蔣雨函 高小其 張磊 許秋龍 汪成國 陳其峰 范雪芳

1)應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院，地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085

2)新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊 830011

3)山東省地震局，濟(jì)南 250014

4)山西省地震局，太原 030021

0 引言

地球內(nèi)部發(fā)生的各種物理、化學(xué)場變化以及構(gòu)造活動(dòng)等，常常會(huì)導(dǎo)致地下流體從各種通道釋放。研究表明，地下流體在地震預(yù)測與震情跟蹤中具有重要的作用(晏銳等，2018； 趙紅麗等，2006)，而地下斷層氣體能夠靈敏反映地殼應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)與構(gòu)造活動(dòng)狀態(tài)，因此常被用于判斷斷裂帶位置、進(jìn)行地震科學(xué)研究等(杜樂天，2005； 李營等，2009；Chiodini et al，2011； 張冠亞等，2015； 孫小龍等，2016、2017； 張磊等，2018)。前人對(duì)斷層氣開展了大量的研究，如利用斷層氣濃度的時(shí)空變化特征探尋斷裂帶斷層氣逸出位置與運(yùn)移路徑(Zhou et al，2010；Li et al，2013)； 根據(jù)斷層氣的測量結(jié)果揭示斷裂帶的結(jié)構(gòu)特征等(Ciotoli et al，2007；Annunziatellis et al，2008；Sun et al，2018； 張磊等，2019)。除此之外，斷裂帶是地下氣體向上逸出的主要通道，研究證明斷層氣中Rn、Hg、CO2等組分的時(shí)空特征可以靈敏地反映地震與構(gòu)造活動(dòng)(汪成民等，1991； 杜建國等，2000； 劉耀煒等，2006； 周曉成等，2013；Zhou et al，2016；Yang et al，2018)。在地震孕育或構(gòu)造活動(dòng)過程中，應(yīng)力場發(fā)生變化，從而導(dǎo)致地殼發(fā)生瞬時(shí)變化，如巖石裂隙開啟、閉合，斷層蠕動(dòng)等，壓力導(dǎo)致氣體從裂隙中逸出(杜建國等，2000； 楊竹轉(zhuǎn)等，2008；Zhou et al，2010； 劉耀煒等，2015)。

呼圖壁地下天然儲(chǔ)氣庫是中國目前存儲(chǔ)量最大的天然氣儲(chǔ)氣庫，于2013年建成并投入使用，作為西氣東輸管網(wǎng)首個(gè)大型配套系統(tǒng)，其庫區(qū)面積約為16km2，設(shè)計(jì)總庫容為 107×106m3，工作氣量為45.1×106m3(劉志成，2015； 李杰等，2016)。儲(chǔ)氣庫的氣量調(diào)節(jié)工作由注氣與采氣兩部分組成，即在夏季注氣、冬季采氣。儲(chǔ)氣庫的周期性注采氣過程，導(dǎo)致儲(chǔ)氣庫內(nèi)部產(chǎn)生巨大的壓力差，使其內(nèi)部壓力發(fā)生變化，與此同時(shí)，儲(chǔ)氣庫的上部地表蓋層發(fā)生水平、垂直變化，地表水準(zhǔn)測量觀測到的地表形變與儲(chǔ)氣庫壓力變化相關(guān)性良好，GPS觀測結(jié)果顯示，地表蓋層在儲(chǔ)氣庫注采氣過程中，水平方向上出現(xiàn)明顯的“呼吸效應(yīng)”(Shapiro et al，2007； 李杰等，2016； 王迪晉等，2016； 方偉等，2017)。此外，有研究發(fā)現(xiàn)在該儲(chǔ)氣庫開始注氣后，周圍的小震活動(dòng)有所增加(方偉等，2017)。張卓然等(2020)研究結(jié)果表明，儲(chǔ)氣庫注采氣活動(dòng)導(dǎo)致的氣壓變化會(huì)對(duì)周緣地區(qū)的地震活動(dòng)產(chǎn)生影響，當(dāng)儲(chǔ)氣庫內(nèi)部氣壓超過22MPa后，較小的氣壓波動(dòng)便會(huì)導(dǎo)致該地地震活動(dòng)性明顯增強(qiáng)，明顯影響的范圍約距儲(chǔ)氣庫中心40km內(nèi)。王成虎等(2020)也對(duì)該區(qū)注采誘發(fā)地層應(yīng)力場變化以及斷層易滑動(dòng)性對(duì)小震級(jí)地震的影響進(jìn)行了研究，得到了注采前呼圖壁儲(chǔ)氣庫工區(qū)最大水平主應(yīng)力值； 應(yīng)力結(jié)構(gòu)隨著儲(chǔ)氣庫的注采周期在走滑與逆沖間轉(zhuǎn)換，儲(chǔ)氣庫注氣也可能增加斷層滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，其滑動(dòng)趨勢數(shù)值也隨著周期性注采發(fā)生周期變化，同時(shí)確定了誘發(fā)微震發(fā)生的臨界斷層滑動(dòng)趨勢數(shù)值。由于斷層氣中Rn、Hg、H2、CO2等組分的時(shí)空特征對(duì)地殼應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)響應(yīng)靈敏，因此，通過對(duì)呼圖壁儲(chǔ)氣庫區(qū)域不同注采氣階段斷層氣地球化學(xué)時(shí)空特征進(jìn)行研究，判斷其能否對(duì)儲(chǔ)氣庫內(nèi)壓力變化產(chǎn)生響應(yīng)，有助于了解該處地下應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，為分析地震活動(dòng)性提供依據(jù)。

