自貢地區(qū)工礦注采與地震相關(guān)性研究

蔣 斌，陳文康，宋俊，陳 祥

(1.自貢市防震減災(zāi)局，四川 自貢 643000；2.自貢市萬橋鹽礦公司，四川 自貢 643000)

自貢地區(qū)工礦注采與地震相關(guān)性研究

蔣 斌1，陳文康1，宋俊2，陳 祥2

(1.自貢市防震減災(zāi)局，四川 自貢 643000；2.自貢市萬橋鹽礦公司，四川 自貢 643000)

四川自貢地區(qū)是中強(qiáng)震易發(fā)區(qū)域，地震主要分布在區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造高點(diǎn)，而這些地方又多是巖鹽、天然氣等資源的開采區(qū)。依據(jù)研究區(qū)豐富的地質(zhì)及鉆測(cè)井資料和地震監(jiān)測(cè)、工礦注采數(shù)據(jù)，進(jìn)行分區(qū)對(duì)比研究：Ⅰ區(qū)為自流井背斜鹽礦采鹽注水區(qū)，注水井深度約1 200 m，較小的地震活動(dòng)與鹽礦加壓注水有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而較大的地震活動(dòng)與注水壓力和注水量關(guān)聯(lián)性不高，部分顯著地震發(fā)生前，鹽礦溶腔會(huì)出現(xiàn)突發(fā)漏失現(xiàn)象，這類信息為地震短臨預(yù)報(bào)提供了較好的依據(jù)。Ⅱ區(qū)為黃家場(chǎng)背斜天然氣廢水回注區(qū)，注水井深約2 700 m，從開始注水到溶腔飽和，注水區(qū)域無地震活動(dòng)，加壓注水后，地震大幅增多。對(duì)比兩個(gè)研究區(qū)，廢水回注區(qū)比鹽礦注水區(qū)深度相差1 500 m，廢水回注區(qū)斷裂發(fā)育，在相同井口壓力下，注水增加壓力高出約12 MPa，更易誘發(fā)地震活動(dòng)。

誘發(fā)地震；井口壓力；注水壓力；注水量漏失；自貢

自貢地處四川盆地東邊界華鎣山斷裂帶中南段，是全國著名的城市直下型中強(qiáng)地震多發(fā)區(qū)，地震活動(dòng)具有震源淺、烈度高、災(zāi)害重、損失大、地震重復(fù)概率較高的特點(diǎn)；又因地下蘊(yùn)藏鹽礦、天然氣、煤等多種資源，鹽礦和天然氣開采已有1000多年歷史，工礦注采與地震的相互關(guān)系一直以來都引起地震部門的高度重視。

在一些前人研究注水與地震相關(guān)性的文獻(xiàn)中，主要是把注水井井口壓力變化作為注水壓力來開展分析的，忽略了靜水柱壓力(即從井口到注水目的層位水柱壓力)，如注水井深度為1千米，海水的密度按1.03×103kg/m3(因注水為高礦化度廢水，在此以海水密度近似計(jì)算)，重力加速度g取10 m/s2，對(duì)應(yīng)靜水柱壓力P=10.3 MPa ;事實(shí)上，注水壓力=注水井井口壓力+靜水柱壓力，因此在研究深井注水壓力時(shí)，井的深度不能被忽略，更不能把注水井口壓力等同于實(shí)際注水壓力來分析研究井下注水目的層位。

本文在綜合利用石油地質(zhì)部門地質(zhì)、物探和鉆測(cè)井資料，結(jié)合自貢地區(qū)地震活動(dòng)性、顯著地震事件特征，對(duì)自貢地區(qū)工礦企業(yè)注采進(jìn)行了分區(qū)對(duì)比研究，探究自貢地區(qū)工礦注采與地震相關(guān)性，以期為地區(qū)地震分析工作和工礦注采礦山安全治理提供參考。

