呼图壁储气库土壤气地球化学特征 及应力状态变化响应

蒋雨函高小其

1）中国北京100085 应急管理部国家自然灾害防治研究院

2）中国北京100085 中国地震局地壳动力学重点实验室

地震与构造活动能够引起地下气体释放。地球内部的物理化学场变化、板块间的相互作用均会使得地下深部气体逸出。在地下应力的作用下，地壳会产生大量裂缝，为地下气体的释放提供通道，尤其是在地壳薄弱带，如断裂带、板块边界、火山等处，集中释放地下气体。因此，土壤中气体的浓度可能会因为地下应力的变化而改变。已有大量断裂带土壤气测量结果验证了土壤气组分浓度高值点与断裂带位置具有一致性，同时，断裂带土壤气对地壳应力状态以及地震活动的响应较为灵敏，我国多年的地震监测实践表明，在地震前后常出现断层土壤气异常现象。断裂带土壤气中的汞、氡、氢气、二氧化碳等常被用来研究断层活动性以及断层结构特征等。目前，断层土壤气与介质中压力的变化关系成为研究方向之一。据悉，2013 年开始建设的新疆呼图壁地下储气库，自建成以来一直按照年循环的“注入/采出”模式运行。储气库的定期加压存储与减压释放气体的变化过程，为研究应力变化引起的土壤气变化问题提供了天然试验场。

对新疆呼图壁地下储气库进行地球化学野外定期流动观测，并于2017—2019 年对研究区内30 个测点的土壤气进行了6 期流动测量，观测氡、汞、氢气和二氧化碳等土壤气的释放浓度，探讨土壤气各组分在储气库区域不同注采气阶段的空间分布特征。同时，结合2019 年同期二等水准形变测量结果，分析在注采气过程中，土壤气对应力加卸载条件下的响应特征。

（1）在研究区所测量的4 种土壤气组分中，氢气与气汞的浓度测线存在显著升高现象，尤其是位于储气库区域注气阶段的土壤气浓度，二者最大值分别为725.40 ppm 和 187 ng·m-3，远大于背景值25.17 ppm 和20 ng·m-3，且2 种气体的变化趋势与明显高值的位置较为一致，而气氡与二氧化碳的浓度相对稳定，无较为明显的变化。

（2）2019 年呼图壁储气库二等水准测量结果显示，在储气库注气阶段，位于研究区南部的非农业区（不涉及农田灌溉）存在地表隆升现象，尤其是在储气库上部位置隆升明显，幅度达0.95 mm，表明在注气阶段，储气库内部压力增大，地表轻微隆升。该结果验证了地下应力会在注气过程中发生改变。

（3）非储气库区的土壤气浓度及其变化趋势均为背景值特征。随着储气库内压力的增加，土壤气中的氢气与气汞浓度准同步升高，尤其是储气库注采井周围地区，高值特征尤为明显，表明2 种气体对应力应变的响应较为灵敏。

（4）储气库压力变化与土壤气浓度变化的关系，将为气体地球化学在地震台站布设、震情跟踪、异常落实等方面的研究提供相关依据。