的月份为5—7月(图 10(a)),每年地震月频次相对较高的月份集中在6—10月(图 10(b)),均处于储气库注气增压阶段,与前期张磊等(2018)的结论相符,因此两者间存在一定的吻合性。另外,本研究中2019年6月、10月以及2020年9月3期土壤气流动测量时间相较于以往的测量时间,则处于地震频次与地震震级相对较高时期,其每条测线上H2、Hg浓度的平均数值也略微高于前期数据,证明储气库区域断层气浓度变化与地下应力应变以及地震活动存在一定的关系,同时验证了断层气H2、Hg对比另外2种气体组分响应更为灵敏。

图 9 2017—2020年呼图壁地下储气库地震分布

图 10 呼图壁地下储气库2017—2020年地震活动时间序列

Gan等(2013)研究发现,在油田注入天然气和CO2可能会导致地震发生,震级可能达到3级及以上,而震中通常在距注采井2km内。反观呼图壁地下储气库周围2km范围内地震震级与地震频次始终较低,说明长期以来该区域断层活动状态弱。该结论与前文观测到的断层处或储气库区域外、且无注采井分布的测点断层气浓度始终为背景值,从未发生较大变化,从而反映出断层活动性较弱的结果较为一致。探究其原因可能是气体以孔隙喉道和早期活动断裂孔隙为通道,持续稳定向地表运移(田孝茹等,2017),从而显示出背景值特征(张磊等,2018)。由于断层活动性弱,但地震活动随着储气库进入注气期而增加,说明储气库内气压变化可能导致地震活动性增加。

张卓然等(2020)对呼图壁储气库活动与地震活动之间的关系进行了详细研究,发现在储气库进入注气期的同时,气压总量明显升高且地震也进入频发状态(图 11),当储气库中总气压量高于一定阈值(约22MPa)时,地震活动性显著增强,其在空间位置上的影响范围推测在40km以内,且对东南侧范围影响较为明显。对于发生在距离储气库中心点约49km的2020年6月22日呼图壁ML4.0地震,其是否由储气库注采气活动触发,值得进一步探讨,但不排除其影响范围随着储气库建立时间发生变化(张卓然等,2020),其中2019—2020年该地区地震活动逐年增强,可能与储气库2019年开始实施的调整扩能工程有关。

图 11 储气库活动与地震活动的时间关系(据张卓然等(2020))
5 结论

在2017—2020年呼图壁地下储气库反复加载、卸载气体的过程中,开展了断层气Rn、CO2、Hg、H2浓度流动测量和定点连续观测,观测到储气库区域断层气的时间、空间演化特征,得到如下结论:

(1) 在储气库区域内观测到Hg和H2浓度明显高值现象。在储气库加压存储过程中,在储气库区域内注采井附近范围断层气Hg和H2浓度发生较大幅度的变化,但是在储气库区域外以及断层位置处,未观测到明显的断层气浓度异常变化现象,可能该区域的断层活动性较弱,同时断层气H2、Hg可作为研究断层气对应力、应变响应变化的重要手段。

(2) 在储气库区域内定点连续观测中,断层气H2具有较为明显的与储气库压力变化响应关系,即应力增大导致部分断层气H2浓度显著增大,当应力不再增加时,断层气H2浓度缓慢恢复至背景值附近。断层气H2对储气库内压力变化的灵敏响应,或许可以用于判断储气库区域地下应力、应变状态,监测其实时动态。