1 區(qū)域地震地質(zhì)特征

1.1 大地構(gòu)造背景

自貢地區(qū)(104°～105.3°E， 28.8°～29.7°N)位于四川盆地南部川中隆起帶，大地構(gòu)造位置處于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)四川臺(tái)坳內(nèi)，石油部門早期探井自深1井鉆至震旦系上統(tǒng)地層，井深5 535.5 m，揭示出自貢地區(qū)結(jié)晶基底深度約在5～6 km，巖石地層柱狀簡(jiǎn)圖部分如圖1所示[1](據(jù)四川省聚酯工程廠址地震安評(píng)報(bào)告改繪)，轄區(qū)內(nèi)中生代地層自流井凹陷在印支運(yùn)動(dòng)后沉積了巨厚的侏羅系、白堊系地層，石油物探部門人工地震資料及自貢地區(qū)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查等文獻(xiàn)顯示凹陷內(nèi)的褶皺多為北東向短軸穹窿或鼻狀背斜，其背斜軸部附近常發(fā)育一些同生的小斷裂[1，2]。距離自貢最近的深大斷裂華鎣山斷裂帶中段部分通過自貢市富順縣，該斷裂帶是四川盆地內(nèi)的一條有分劃意義的構(gòu)造帶，東南側(cè)為川東南坳褶帶，西北側(cè)為川中隆起帶。該構(gòu)造帶是自貢地區(qū)沉積主要物源區(qū)[3](圖2)。

圖1 自貢地區(qū)巖石柱狀簡(jiǎn)圖

1.2 自貢地區(qū)地質(zhì)及礦產(chǎn)資源開采慨況

LRF.：龍日壩斷裂；MJF.：岷江斷裂；HYF.：虎牙斷裂；MWF.：茂汶-汶川斷裂；BYF.：北川-映秀斷裂；PGF.：彭灌斷裂；PXF.：蒲江-新津斷裂；LQF.：龍泉山斷裂；HYSF.：華鎣山斷裂.；DLF.：大涼山斷裂

區(qū)域背斜構(gòu)造分布自西北向東南方向依次有威遠(yuǎn)背斜、自流井背斜、興隆場(chǎng)背斜、鄧井關(guān)背斜、青山嶺背斜和螺觀山背斜。因二疊系、三疊系巖層主要是海相、海陸交替沉積環(huán)境，上覆侏羅系巖層屬陸相沉積環(huán)境，具有良好的生儲(chǔ)蓋組合；鹽礦、天然氣資源主要儲(chǔ)藏于該區(qū)背斜構(gòu)造區(qū)域內(nèi)。開采情況：(1)鹽鹵開采方面：自流井構(gòu)造開始采鹵制鹽距今已有1700年。分為鹵水開采和固體鹽礦開采，其中自貢地區(qū)鹵水開采主要集中于自流井、鄧井關(guān)、興隆場(chǎng)等三個(gè)背斜構(gòu)造區(qū)域；固體鹽礦開采為長(zhǎng)山鹽體、郭家坳鹽體、大墳包鹽體、大山鋪鹽體[1]，1990年代后，由于資源開采耗竭，鹵水開采和部分固體鹽礦開采已停產(chǎn)，當(dāng)前僅有長(zhǎng)山鹽礦和萬家橋鹽礦正在開采。(2)天然氣的分布及開采方面：自貢地區(qū)地下天然氣主要儲(chǔ)集于背斜構(gòu)造圈閉中，分為工業(yè)氣藏和淺層低壓氣藏兩種類型。其中工業(yè)氣藏產(chǎn)氣層位主要為三疊系嘉陵江組和二疊系下統(tǒng)陽新灰?guī)r地層中，由川慶鉆探公司(原四川石油管理局)勘探開發(fā)。淺層低壓氣藏主要是由自貢市鹽業(yè)部門氣鹵同采或就地開采利用。

