新疆呼圖壁地下儲氣庫斷層氣體地球化學特征研究

蔣雨函 高小其 張磊 許秋龍 汪成國 陳其峰 范雪芳

1)應急管理部國家自然災害防治研究院，地殼動力學重點實驗室，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，濟南 250014

4)山西省地震局，太原 030021

0 引言

地球內部發(fā)生的各種物理、化學場變化以及構造活動等，常常會導致地下流體從各種通道釋放。研究表明，地下流體在地震預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力、應變狀態(tài)與構造活動狀態(tài)，因此常被用于判斷斷裂帶位置、進行地震科學研究等(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)。前人對斷層氣開展了大量的研究，如利用斷層氣濃度的時空變化特征探尋斷裂帶斷層氣逸出位置與運移路徑(Zhou et al，2010；Li et al，2013)； 根據斷層氣的測量結果揭示斷裂帶的結構特征等(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等組分的時空特征可以靈敏地反映地震與構造活動(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)。在地震孕育或構造活動過程中，應力場發(fā)生變化，從而導致地殼發(fā)生瞬時變化，如巖石裂隙開啟、閉合，斷層蠕動等，壓力導致氣體從裂隙中逸出(杜建國等，2000； 楊竹轉等，2008；Zhou et al，2010； 劉耀煒等，2015)。

呼圖壁地下天然儲氣庫是中國目前存儲量最大的天然氣儲氣庫，于2013年建成并投入使用，作為西氣東輸管網首個大型配套系統(tǒng)，其庫區(qū)面積約為16km2，設計總庫容為 107×106m3，工作氣量為45.1×106m3(劉志成，2015； 李杰等，2016)。儲氣庫的氣量調節(jié)工作由注氣與采氣兩部分組成，即在夏季注氣、冬季采氣。儲氣庫的周期性注采氣過程，導致儲氣庫內部產生巨大的壓力差，使其內部壓力發(fā)生變化，與此同時，儲氣庫的上部地表蓋層發(fā)生水平、垂直變化，地表水準測量觀測到的地表形變與儲氣庫壓力變化相關性良好，GPS觀測結果顯示，地表蓋層在儲氣庫注采氣過程中，水平方向上出現(xiàn)明顯的“呼吸效應”(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)在該儲氣庫開始注氣后，周圍的小震活動有所增加(方偉等，2017)。張卓然等(2020)研究結果表明，儲氣庫注采氣活動導致的氣壓變化會對周緣地區(qū)的地震活動產生影響，當儲氣庫內部氣壓超過22MPa后，較小的氣壓波動便會導致該地地震活動性明顯增強，明顯影響的范圍約距儲氣庫中心40km內。王成虎等(2020)也對該區(qū)注采誘發(fā)地層應力場變化以及斷層易滑動性對小震級地震的影響進行了研究，得到了注采前呼圖壁儲氣庫工區(qū)最大水平主應力值； 應力結構隨著儲氣庫的注采周期在走滑與逆沖間轉換，儲氣庫注氣也可能增加斷層滑動風險，其滑動趨勢數值也隨著周期性注采發(fā)生周期變化，同時確定了誘發(fā)微震發(fā)生的臨界斷層滑動趨勢數值。由于斷層氣中Rn、Hg、H2、CO2等組分的時空特征對地殼應力、應變狀態(tài)響應靈敏，因此，通過對呼圖壁儲氣庫區(qū)域不同注采氣階段斷層氣地球化學時空特征進行研究，判斷其能否對儲氣庫內壓力變化產生響應，有助于了解該處地下應力應變狀態(tài)，為分析地震活動性提供依據。

本文通過2017—2020年的7期流動觀測以及2019年開始的呼圖壁儲氣庫的定點連續(xù)觀測，對比分析斷層氣中Rn、Hg、CO2、H2的濃度變化，嘗試探索氣體地球化學時空變化特征及其與地下應力應變狀態(tài)和地震活動的關系。

1 地質概況

呼圖壁地下天然儲氣庫地處呼圖壁縣，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，形成了準噶爾盆地南緣的三排雁列式構造帶(圖1)(Burchfiel et al，1999； 鄧起東等，2000； 郭召杰等，2011)。呼圖壁儲氣庫位于天山山前坳陷第三排構造帶東端的呼圖壁背斜上，呼圖壁背斜由侏羅紀煤系地層(約地下7～8km)中的滑脫面向上擴展而成的斷坡頂端形成，在地表呈現(xiàn)為一輕微隆起，形成于喜馬拉雅運動晚期、約更新世以來1Ma(仵宗濤等，2017)。該背斜長軸延伸方向為NWW，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)呼圖壁地下儲氣庫就位于呼圖壁北斷裂與呼圖壁斷裂2個斷裂帶之間(圖2、表1)。