(3) 储气库的注气加压过程导致储气库内部压力发生变化,从而使储气库区域地震活动频发。

本研究对认识不同压力状态下断层气的变化特征,指导地震台站布设、震情跟踪以及异常落实等方面具有一定意义。

致谢: 防灾科技学院李静讲师、云南地震局李庆高级工程师、山西地震局郭宝仁工程师、山东省地震局颜丙囤工程师等先后参加了呼图壁储气库断层气流动观测;本研究得到了新疆地震局朱成英高级工程师、方伟高级工程师、聂晓红高级工程师、李新勇工程师和李娜工程师等人的帮助,在此一并致谢。
参考文献
曹锡秋, 2013. 新疆某地衰竭气藏地下储气库地应力特征研究. 博士学位论文. 北京: 中国地质大学(北京).
车用太、刘耀炜、何钄, 2015, 断层带土壤气中H2观测——探索地震短临预报的新途径, 地震, 35(4): 1-10.
车用太、鱼金子、张培仁等, 2002, H2与He的映震灵敏性及其干扰初析, 地震, 22(2): 94-103.
陈立春, 2012, 北天山乌鲁木齐转换区构造系晚第四纪活动性, 国际地震动态, (10): 43-45. DOI:10.3969/j.issn.0253-4975.2012.10.011
邓起东、冯先岳、张培震等, 1999, 乌鲁木齐山前坳陷逆断裂-褶皱带及其形成机制, 地学前缘, 6(4): 191-201.
邓起东、冯先岳、张培震等, 2000, 天山活动构造, 199-213, 北京: 地震出版社.
杜建国、康春丽, 2000, 强地震前兆异常特征与深部流体作用探讨, 地震, 20(3): 95-101.
杜乐天, 2005, 地球排气作用的重大意义及研究进展, 地质论评, 51(2): 174-180.
范雪芳、张磊、李自红等, 2016, 断裂带土壤气高精度氢异常分析, 地震地质, 38(2): 303-315.
方伟、阿卜杜拉塔伊尔·亚森、李瑞等, 2017, 呼图壁储气库地表形变监测数据分析, 内陆地震, 31(1): 9-16.
郭召杰、吴朝东、张志诚等, 2011, 准噶尔盆地南缘构造控藏作用及大型油气藏勘探方向浅析, 高校地质学报, 17(2): 185-195.
蒋雨函, 2020. 呼图壁地下储气库土壤气地球化学特征研究. 硕士学位论文. 北京: 中国地震局地壳应力研究所.
康春丽、杜建国, 1999a, 汞的地球化学特征及其映震效能, 地质地球化学, 27(1): 79-84.
康春丽、杜建国、李圣强, 1999b, 中强地震活动中汞的异常特征, 地震, 19(4): 352-358.
康竹林, 1997, 准噶尔盆地南缘油气勘探前景, 中国石油勘探, (4): 31-34, 6.
李杰、李瑞、王晓强等, 2016, 呼图壁地下储气库部分区域地表垂直形变机理研究, 中国地震, 32(2): 407-416.
李营、杜建国、王富宽等, 2009, 延怀盆地土壤气体地球化学特征, 地震学报, 31(1): 82-91.
刘耀炜、陈华静、车用太, 2006, 我国地震地下流体观测研究40年发展与展望, 国际地震动态, (7): 3-12.
刘耀炜、任宏微、张磊等, 2015, 鲁甸6.5级地震地下流体典型异常与前兆机理分析, 地震地质, 37(1): 307-318.
刘志成, 2015. 新疆某地下储气库注采周期地表形变监测与数值模拟研究. 硕士学位论文. 乌鲁木齐: 新疆大学.
孙小龙、邵志刚、司学芸等, 2017, 断层带土壤氢气浓度测量及其影响因素, 大地测量与地球动力学, 37(4): 436-440.
孙小龙、王广才、邵志刚等, 2016, 海原断裂带土壤气与地下水地球化学特征研究, 地学前缘, 23(3): 140-150.
田孝茹、卓勤功、张健等, 2017, 准噶尔盆地南缘吐谷鲁群盖层评价及对下组合油气成藏的意义, 石油与天然气地质, 38(2): 334-344.
王成虎、高桂云、贾晋等, 2020, H储气库注采诱发应力场及断层滑动趋势变化, 天然气工业, 40(10): 76-85.
汪成民、李宣瑚, 1991, 我国断层气测量在地震科学研究中的应用现状, 中国地震, 7(2): 19-30.
王迪晋、李瑜、聂兆生等, 2016, 呼图壁地下储气库地表盖层变形的GPS研究, 中国地震, 32(2): 397-406.
王芳, 2017. 利用背景噪声研究新疆呼图壁储气库周边浅层介质结构及其变化. 博士学位论文. 北京: 中国地震局地球物理研究所.
仵宗涛、王亚东、刘兴旺等, 2017, 呼图壁凝析气田构造控藏过程讨论, 地质找矿论丛, 32(3): 403-408.
杨竹转、邓志辉、刘成龙等, 2008, 2000—2006年怀来CO2变化特征分析, 西北地震学报, 30(3): 288-292.
张冠亚、周晓成、李营等, 2015, 怀安盆地北缘断裂东段土壤气体地球化学特征, 地震, 35(3): 113-122.
张磊, 2016, 汶川地震断裂带汞的地球化学特征, 国际地震动态, (2): 46-47.
张磊、高小其、包创等, 2018, 呼图壁地下储气库构造气体地球化学特征, 地震地质, 40(5): 1059-1071.
张磊、刘耀炜、包创等, 2019, 川西冕宁断层土壤气特征, 环境化学, 38(4): 777-783.
张卓然、魏斌、申宗航等, 2020, 2016年度呼图壁地下天然储气库对周缘微地震活动性的影响, 地球物理学报, 63(9): 3387-3397.
王泽根、窦可璞、杨莹辉, 2020, 呼图壁地下储气库地表形变模式与机理研究, 西南石油大学学报(自然科学版): 1-12.
赵红丽, 刘春国, 2006. 地震地下流体前兆数据库系统中的数据接收技术. 见: 第二十三届中国数据库学术会议. 广州: 中国计算机学会, 228~231.
周晓成、柴炽章、雷启云等, 2013, 银川隐伏断层带土壤气中H2的地球化学特征, 物探与化探, 37(1): 147-149.
晏锐、田雷、王广才等, 2018, 2008年汶川8.0级地震前地下流体异常回顾与统计特征分析, 地球物理学报, 61(5): 1907-1921.