1.3 2000年以來區(qū)域地震活動(dòng)情況

自2000年以來至2015年4月30日，自貢地區(qū)(104°～105.3°E， 28.8°～29.7°N)共發(fā)生ML≥1.0級(jí)地震3 744次，其中ML：1.0～1.9級(jí)3 118次；2.0～2.9級(jí)地震541次；3.0～3.9級(jí)地震72次， 4.0～4.9級(jí)地震12次，5.0～5.9級(jí)地震1次。最大地震是2012年11月11日發(fā)生在內(nèi)江市隆昌縣的ML5.0級(jí)地震。自貢及鄰區(qū)ML1.0級(jí)以上地震活動(dòng)主要分布在地處自貢北東自流井背斜構(gòu)造的大山鋪附近、內(nèi)江市隆昌縣圣燈山背斜構(gòu)造區(qū)域(蜀南氣礦隆昌作業(yè)區(qū))、內(nèi)江市隆昌縣與自貢市大安區(qū)交界的黃家場(chǎng)背斜構(gòu)造區(qū)域(蜀南氣礦自貢作業(yè)區(qū))。

自1896年到現(xiàn)在的一百多年時(shí)間里,自貢及其邊界地區(qū)共發(fā)生中強(qiáng)破壞性地震10次，其中M：5.0～5.8級(jí)地震5次，平均10余年就有1次破壞性地震發(fā)生，這10個(gè)中強(qiáng)破壞性地震中有7個(gè)位于自流井背斜構(gòu)造區(qū)域及附近。最大地震是1896年發(fā)生在自貢沿灘區(qū)的5.8級(jí)地震，震中烈度達(dá)到Ⅶ度強(qiáng)。最近1次中強(qiáng)震為2008年10月10日M4.1級(jí)地震，地點(diǎn)位于團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)、大山鋪鎮(zhèn)一帶。

2 自貢地區(qū)工業(yè)注采與地震相關(guān)性分區(qū)分析

本文將按照前述注水井注水壓力的計(jì)算方法，根據(jù)自貢地區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地震活動(dòng)情況、顯著地震事件和工業(yè)注采特征，將自貢地區(qū)進(jìn)行分區(qū)研究(如圖3)：Ⅰ區(qū)為自流井背斜構(gòu)造區(qū)域(鹽礦加壓注水采鹽)，Ⅱ區(qū)為自貢市大安區(qū)牛佛鎮(zhèn)與內(nèi)江隆昌黃家場(chǎng)交界區(qū)域(天然氣廢水回注)。

2.1 Ⅰ區(qū)自流井背斜構(gòu)造區(qū)域

自貢大山鋪萬家橋巖鹽礦區(qū)位于自流井構(gòu)造背斜東端南冀，礦區(qū)地表出露侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2xs)地層。鉆井揭露地腹地層自上而下為三疊系須家河組(T3Xj1-6)，雷口坡組(T2l1-3)及嘉陵江組(T1j5-T1j4-3)地層，未鉆遇斷層，萬家橋巖鹽礦體埋深在1 241.12～1 335.20 m，鹽巖體為三疊系嘉陵江組4段，開采工藝為水溶水舉法。