本文通過2017—2020年的7期流動(dòng)觀測以及2019年開始的呼圖壁儲(chǔ)氣庫的定點(diǎn)連續(xù)觀測，對(duì)比分析斷層氣中Rn、Hg、CO2、H2的濃度變化，嘗試探索氣體地球化學(xué)時(shí)空變化特征及其與地下應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和地震活動(dòng)的關(guān)系。

1 地質(zhì)概況

呼圖壁地下天然儲(chǔ)氣庫地處呼圖壁縣，隸屬于昌吉回族自治州，地理位置位于新疆維吾爾自治區(qū)中北部、準(zhǔn)噶爾盆地南緣，屬天山北麓中段(李杰等，2016； 方偉等，2017； 蔣雨函，2020)。

呼圖壁儲(chǔ)氣庫所處的天山北緣自中新生代，尤其是新生代以來，在近SN向的應(yīng)力擠壓下，由南向北發(fā)育了一系列向北逆沖的斷裂，形成了準(zhǔn)噶爾盆地南緣的三排雁列式構(gòu)造帶(圖1)(Burchfiel et al，1999； 鄧起東等，2000； 郭召杰等，2011)。呼圖壁儲(chǔ)氣庫位于天山山前坳陷第三排構(gòu)造帶東端的呼圖壁背斜上，呼圖壁背斜由侏羅紀(jì)煤系地層(約地下7～8km)中的滑脫面向上擴(kuò)展而成的斷坡頂端形成，在地表呈現(xiàn)為一輕微隆起，形成于喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)晚期、約更新世以來1Ma(仵宗濤等，2017)。該背斜長軸延伸方向?yàn)镹WW，長軸長度為40km，短軸為8km(康竹林，1997； 鄧起東等，1999； 陳立春，2012)。呼圖壁斷裂將呼圖壁背斜切割為上、下2個(gè)斷背斜，下盤發(fā)育了呼圖壁北斷裂，研究區(qū)呼圖壁地下儲(chǔ)氣庫就位于呼圖壁北斷裂與呼圖壁斷裂2個(gè)斷裂帶之間(圖2、表1)。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地南緣區(qū)域地質(zhì)圖(據(jù)田孝茹等(2017))

