呼圖壁儲氣庫土壤氣地球化學特征 及應(yīng)力狀態(tài)變化響應(yīng)

蔣雨函高小其

1）中國北京100085 應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院

2）中國北京100085 中國地震局地殼動力學重點實驗室

地震與構(gòu)造活動能夠引起地下氣體釋放。地球內(nèi)部的物理化學場變化、板塊間的相互作用均會使得地下深部氣體逸出。在地下應(yīng)力的作用下，地殼會產(chǎn)生大量裂縫，為地下氣體的釋放提供通道，尤其是在地殼薄弱帶，如斷裂帶、板塊邊界、火山等處，集中釋放地下氣體。因此，土壤中氣體的濃度可能會因為地下應(yīng)力的變化而改變。已有大量斷裂帶土壤氣測量結(jié)果驗證了土壤氣組分濃度高值點與斷裂帶位置具有一致性，同時，斷裂帶土壤氣對地殼應(yīng)力狀態(tài)以及地震活動的響應(yīng)較為靈敏，我國多年的地震監(jiān)測實踐表明，在地震前后常出現(xiàn)斷層土壤氣異常現(xiàn)象。斷裂帶土壤氣中的汞、氡、氫氣、二氧化碳等常被用來研究斷層活動性以及斷層結(jié)構(gòu)特征等。目前，斷層土壤氣與介質(zhì)中壓力的變化關(guān)系成為研究方向之一。據(jù)悉，2013 年開始建設(shè)的新疆呼圖壁地下儲氣庫，自建成以來一直按照年循環(huán)的“注入/采出”模式運行。儲氣庫的定期加壓存儲與減壓釋放氣體的變化過程，為研究應(yīng)力變化引起的土壤氣變化問題提供了天然試驗場。

對新疆呼圖壁地下儲氣庫進行地球化學野外定期流動觀測，并于2017—2019 年對研究區(qū)內(nèi)30 個測點的土壤氣進行了6 期流動測量，觀測氡、汞、氫氣和二氧化碳等土壤氣的釋放濃度，探討土壤氣各組分在儲氣庫區(qū)域不同注采氣階段的空間分布特征。同時，結(jié)合2019 年同期二等水準形變測量結(jié)果，分析在注采氣過程中，土壤氣對應(yīng)力加卸載條件下的響應(yīng)特征。

（1）在研究區(qū)所測量的4 種土壤氣組分中，氫氣與氣汞的濃度測線存在顯著升高現(xiàn)象，尤其是位于儲氣庫區(qū)域注氣階段的土壤氣濃度，二者最大值分別為725.40 ppm 和 187 ng·m-3，遠大于背景值25.17 ppm 和20 ng·m-3，且2 種氣體的變化趨勢與明顯高值的位置較為一致，而氣氡與二氧化碳的濃度相對穩(wěn)定，無較為明顯的變化。

（2）2019 年呼圖壁儲氣庫二等水準測量結(jié)果顯示，在儲氣庫注氣階段，位于研究區(qū)南部的非農(nóng)業(yè)區(qū)（不涉及農(nóng)田灌溉）存在地表隆升現(xiàn)象，尤其是在儲氣庫上部位置隆升明顯，幅度達0.95 mm，表明在注氣階段，儲氣庫內(nèi)部壓力增大，地表輕微隆升。該結(jié)果驗證了地下應(yīng)力會在注氣過程中發(fā)生改變。

（3）非儲氣庫區(qū)的土壤氣濃度及其變化趨勢均為背景值特征。隨著儲氣庫內(nèi)壓力的增加，土壤氣中的氫氣與氣汞濃度準同步升高，尤其是儲氣庫注采井周圍地區(qū)，高值特征尤為明顯，表明2 種氣體對應(yīng)力應(yīng)變的響應(yīng)較為靈敏。

（4）儲氣庫壓力變化與土壤氣濃度變化的關(guān)系，將為氣體地球化學在地震臺站布設(shè)、震情跟蹤、異常落實等方面的研究提供相關(guān)依據(jù)。