鹽礦所處自流井背斜構(gòu)造區(qū)域，一直以來都是自貢地區(qū)中強(qiáng)震的主要發(fā)震構(gòu)造區(qū)域，據(jù)鉆井、物探資料，自流井背斜構(gòu)造地下隱伏斷層主要發(fā)育在中生代二疊系和三疊系巖層中，又稱為長(zhǎng)巖斷裂，長(zhǎng)約10 km，沿近背斜軸向呈雁行排列，圖4為自貢自流井背斜構(gòu)造大山鋪一帶三疊系地下隱伏斷裂分布情況，實(shí)線為鉆井巖芯證實(shí)，虛線為人工地震勘探。1990年代后期，大山鋪鹽體鹽鹵開采結(jié)束，久大鹽業(yè)公司長(zhǎng)山鹽礦在自貢北東大山鋪長(zhǎng)巖斷裂附近進(jìn)行廢水回注，于2009年前后停止在該區(qū)域內(nèi)注水，因缺斷層附近廢水回注數(shù)據(jù)，本文僅通過對(duì)萬橋鹽礦2013年以來注采數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，結(jié)合地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制萬橋鹽礦注水量、輸鹵量、注水前排管壓力與地震M-T關(guān)系圖(圖5)。小震活動(dòng)與采鹽加壓注水存在一定對(duì)應(yīng)關(guān)系；2013年12月23日自貢北東大山鋪一帶ML3.1級(jí)震群發(fā)生后，井下注水漏失量大增，注水壓力出現(xiàn)突降，注水井井口壓力呈現(xiàn)起伏變化，鹽礦為保壓，注水量在1月19日至20日期間達(dá)到了5 000 m3/天，約為平均注水量的5倍。2014年以來，自貢鴻鶴化工等企業(yè)不景氣，化工生產(chǎn)近停止?fàn)顟B(tài)，對(duì)鹽鹵的需求量非常低，大山鋪萬橋鹽礦公司進(jìn)行保壓注水以維持溶腔壓力，2014年7月11日M3.6級(jí)地震發(fā)生之前，鹽礦注水前排管壓力在2014年7月7日，突然下降，出現(xiàn)注水大量漏失現(xiàn)象，2014年7月9日，鹽礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡視，7月11日發(fā)生地震，注水前排管壓力持續(xù)下降，到7月29日下降至0，注入地下水全部漏失，期間鹽礦注水管線并無穿孔或損害；鹽礦注入地下水維持地層壓力，大量漏失是由2014年7月11日M3.6級(jí)地震引起的形成地下裂縫。鹽礦于7月29日采取注水后，壓力逐漸恢復(fù)正常。分析認(rèn)為，M3.6級(jí)地震發(fā)生前，地下巖層受應(yīng)力作用發(fā)生初級(jí)破裂，引起注水量的漏失異常，這類異?？赡芘c構(gòu)造區(qū)域內(nèi)一些較大地震的發(fā)生存在相互關(guān)系，可為地震短臨預(yù)報(bào)提供信息。為繼續(xù)加強(qiáng)跟蹤研究，自貢市防震減災(zāi)局與萬橋鹽礦相關(guān)工作人員進(jìn)行了深入交流，并達(dá)成一致意見，簽訂了協(xié)作協(xié)議，新增萬家橋鹽礦為地震群測(cè)網(wǎng)點(diǎn)，加強(qiáng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)與地震信息的交流。

圖3 2000年至2015.04.30日自貢地區(qū)地震分布及研究區(qū)

圖4 自流井構(gòu)造東南翼三疊系地下斷裂構(gòu)造

圖5 萬橋鹽礦2013.8-2015.5.30注水壓力、注水量與地震M-T關(guān)系圖

圖6 家33井廢水回注與地震關(guān)系圖(2007～2010)

2.2 Ⅱ區(qū)自貢大安與內(nèi)江隆昌交界地區(qū)