圖2 呼圖壁地下儲(chǔ)氣庫、斷層與斷層氣測量點(diǎn)分布示意圖(據(jù)張磊等(2018))

表1 呼圖壁斷裂要素(據(jù)曹錫秋(2013))

呼圖壁儲(chǔ)氣庫屬于枯竭型氣田，由原呼圖壁油氣田改建而成，儲(chǔ)氣庫所在區(qū)域地層發(fā)育由下至上分別為：第四系西域組(Q1x)、新近系獨(dú)山子組(N2d)、塔西河組(N1t)、沙灣組(N1s)、古近系安集海河組(E2-3a)，紫泥泉子組(E1-2z)、白堊系上統(tǒng)東溝組(K2d)(曹錫秋，2013)，其中儲(chǔ)氣庫的儲(chǔ)層為紫泥泉子組的紫2段。

研究區(qū)位于中國西北典型的大陸內(nèi)部擠壓活動(dòng)構(gòu)造區(qū)，是我國主要地震活動(dòng)帶之一，地震活動(dòng)(M≥3.0)在該活動(dòng)帶頻繁發(fā)生，如2016年12月8日新疆呼圖壁發(fā)生MS6.2 地震。

2 測量方法

2.1 觀測點(diǎn)布設(shè)

基于新疆維吾爾自治區(qū)地震局在呼圖壁地區(qū)建立的儲(chǔ)氣庫地表形變監(jiān)測網(wǎng)所布設(shè)的形變觀測墩，在研究區(qū)內(nèi)垂直于斷層分別布設(shè)了3條測線，為了綜合對(duì)比觀測，1號(hào)測線與形變觀測墩HKPS-HKPN測線一致，對(duì)其中距離較遠(yuǎn)的觀測點(diǎn)進(jìn)行了加密，另外布設(shè)了2號(hào)、3號(hào)測線以便對(duì)比分析(圖2)。此外，沿呼圖壁北斷裂在1-8測點(diǎn)兩旁分別布設(shè)了2個(gè)測點(diǎn) 1-8-1 與 1-8-2，3個(gè)測點(diǎn)組成1-8測線。其中，1-6、1-8、1-8-2、2-4、2-5和3-4測點(diǎn)位于儲(chǔ)氣庫的注采井旁，3-2測點(diǎn)位于天然氣探井旁。

2.2 連續(xù)觀測點(diǎn)布設(shè)

2.3 斷層氣流動(dòng)測量方法

3 測量結(jié)果

3.1 斷層氣流動(dòng)觀測結(jié)果

表2 2017—2020年呼圖壁地下天然氣儲(chǔ)氣庫區(qū)斷層氣中Rn、CO2、Hg和H2濃度的極值與均值(據(jù)張磊等(2018))

對(duì)于2號(hào)測線，從2017—2018年觀測結(jié)果(圖4)來看，H2和Hg的濃度測線存在儲(chǔ)氣庫區(qū)域內(nèi)濃度高、儲(chǔ)氣庫區(qū)域外濃度低的現(xiàn)象，尤其在2-4測點(diǎn)，2018年9月H2濃度測值為儲(chǔ)氣庫區(qū)域外2-3測點(diǎn)處濃度的10.8倍，Hg濃度為2-3測點(diǎn)處濃度的6.8倍。但在2019年6月、10月以及2020年9月(圖3(c))，氫氣濃度測線在2-1、2-2、2-3測點(diǎn)濃度明顯高于前期測量結(jié)果，未發(fā)現(xiàn)明顯規(guī)律，可能是由外部原因引起。Rn、CO2濃度測線保持基本穩(wěn)定，CO2在2-3、2-8測點(diǎn)處7期測量結(jié)果均存在明顯濃度高值現(xiàn)象，可能與所處位置有關(guān)。