圖1 準噶爾盆地南緣區(qū)域地質圖(據田孝茹等(2017))

圖2 呼圖壁地下儲氣庫、斷層與斷層氣測量點分布示意圖(據張磊等(2018))

表1 呼圖壁斷裂要素(據曹錫秋(2013))

呼圖壁儲氣庫屬于枯竭型氣田，由原呼圖壁油氣田改建而成，儲氣庫所在區(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)，其中儲氣庫的儲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部擠壓活動構造區(qū)，是我國主要地震活動帶之一，地震活動(M≥3.0)在該活動帶頻繁發(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 觀測點布設

基于新疆維吾爾自治區(qū)地震局在呼圖壁地區(qū)建立的儲氣庫地表形變監(jiān)測網所布設的形變觀測墩，在研究區(qū)內垂直于斷層分別布設了3條測線，為了綜合對比觀測，1號測線與形變觀測墩HKPS-HKPN測線一致，對其中距離較遠的觀測點進行了加密，另外布設了2號、3號測線以便對比分析(圖2)。此外，沿呼圖壁北斷裂在1-8測點兩旁分別布設了2個測點 1-8-1 與 1-8-2，3個測點組成1-8測線。其中，1-6、1-8、1-8-2、2-4、2-5和3-4測點位于儲氣庫的注采井旁，3-2測點位于天然氣探井旁。

2.2 連續(xù)觀測點布設

2.3 斷層氣流動測量方法

3 測量結果

3.1 斷層氣流動觀測結果

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

對于2號測線，從2017—2018年觀測結果(圖4)來看，H2和Hg的濃度測線存在儲氣庫區(qū)域內濃度高、儲氣庫區(qū)域外濃度低的現(xiàn)象，尤其在2-4測點，2018年9月H2濃度測值為儲氣庫區(qū)域外2-3測點處濃度的10.8倍，Hg濃度為2-3測點處濃度的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測點濃度明顯高于前期測量結果，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測點處7期測量結果均存在明顯濃度高值現(xiàn)象，可能與所處位置有關。

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

沿斷層布設的1-8測線上的3個測點均位于儲氣庫區(qū)域內，7期測量結果(圖3(b))顯示，在測點1-8-1處，Rn、CO2、Hg以及H2氣體變化范圍基本一致，另外2個測點(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測點的5種斷層氣體多期測量濃度均為背景值。在3號測線上，7期測量結果(圖3(d))均顯示3-4與3-6測點的4種氣體濃度均偏高，其他位置上濃度測線保持穩(wěn)定，可能與測點在儲氣庫中的位置有關。

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

3.2 斷層氣連續(xù)觀測結果

根據原始數據繪制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2種斷層氣濃度的長期動態(tài)變化特征進行分析。另外，斷層氣Rn以及Hg的測量結果表明其隨時間變化的趨勢不明顯，因此判斷Rn、Hg濃度對壓力變化響應不明顯。

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

3.3 呼圖壁儲氣庫地表形變觀測結果

基于李杰等(2016)對呼圖壁儲氣庫區(qū)域地表形變的研究，于2019年7月和10月對呼圖壁儲氣庫區(qū)域進行了同期地表二等水準測量，測點位置見圖6，測量結果見表3。

圖6 呼圖壁地下儲氣庫形變綜合觀測墩及注采井分布(據李杰等(2016))

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

圖7 呼圖壁地下儲氣庫區(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

從呼圖壁地下儲氣庫區(qū)域布設的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。對比1號、2號、3號測線2種氣體的濃度測線，其特征具體表現(xiàn)為：在儲氣庫區(qū)域內斷層氣H2和Hg濃度高于儲氣庫外，尤其是位于儲氣庫區(qū)域內注采井附近的測點，而儲氣庫區(qū)域外測點以及位于斷層附近、且周圍無注采井的1-5、1-8-1測點的濃度測值始終為背景值特征，證明研究區(qū)內斷層未發(fā)生明顯的活動。而位于同一斷層上的1-8測線上的3個測點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。