自貢大安與內(nèi)江隆昌交界地區(qū)在2009年1月至2010年9月期間，突發(fā)震群活動(dòng)，共記錄到地震8 593次，最大地震是2009年2月16日ML4.4級(jí)地震，次大地震是2009年5月22日ML4.2級(jí)地震。數(shù)字地震學(xué)方面的相關(guān)研究表明：家33井所在的區(qū)域絕大多數(shù)地震深度集中分布在2～6 km，小震震源深度較淺；深度h≤3 km的地震占地震總數(shù)的73.1%[3]，地震記錄情況見圖6。而該區(qū)域歷史上并無顯著中強(qiáng)震活動(dòng)，小震活動(dòng)也很少，1993年至2008年5月期間，牛佛鎮(zhèn)半徑15 km范圍內(nèi)共發(fā)生地震68次，最大地震為2.8級(jí)。面對(duì)突發(fā)的震群活動(dòng)，四川省地震局和自貢市防震減災(zāi)局在原有固定臺(tái)站的基礎(chǔ)上新建了5個(gè)流動(dòng)臺(tái)站進(jìn)行地震加密觀測(cè)。黃家場(chǎng)背斜構(gòu)造帶內(nèi)有一口天然氣廢棄井家33井，為蜀南氣礦自貢作業(yè)區(qū)天然氣生產(chǎn)井采氣伴生工業(yè)廢水回注井，井深約2 500 m，井底產(chǎn)氣層位為二疊系茅口組巖層，地表巖層被NW走向的牛佛渡逆沖型斷層斜切，地下產(chǎn)氣巖層斷裂發(fā)育。筆者通過對(duì)前人收集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，結(jié)合油氣田高注水井下壓力計(jì)算相關(guān)理論和地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，繪制了氣礦廢水回注注水量、注水壓力與地震活動(dòng)性圖(圖6)，自2006年以來，蜀南氣礦已開始將自貢作業(yè)區(qū)與隆昌作業(yè)區(qū)其他天然氣生產(chǎn)井開采中的伴生廢水回注于家33井中，2006年至2009年1月12日期間，因廢棄天然氣井溶腔未飽和，注水井井口增加壓力為0(處于非加壓注水狀態(tài))，隨著高礦化度的廢水不斷注入，地下溶腔逐漸飽和，為使高礦化度廢水繼續(xù)注入，氣礦于2009年1月13日開始持續(xù)加壓注水，注水井井口增加壓力最高達(dá)到近6 MPa。又因該井井深約2 500 m，采用海水密度計(jì)算靜水柱壓力近似為25.75 MPa。注水井底壓力最高約為31.75 MPa，在加壓注水過程中，區(qū)域突發(fā)震群活動(dòng)。相比鹽礦加壓注水區(qū)域地震活動(dòng)性而言，地震頻次高，強(qiáng)度大。2009年2月16日，區(qū)域內(nèi)發(fā)生最大ML4.4級(jí)地震，該地震發(fā)生前的2月11日至2月16日期間，注水井井口增加壓力從2.7 MPa突然降至1.38 MPa，注水量維持在約400 m3/天，反映出該地震在發(fā)生前，地下巖層有初級(jí)破裂現(xiàn)象的發(fā)生，導(dǎo)致溶腔出現(xiàn)了快速漏失現(xiàn)象。

自貢市防震減災(zāi)局通過與氣礦進(jìn)行溝通交流，要求企業(yè)采取分散減壓或轉(zhuǎn)移注水，企業(yè)在采取上述措施后，2010年10月至今，該區(qū)域地震活動(dòng)頻次驟減、強(qiáng)度降低，恢復(fù)到少震、零星小震的水平。

3 認(rèn)識(shí)與討論

在上述分區(qū)研究中，自流井背斜構(gòu)造一帶小震活動(dòng)與鹽礦加壓注水有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然而突發(fā)震群和較大地震活動(dòng)前，注水壓力和注水量并不高，分析認(rèn)為自流井背斜構(gòu)造一帶中強(qiáng)震活動(dòng)主要與區(qū)域所處特定的地震地質(zhì)背景密切相關(guān)，由巖石地層受構(gòu)造應(yīng)力積累所致；部分突發(fā)震群和顯著地震發(fā)生前后，引起注水量的漏失。考慮到鹽礦注采中的生產(chǎn)異常情況，可能與構(gòu)造區(qū)域內(nèi)一些較大地震的發(fā)生存在相互關(guān)系，可以為地震短臨預(yù)報(bào)提供信息，自貢市防震減災(zāi)局與萬橋鹽礦公司建立了協(xié)作機(jī)制，進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，為地震分析預(yù)報(bào)和鹽礦礦山安全生產(chǎn)提供參考。