圖4 2017—2018年呼圖壁地下天然氣儲(chǔ)氣庫地區(qū)2號(hào)測線斷層氣濃度剖面圖

沿?cái)鄬硬荚O(shè)的1-8測線上的3個(gè)測點(diǎn)均位于儲(chǔ)氣庫區(qū)域內(nèi)，7期測量結(jié)果(圖3(b))顯示，在測點(diǎn)1-8-1處，Rn、CO2、Hg以及H2氣體變化范圍基本一致，另外2個(gè)測點(diǎn)(1-8、1-8-2)Rn、CO2濃度測線變化穩(wěn)定，無明顯濃度高值位置； 與之相反，Hg與H2濃度發(fā)生明顯變化。除此之外，分布在呼圖壁斷裂附近的1-5測點(diǎn)的5種斷層氣體多期測量濃度均為背景值。在3號(hào)測線上，7期測量結(jié)果(圖3(d))均顯示3-4與3-6測點(diǎn)的4種氣體濃度均偏高，其他位置上濃度測線保持穩(wěn)定，可能與測點(diǎn)在儲(chǔ)氣庫中的位置有關(guān)。

圖3 2017—2020年呼圖壁地下天然氣儲(chǔ)氣庫地區(qū)斷層氣濃度剖面圖

3.2 斷層氣連續(xù)觀測結(jié)果

根據(jù)原始數(shù)據(jù)繪制2019年1月—2020年10月斷層氣H2與CO2濃度年變化曲線，如圖5 所示，并對(duì)2種斷層氣濃度的長期動(dòng)態(tài)變化特征進(jìn)行分析。另外，斷層氣Rn以及Hg的測量結(jié)果表明其隨時(shí)間變化的趨勢不明顯，因此判斷Rn、Hg濃度對(duì)壓力變化響應(yīng)不明顯。

圖5 2019年1月—2020年10月呼圖壁地下儲(chǔ)氣庫斷層氣H2、CO2濃度年變化曲線

3.3 呼圖壁儲(chǔ)氣庫地表形變觀測結(jié)果

基于李杰等(2016)對(duì)呼圖壁儲(chǔ)氣庫區(qū)域地表形變的研究，于2019年7月和10月對(duì)呼圖壁儲(chǔ)氣庫區(qū)域進(jìn)行了同期地表二等水準(zhǔn)測量，測點(diǎn)位置見圖6，測量結(jié)果見表3。

圖6 呼圖壁地下儲(chǔ)氣庫形變綜合觀測墩及注采井分布(據(jù)李杰等(2016))

表3 2019年呼圖壁地下天然氣儲(chǔ)氣庫區(qū)地表二等水準(zhǔn)測量高程(單位：m)

圖7 呼圖壁地下儲(chǔ)氣庫區(qū)域2019年7—10月地表垂直變化

4 討論

4.1 斷層氣觀測空間分布特征

4.1.1 H2和Hg

從呼圖壁地下儲(chǔ)氣庫區(qū)域布設(shè)的4條測線上的Rn、CO2、Hg以及H2濃度整體特征來看，斷層氣H2和Hg在2017—2020年7期測量中的濃度變化測線具有一定的空間分布特征。對(duì)比1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)測線2種氣體的濃度測線，其特征具體表現(xiàn)為：在儲(chǔ)氣庫區(qū)域內(nèi)斷層氣H2和Hg濃度高于儲(chǔ)氣庫外，尤其是位于儲(chǔ)氣庫區(qū)域內(nèi)注采井附近的測點(diǎn)，而儲(chǔ)氣庫區(qū)域外測點(diǎn)以及位于斷層附近、且周圍無注采井的1-5、1-8-1測點(diǎn)的濃度測值始終為背景值特征，證明研究區(qū)內(nèi)斷層未發(fā)生明顯的活動(dòng)。而位于同一斷層上的1-8測線上的3個(gè)測點(diǎn)斷層氣體濃度存在差異性，可能說明斷層氣H2和Hg濃度高值與注采井有關(guān)。