作為最輕的元素，氫元素具有原子半徑小、質量輕、移速快、穿透能力強、粘性小等特點，因此與其他氣體相比，H2的遷移性和滲透能力較強。除此之外，H2也被認為是反應斷裂活動最靈敏的組分之一，能夠快速對構造活動產生響應(King，1986； 車用太等，2002、2015； 張磊等，2018)。范雪芳等(2016)對長期全時段斷裂帶斷層氣高精度氫觀測資料進行評估分析，認為H2濃度變化與地震活動存在一定的對應關系，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力狀態(tài)的改變(張磊等，2018)。

由于斷層位置上測點的斷層氣H2濃度為背景值特征，而儲氣庫內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具有極強的擴散、穿透能力，Hg還具有很強的富集吸附作用，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，Hg蒸氣便可沿構造裂隙逸出至地表，形成地下流體中的汞濃度異常變化(Zhou et al，2010；Zhang et al，2014)，地震活動區(qū)域中由于構造活動影響，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氣庫區(qū)域內測點濃度高，尤其是注采井位置1-6、1-8、2-4、2-5測點處。另外，多期測量結果顯示，多條測線上Hg和H2的濃度變化趨勢與高值位置較為一致，由此分析認為Hg和H2的變化機理可能是一致的。儲氣庫內部壓力升高使得地下應力發(fā)生變化，導致存在于土壤、裂隙或天然氣中的氣體沿裂隙向上運移，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對于儲氣庫內氣壓變化的響應是較為靈敏的，故認為其可能是能反映呼圖壁儲氣庫區(qū)域壓力變化的有效測項氣體。

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的單質形態(tài)是氡氣，化學性質不活潑、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Rn被作為載體運移時，可迅速從地下深處運移至地表，載體氣體通常有CO2、CH4。斷層氣組分除了受到地下應力應變影響，還存在很多其他影響因素，如地質構造、土壤性質、氣象因素等，呼圖壁儲氣庫斷層氣組分CO2、Rn并不具有在儲氣庫區(qū)域內濃度升高特征，而是分別在儲氣庫外區(qū)域點位上存在濃度高值現(xiàn)象，這種與H2、Hg的差異性變化趨勢，可能與氣體產生的機理和響應機制不同有關(張磊等，2018)。

綜上所述，從斷層氣地球化學空間特征角度說明，斷層氣組分H2、Hg可以在儲氣庫區(qū)域內對呼圖壁儲氣庫注氣帶來的壓力變化產生響應，但對于深入研究其與地下應力應變狀態(tài)的關系，仍然存在一定的局限性。因此，在后續(xù)選擇的固定觀測點進行了斷層氣連續(xù)觀測，進一步對比分析斷層氣與儲氣庫內部壓力變化的關系，探究地下應力應變狀態(tài)。

4.2 斷層氣觀測時間演化特征

從斷層氣H2與CO2的長期動態(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，但與儲氣庫的注氣、采氣期無明顯的相關性，H2具有一定的周期性且與儲氣庫的注氣、采氣期存在對應關系。依據2016年4—9月向儲氣庫內注氣使得儲氣庫內氣壓不斷增加、1—3月以及10—12月從儲氣庫采氣導致儲氣庫內氣壓不斷下降(張卓然等，2020)的儲氣庫壓力變化規(guī)律，推斷出2019—2020年儲氣庫注氣、采氣階段與前期時間節(jié)點接近，從而推斷斷層氣H2與儲氣庫壓力變化存在明顯的正相關響應關系，CO2與之相關性不顯著。

從2019年同期測量的地表形變數據結果(圖7)判斷，7—10月呼圖壁儲氣庫區(qū)域地表整體呈現(xiàn)沉降趨勢，尤其是北部及西北部農田區(qū)域，僅研究區(qū)南部工業(yè)區(qū)內的2個測點呈現(xiàn)出小幅度抬升趨勢。王澤根等(2020)基于SBAS-InSAR技術，對2017年3月—2019年5月呼圖壁儲氣庫的地表形變時空特征分布及其影響因素進行了研究，結果顯示每年4—10月的注氣階段，儲氣庫地表抬升10～30mm； 但遇夏季降水量不能滿足當地農業(yè)農田灌溉需求時，采取抽取地下水措施，導致注氣階段儲氣庫區(qū)域(特別是接近農田灌溉井的區(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。儲氣庫注氣階段地表抬升，采氣階段地表沉降，儲氣庫區(qū)域地表形變受注氣、采氣與地下水抽取2個因素共同影響，在注氣階段會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