鹽礦加壓注水，采鹽井口增加壓力在3～4個(gè)MPa時(shí)并沒有引起區(qū)域內(nèi)中小地震密集活動(dòng)，而天然氣廢水回注家33井附近區(qū)域，卻在注水井井口增加壓力加壓注水至3 MPa時(shí)，出現(xiàn)突發(fā)密集震群活動(dòng)，甚至誘發(fā)ML4.4級(jí)地震；主要因素：一是地質(zhì)構(gòu)造條件方面，家33井為天然氣采空井，注水所處巖層斷裂發(fā)育，而萬橋鹽礦注水井所在區(qū)域，據(jù)鉆井資料顯示，未鉆遇斷層，而且注水目的僅為注水溶鹽；二是因?yàn)槎呔畈灰粯?，?3井井深超過萬橋鹽礦注水井井深約1 200 m，注水壓力中靜水柱壓力部分高出約12 MPa。因此，對(duì)深井加壓注水要開展區(qū)域?qū)Ρ?，首先要考慮注水目的層所在區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造特征，其次必須采用注水壓力進(jìn)行計(jì)算研究，而不能僅通過注水井井口增加壓力變化進(jìn)行不同區(qū)域、不同井況的對(duì)比分析。

自貢地區(qū)早期采用無壓注水溶鹽方法采鹽，注水不易向地下深處滲透，誘發(fā)中強(qiáng)構(gòu)造地震的可能性較小，近年來，隨著工藝的改進(jìn)，若采取高壓注水方法采鹽、斷裂帶高壓廢水回注則可能導(dǎo)致局部斷裂構(gòu)造易于活動(dòng)，從而誘發(fā)一些構(gòu)造地震，同時(shí)應(yīng)注意隨著采空區(qū)的擴(kuò)展對(duì)頂板巖層穩(wěn)定的影響；因此建議生產(chǎn)單位加強(qiáng)與地震部門協(xié)作，共享數(shù)據(jù)，合理調(diào)整注水井的注水壓力。

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Possible connection between water injection in salt mine and seismic events in Zigong region

Jiang Bin1，Chen Wenkang1，Song Jun2，Chen Xiang2

(1.Earthquake Prevention and Disaster Reduction Administration of Zigong City,Sichuan Zigong 643000;2.Wanqiao Salt Mine Company of Zigong City, Sichuan Zigong 643000, China)

Zigong City is an area of medium-strong earthquakes in Sichuan Province. Most of earthquakes occurred around the high points of the geological structure. At the same time Zigong is rich of salt mines and natural gas. Based on the observatory data of the geological drilling, water and gas wastewater injection and seismic monitoring, we divide the research areas into two kinds of areas. The area one is the region of injection with water and the area two is the region of injection with natural gas wastewater. We compare earthquakes occurred in two areas. The area one is an anticline region in geological condition where water injection is often carried out. The depth of water injection is about 1 200 meters. Small magnitude earthquake activities are well relative to the water injection but the large magnitude earthquakes are not. So we think that some of character earthquakes may result from the liquid leaking in a salt cavity. The area two is also located in an anticline region around where there are many geological faults. The wells in these areas are injected with natural gas wastewater. The depth of the most of injection wells is about 2 700 meters. It is 1 500 meters deeper than that of the well injected with water. From the beginning to the ending of injection with natural gas wastewater, there are not earthquakes. But after more natural gas wastewater are injected into well with high pressure of 12 MPa, the number of earthquakes increases quickly.

induced earthquake; well pressure; injection pressure; water leaking; Zigong City

2015-07-13

蔣斌(1982-)，男，四川省南充市人，主要從事石油地質(zhì)、地震地質(zhì)和地震監(jiān)測(cè)分析研究.E-mail：since1969@qq.com

P315.33

A

1001-8115(2015)04-0001-06

10.13716/j.cnki.1001-8115.2015.04.001