作為最輕的元素，氫元素具有原子半徑小、質(zhì)量輕、移速快、穿透能力強(qiáng)、粘性小等特點(diǎn)，因此與其他氣體相比，H2的遷移性和滲透能力較強(qiáng)。除此之外，H2也被認(rèn)為是反應(yīng)斷裂活動(dòng)最靈敏的組分之一，能夠快速對(duì)構(gòu)造活動(dòng)產(chǎn)生響應(yīng)(King，1986； 車用太等，2002、2015； 張磊等，2018)。范雪芳等(2016)對(duì)長期全時(shí)段斷裂帶斷層氣高精度氫觀測資料進(jìn)行評(píng)估分析，認(rèn)為H2濃度變化與地震活動(dòng)存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在震前斷層氣H2濃度突升，變化幅度極大，說明斷層氣H2的異常變化可反映地下應(yīng)力狀態(tài)的改變(張磊等，2018)。

由于斷層位置上測點(diǎn)的斷層氣H2濃度為背景值特征，而儲(chǔ)氣庫內(nèi)注采井附近的斷層氣H2濃度具有明顯高值特征，分析其原因可能是由于將大量高壓天然氣注入儲(chǔ)氣庫，使得注采井下方拉張裂隙增多(王芳，2017)，或因地下壓力變化導(dǎo)致注采井附近地下孔隙連通，使得土壤中的裂隙、孔隙中的H2和(或)天然氣中的H2向上運(yùn)移，由于H2遷移速度快，由此觀測到斷層氣中H2濃度升高(張磊等，2018)。

Hg在常溫下即可蒸發(fā)，氣態(tài)Hg具有極強(qiáng)的擴(kuò)散、穿透能力，Hg還具有很強(qiáng)的富集吸附作用，容易附著于巖石或斷層的泥中，汞蒸氣、膠體汞離子與吸附汞、汞化合物、汞的配合物是其在自然界主要存在形式(康春麗等，1999b； 杜建國，1999a)。在地下溫度或壓力發(fā)生變化時(shí)，Hg蒸氣便可沿構(gòu)造裂隙逸出至地表，形成地下流體中的汞濃度異常變化(Zhou et al，2010；Zhang et al，2014)，地震活動(dòng)區(qū)域中由于構(gòu)造活動(dòng)影響，汞含量明顯高于外部區(qū)域(張磊，2016)。

斷層氣Hg與H2濃度的空間變化特征為儲(chǔ)氣庫區(qū)域內(nèi)測點(diǎn)濃度高，尤其是注采井位置1-6、1-8、2-4、2-5測點(diǎn)處。另外，多期測量結(jié)果顯示，多條測線上Hg和H2的濃度變化趨勢與高值位置較為一致，由此分析認(rèn)為Hg和H2的變化機(jī)理可能是一致的。儲(chǔ)氣庫內(nèi)部壓力升高使得地下應(yīng)力發(fā)生變化，導(dǎo)致存在于土壤、裂隙或天然氣中的氣體沿裂隙向上運(yùn)移，從而觀測到2種氣體在注采井處濃度突然升高。因此，斷層氣Hg與H2對(duì)于儲(chǔ)氣庫內(nèi)氣壓變化的響應(yīng)是較為靈敏的，故認(rèn)為其可能是能反映呼圖壁儲(chǔ)氣庫區(qū)域壓力變化的有效測項(xiàng)氣體。

4.1.2 Rn和CO2

Rn屬于惰性元素，半衰期為3.825天。通常情況下，Rn的單質(zhì)形態(tài)是氡氣，化學(xué)性質(zhì)不活潑、不易形成化合物、不易溶于水，大部分Rn存在于土壤或巖石的裂隙中，即自由Rn，但自由Rn的遷移速率低。然而當(dāng)Rn被作為載體運(yùn)移時(shí)，可迅速從地下深處運(yùn)移至地表，載體氣體通常有CO2、CH4。斷層氣組分除了受到地下應(yīng)力應(yīng)變影響，還存在很多其他影響因素，如地質(zhì)構(gòu)造、土壤性質(zhì)、氣象因素等，呼圖壁儲(chǔ)氣庫斷層氣組分CO2、Rn并不具有在儲(chǔ)氣庫區(qū)域內(nèi)濃度升高特征，而是分別在儲(chǔ)氣庫外區(qū)域點(diǎn)位上存在濃度高值現(xiàn)象，這種與H2、Hg的差異性變化趨勢，可能與氣體產(chǎn)生的機(jī)理和響應(yīng)機(jī)制不同有關(guān)(張磊等，2018)。