Annunziatellis A, Beaubien S E, Bigi S, et al, 2008, Gas migration along fault systems and through the vadose zone in the Latera caldera(central Italy): Implications for CO2 geological storage, Int J Greenhouse Gas Control, 2(3): 353-372. DOI:10.1016/j.ijggc.2008.02.003
Burchfiel B C, Brown E T, Deng Q D, et al, 1999, Crustal shortening on the margins of the Tien Shan, Xinjiang, China, Int Geol Rev, 41(8): 665-700. DOI:10.1080/00206819909465164
Chiodini G, Caliro S, Cardellini C, et al, 2011, Geochemical evidence for and characterization of CO2 rich gas sources in the epicentral area of the Abruzzo 2009 earthquakes, Earth Planet Sci Lett, 304(3~4): 389-398. DOI:10.1016/j.epsl.2011.02.016
Ciotoli G, Lombardi S, Annunziatellis A, 2007, Geostatistical analysis of soil gas data in a high seismic intermontane basin: Fucino Plain, central Italy, J Geophys Res, 112(B5): B05407.
Gan W, Frohlich C, 2013, Gas injection may have triggered earthquakes in the Cogdell oil field, Texas, Proc Natl Acad Sci USA, 110(47): 18786-18791. DOI:10.1073/pnas.1311316110
King C Y, 1986, Gas geochemistry applied to earthquake prediction: An overview, J Geophys Res: Solid Earth, 91(B12): 12269-12281. DOI:10.1029/JB091iB12p12269
Li Y, Du J, Wang X, et al, 2013, Spatial Variations of Soil Gas Geochemistry in the Tangshan Area of Northern China, Terr Atmos Ocean Sci, 24(3): 323-332. DOI:10.3319/TAO.2012.11.26.01(TT)
Shapiro S A, Dinske C, Kummerow J, 2007, Probability of a given-magnitude earthquake induced by a fluid injection, Geophys Res Lett, 34(22): L22314. DOI:10.1029/2007GL031615
Sun X L, Yang P T, Xiang Y, et al, 2018, Across-fault distributions of radon concentrations in soil gas for different tectonic environments, Geosci J, 22(2): 227-239. DOI:10.1007/s12303-017-0028-2
Yang Y, Li Y, Guan Z J, et al, 2018, Correlations between the radon concentrations in soil gas and the activity of the Anninghe and the Zemuhe faults in Sichuan, southwestern of China, Appl Geochem, 89: 23-33. DOI:10.1016/j.apgeochem.2017.11.006
Zhang L, Liu Y W, Guo L S, et al, 2014, Isotope geochemistry of mercury and its relation to earthquake in the Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling Project Hole-1(WFSD-1), Tectonophysics, 619~620: 79-85.
Zhou X C, Du J G, Chen Z, et al, 2010, Geochemistry of soil gas in the seismic fault zone produced by the Wenchuan MS8.0 earthquake, southwestern China, Geochem Trans, 11: 5. DOI:10.1186/1467-4866-11-5
Zhou X C, Chen Z, Cui Y J, 2016, Environmental impact of CO2, Rn, Hg degassing from the rupture zones produced by Wenchuan MS8.0 earthquake in western Sichuan, China, Environ Geochem Health, 38(5): 1067-1082. DOI:10.1007/s10653-015-9773-1