通過小震活動及其分布可以了解該區(qū)域的構造活動特征，為判斷斷層氣體異常是否與斷層活動有關提供相關依據(張磊等，2018)。因此，本文選取了儲氣庫周圍50km范圍內的地震目錄(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))，該地震距離儲氣庫中心位置49km。2017年1月—2018年9月，地震活動相對較弱，月頻度為15次； 2018年10月后，區(qū)域地震活動較前期略有增強，月頻度達到34次，而2020年6月以來增強最為顯著，2020年6月月頻度達到101次。地震活動顯示，每年發(fā)生震級相對較高的地震的月份為5—7月(圖10(a))，每年地震月頻次相對較高的月份集中在6—10月(圖10(b))，均處于儲氣庫注氣增壓階段，與前期張磊等(2018)的結論相符，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期土壤氣流動測量時間相較于以往的測量時間，則處于地震頻次與地震震級相對較高時期，其每條測線上H2、Hg濃度的平均數值也略微高于前期數據，證明儲氣庫區(qū)域斷層氣濃度變化與地下應力應變以及地震活動存在一定的關系，同時驗證了斷層氣H2、Hg對比另外2種氣體組分響應更為靈敏。

圖9 2017—2020年呼圖壁地下儲氣庫地震分布

圖10 呼圖壁地下儲氣庫2017—2020年地震活動時間序列

Gan等(2013)研究發(fā)現(xiàn)，在油田注入天然氣和CO2可能會導致地震發(fā)生，震級可能達到3級及以上，而震中通常在距注采井2km內。反觀呼圖壁地下儲氣庫周圍2km范圍內地震震級與地震頻次始終較低，說明長期以來該區(qū)域斷層活動狀態(tài)弱。該結論與前文觀測到的斷層處或儲氣庫區(qū)域外、且無注采井分布的測點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性較弱的結果較為一致。探究其原因可能是氣體以孔隙喉道和早期活動斷裂孔隙為通道，持續(xù)穩(wěn)定向地表運移(田孝茹等，2017)，從而顯示出背景值特征(張磊等，2018)。由于斷層活動性弱，但地震活動隨著儲氣庫進入注氣期而增加，說明儲氣庫內氣壓變化可能導致地震活動性增加。

張卓然等(2020)對呼圖壁儲氣庫活動與地震活動之間的關系進行了詳細研究，發(fā)現(xiàn)在儲氣庫進入注氣期的同時，氣壓總量明顯升高且地震也進入頻發(fā)狀態(tài)(圖11)，當儲氣庫中總氣壓量高于一定閾值(約22MPa)時，地震活動性顯著增強，其在空間位置上的影響范圍推測在40km以內，且對東南側范圍影響較為明顯。對于發(fā)生在距離儲氣庫中心點約49km的2020年6月22日呼圖壁ML4.0地震，其是否由儲氣庫注采氣活動觸發(fā)，值得進一步探討，但不排除其影響范圍隨著儲氣庫建立時間發(fā)生變化(張卓然等，2020)，其中2019—2020年該地區(qū)地震活動逐年增強，可能與儲氣庫2019年開始實施的調整擴能工程有關。

圖11 儲氣庫活動與地震活動的時間關系(據張卓然等(2020))

5 結論

(1)在儲氣庫區(qū)域內觀測到Hg和H2濃度明顯高值現(xiàn)象。在儲氣庫加壓存儲過程中，在儲氣庫區(qū)域內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)域的斷層活動性較弱，同時斷層氣H2、Hg可作為研究斷層氣對應力、應變響應變化的重要手段。

(2)在儲氣庫區(qū)域內定點連續(xù)觀測中，斷層氣H2具有較為明顯的與儲氣庫壓力變化響應關系，即應力增大導致部分斷層氣H2濃度顯著增大，當應力不再增加時，斷層氣H2濃度緩慢恢復至背景值附近。斷層氣H2對儲氣庫內壓力變化的靈敏響應，或許可以用于判斷儲氣庫區(qū)域地下應力、應變狀態(tài)，監(jiān)測其實時動態(tài)。

(3)儲氣庫的注氣加壓過程導致儲氣庫內部壓力發(fā)生變化，從而使儲氣庫區(qū)域地震活動頻發(fā)。

本研究對認識不同壓力狀態(tài)下斷層氣的變化特征，指導地震臺站布設、震情跟蹤以及異常落實等方面具有一定意義。

致謝：防災科技學院李靜講師、云南地震局李慶高級工程師、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氣庫斷層氣流動觀測； 本研究得到了新疆地震局朱成英高級工程師、方偉高級工程師、聶曉紅高級工程師、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. 魯甸6.5級地震地下流體典型異常與前兆機理分析. 地震地質，37(1):307～318.

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

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