綜上所述，從斷層氣地球化學(xué)空間特征角度說明，斷層氣組分H2、Hg可以在儲(chǔ)氣庫區(qū)域內(nèi)對(duì)呼圖壁儲(chǔ)氣庫注氣帶來的壓力變化產(chǎn)生響應(yīng)，但對(duì)于深入研究其與地下應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的關(guān)系，仍然存在一定的局限性。因此，在后續(xù)選擇的固定觀測點(diǎn)進(jìn)行了斷層氣連續(xù)觀測，進(jìn)一步對(duì)比分析斷層氣與儲(chǔ)氣庫內(nèi)部壓力變化的關(guān)系，探究地下應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。

4.2 斷層氣觀測時(shí)間演化特征

從斷層氣H2與CO2的長期動(dòng)態(tài)特征分析(圖5)，2種氣體均具有明顯的年變特征，周期性較好； 2種氣體的變化趨勢相反，CO2具有夏季濃度低、冬季濃度高的季節(jié)性特征，但與儲(chǔ)氣庫的注氣、采氣期無明顯的相關(guān)性，H2具有一定的周期性且與儲(chǔ)氣庫的注氣、采氣期存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。依據(jù)2016年4—9月向儲(chǔ)氣庫內(nèi)注氣使得儲(chǔ)氣庫內(nèi)氣壓不斷增加、1—3月以及10—12月從儲(chǔ)氣庫采氣導(dǎo)致儲(chǔ)氣庫內(nèi)氣壓不斷下降(張卓然等，2020)的儲(chǔ)氣庫壓力變化規(guī)律，推斷出2019—2020年儲(chǔ)氣庫注氣、采氣階段與前期時(shí)間節(jié)點(diǎn)接近，從而推斷斷層氣H2與儲(chǔ)氣庫壓力變化存在明顯的正相關(guān)響應(yīng)關(guān)系，CO2與之相關(guān)性不顯著。

從2019年同期測量的地表形變數(shù)據(jù)結(jié)果(圖7)判斷，7—10月呼圖壁儲(chǔ)氣庫區(qū)域地表整體呈現(xiàn)沉降趨勢，尤其是北部及西北部農(nóng)田區(qū)域，僅研究區(qū)南部工業(yè)區(qū)內(nèi)的2個(gè)測點(diǎn)呈現(xiàn)出小幅度抬升趨勢。王澤根等(2020)基于SBAS-InSAR技術(shù)，對(duì)2017年3月—2019年5月呼圖壁儲(chǔ)氣庫的地表形變時(shí)空特征分布及其影響因素進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示每年4—10月的注氣階段，儲(chǔ)氣庫地表抬升10～30mm； 但遇夏季降水量不能滿足當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)農(nóng)田灌溉需求時(shí)，采取抽取地下水措施，導(dǎo)致注氣階段儲(chǔ)氣庫區(qū)域(特別是接近農(nóng)田灌溉井的區(qū)域)地表抬升量明顯減??； 每年11月至次年3月采氣階段，地表沉降5～10mm。儲(chǔ)氣庫注氣階段地表抬升，采氣階段地表沉降，儲(chǔ)氣庫區(qū)域地表形變受注氣、采氣與地下水抽取2個(gè)因素共同影響，在注氣階段會(huì)因夏季地下水抽取使地表抬升量下降，而地下水抽取則受降水量影響。

圖8 2019年新疆呼圖壁區(qū)域月降水量

4.3 地震活動(dòng)

通過小震活動(dòng)及其分布可以了解該區(qū)域的構(gòu)造活動(dòng)特征，為判斷斷層氣體異常是否與斷層活動(dòng)有關(guān)提供相關(guān)依據(jù)(張磊等，2018)。因此，本文選取了儲(chǔ)氣庫周圍50km范圍內(nèi)的地震目錄(圖9)。2017年1月1日—2020年12月31日該區(qū)發(fā)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，最大地震為2020年6月22日呼圖壁ML4.0地震(圖10(a))，該地震距離儲(chǔ)氣庫中心位置49km。2017年1月—2018年9月，地震活動(dòng)相對(duì)較弱，月頻度為15次； 2018年10月后，區(qū)域地震活動(dòng)較前期略有增強(qiáng)，月頻度達(dá)到34次，而2020年6月以來增強(qiáng)最為顯著，2020年6月月頻度達(dá)到101次。地震活動(dòng)顯示，每年發(fā)生震級(jí)相對(duì)較高的地震的月份為5—7月(圖10(a))，每年地震月頻次相對(duì)較高的月份集中在6—10月(圖10(b))，均處于儲(chǔ)氣庫注氣增壓階段，與前期張磊等(2018)的結(jié)論相符，因此兩者間存在一定的吻合性。另外，本研究中2019年6月、10月以及2020年9月3期土壤氣流動(dòng)測量時(shí)間相較于以往的測量時(shí)間，則處于地震頻次與地震震級(jí)相對(duì)較高時(shí)期，其每條測線上H2、Hg濃度的平均數(shù)值也略微高于前期數(shù)據(jù)，證明儲(chǔ)氣庫區(qū)域斷層氣濃度變化與地下應(yīng)力應(yīng)變以及地震活動(dòng)存在一定的關(guān)系，同時(shí)驗(yàn)證了斷層氣H2、Hg對(duì)比另外2種氣體組分響應(yīng)更為靈敏。

圖9 2017—2020年呼圖壁地下儲(chǔ)氣庫地震分布

圖10 呼圖壁地下儲(chǔ)氣庫2017—2020年地震活動(dòng)時(shí)間序列

Gan等(2013)研究發(fā)現(xiàn)，在油田注入天然氣和CO2可能會(huì)導(dǎo)致地震發(fā)生，震級(jí)可能達(dá)到3級(jí)及以上，而震中通常在距注采井2km內(nèi)。反觀呼圖壁地下儲(chǔ)氣庫周圍2km范圍內(nèi)地震震級(jí)與地震頻次始終較低，說明長期以來該區(qū)域斷層活動(dòng)狀態(tài)弱。該結(jié)論與前文觀測到的斷層處或儲(chǔ)氣庫區(qū)域外、且無注采井分布的測點(diǎn)斷層氣濃度始終為背景值，從未發(fā)生較大變化，從而反映出斷層活動(dòng)性較弱的結(jié)果較為一致。探究其原因可能是氣體以孔隙喉道和早期活動(dòng)斷裂孔隙為通道，持續(xù)穩(wěn)定向地表運(yùn)移(田孝茹等，2017)，從而顯示出背景值特征(張磊等，2018)。由于斷層活動(dòng)性弱，但地震活動(dòng)隨著儲(chǔ)氣庫進(jìn)入注氣期而增加，說明儲(chǔ)氣庫內(nèi)氣壓變化可能導(dǎo)致地震活動(dòng)性增加。

張卓然等(2020)對(duì)呼圖壁儲(chǔ)氣庫活動(dòng)與地震活動(dòng)之間的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)在儲(chǔ)氣庫進(jìn)入注氣期的同時(shí)，氣壓總量明顯升高且地震也進(jìn)入頻發(fā)狀態(tài)(圖11)，當(dāng)儲(chǔ)氣庫中總氣壓量高于一定閾值(約22MPa)時(shí)，地震活動(dòng)性顯著增強(qiáng)，其在空間位置上的影響范圍推測在40km以內(nèi)，且對(duì)東南側(cè)范圍影響較為明顯。對(duì)于發(fā)生在距離儲(chǔ)氣庫中心點(diǎn)約49km的2020年6月22日呼圖壁ML4.0地震，其是否由儲(chǔ)氣庫注采氣活動(dòng)觸發(fā)，值得進(jìn)一步探討，但不排除其影響范圍隨著儲(chǔ)氣庫建立時(shí)間發(fā)生變化(張卓然等，2020)，其中2019—2020年該地區(qū)地震活動(dòng)逐年增強(qiáng)，可能與儲(chǔ)氣庫2019年開始實(shí)施的調(diào)整擴(kuò)能工程有關(guān)。

圖11 儲(chǔ)氣庫活動(dòng)與地震活動(dòng)的時(shí)間關(guān)系(據(jù)張卓然等(2020))

5 結(jié)論

(1)在儲(chǔ)氣庫區(qū)域內(nèi)觀測到Hg和H2濃度明顯高值現(xiàn)象。在儲(chǔ)氣庫加壓存儲(chǔ)過程中，在儲(chǔ)氣庫區(qū)域內(nèi)注采井附近范圍斷層氣Hg和H2濃度發(fā)生較大幅度的變化，但是在儲(chǔ)氣庫區(qū)域外以及斷層位置處，未觀測到明顯的斷層氣濃度異常變化現(xiàn)象，可能該區(qū)域的斷層活動(dòng)性較弱，同時(shí)斷層氣H2、Hg可作為研究斷層氣對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng)變化的重要手段。

(2)在儲(chǔ)氣庫區(qū)域內(nèi)定點(diǎn)連續(xù)觀測中，斷層氣H2具有較為明顯的與儲(chǔ)氣庫壓力變化響應(yīng)關(guān)系，即應(yīng)力增大導(dǎo)致部分?jǐn)鄬託釮2濃度顯著增大，當(dāng)應(yīng)力不再增加時(shí)，斷層氣H2濃度緩慢恢復(fù)至背景值附近。斷層氣H2對(duì)儲(chǔ)氣庫內(nèi)壓力變化的靈敏響應(yīng)，或許可以用于判斷儲(chǔ)氣庫區(qū)域地下應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，監(jiān)測其實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。

(3)儲(chǔ)氣庫的注氣加壓過程導(dǎo)致儲(chǔ)氣庫內(nèi)部壓力發(fā)生變化，從而使儲(chǔ)氣庫區(qū)域地震活動(dòng)頻發(fā)。

本研究對(duì)認(rèn)識(shí)不同壓力狀態(tài)下斷層氣的變化特征，指導(dǎo)地震臺(tái)站布設(shè)、震情跟蹤以及異常落實(shí)等方面具有一定意義。

致謝：防災(zāi)科技學(xué)院李靜講師、云南地震局李慶高級(jí)工程師、山西地震局郭寶仁工程師、山東省地震局顏丙囤工程師等先后參加了呼圖壁儲(chǔ)氣庫斷層氣流動(dòng)觀測； 本研究得到了新疆地震局朱成英高級(jí)工程師、方偉高級(jí)工程師、聶曉紅高級(jí)工程師、李新勇工程師和李娜工程師等人的幫助，在此一并致謝。

劉耀煒，任宏微，張磊，等，2015. 魯?shù)?.5級(jí)地震地下流體典型異常與前兆機(jī)理分析. 地震地質(zhì)，37(1):307～318.

孫小龍，邵志剛，司學(xué)蕓，等，2017. 斷層帶土壤氫氣濃度測量及其影響因素. 大地測量與地球動(dòng)力學(xué)，37(4):436～440.

王成虎，高桂云，賈晉，等，2020. H儲(chǔ)氣庫注采誘發(fā)應(yīng)力場及斷層滑動(dòng)趨勢變化. 天然氣工業(yè)，40(10):76～85.