地震孕育過(guò)程中應(yīng)力變化可能會(huì)引起磁化率的變化，進(jìn)而導(dǎo)致局部地區(qū)磁場(chǎng)的變化。超大型地下儲(chǔ)氣庫(kù)注采作業(yè)產(chǎn)生的壓差將改變儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)部及附近斷層的介質(zhì)性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)，為研究局部磁場(chǎng)變化隨地下應(yīng)力狀態(tài)的變化提供了理想的野外實(shí)驗(yàn)環(huán)境。本文以注采氣過(guò)程的壓力變化作為“源模擬”，以地磁場(chǎng)總強(qiáng)度觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)作為“場(chǎng)描述”，通過(guò)地磁場(chǎng)的變化研究了“場(chǎng)-源變化”的特征，為地震磁異常產(chǎn)生的機(jī)制提供了可靠的參考模型。

本文利用超大型地下儲(chǔ)氣庫(kù)注采氣過(guò)程中帶來(lái)的巨大壓力變化來(lái)近似天然地震的孕育過(guò)程，開(kāi)展了如下研究：

1. 分析了烏魯木齊WMQ地磁臺(tái)站的變化規(guī)律，為地磁觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的日變化改正和長(zhǎng)期變化改正結(jié)果提供了判斷依據(jù)；

2. 利用泰勒多項(xiàng)式擬合方法，建立了儲(chǔ)氣庫(kù)及周邊地區(qū)的地磁場(chǎng)4階泰勒多項(xiàng)式模型，作為該地區(qū)的正常場(chǎng)；

3. 基于4階泰勒多項(xiàng)式模型，采用曲面樣條函數(shù)方法，建立了儲(chǔ)氣庫(kù)地區(qū)的巖石圈磁場(chǎng)模型；

4. 獲取了儲(chǔ)氣庫(kù)注氣過(guò)程中的巖石圈磁場(chǎng)變化，分析了局部磁異常與氣井壓力變化的關(guān)系；

5. 計(jì)算了局部巖石圈磁場(chǎng)的相對(duì)變化，研究了注氣過(guò)程中局部磁異常的空間分布與儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)構(gòu)造的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

左圖為2018年7-10月注氣過(guò)程中的巖石圈磁場(chǎng)變化，右圖為相對(duì)變化

研究發(fā)現(xiàn)，基于4階泰勒多項(xiàng)式模型得到的儲(chǔ)氣庫(kù)地區(qū)的局部磁異常更加準(zhǔn)確；巖石圈磁場(chǎng)總強(qiáng)度的變化與注氣過(guò)程的壓力變化在時(shí)間進(jìn)程上互為反向變化，其空間特征并非受到儲(chǔ)氣庫(kù)地表構(gòu)造線(xiàn)的嚴(yán)格控制。

本研究的創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.中尺度地震模擬與地磁場(chǎng)耦合的研究方法

基于壓磁原理，以超大型地下儲(chǔ)氣庫(kù)為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，開(kāi)展壓力加卸載情況下引起磁場(chǎng)變化的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)可能引起地震的多種因素進(jìn)行觀(guān)測(cè)和模擬，探索引起地震前兆磁信息的機(jī)理。

2.小區(qū)域地磁場(chǎng)建模及磁異常識(shí)別方法

基于儲(chǔ)氣庫(kù)及周邊區(qū)域高密度的地磁總強(qiáng)度實(shí)測(cè)資料，使用泰勒多項(xiàng)式擬合和曲面樣條函數(shù)方法，獲取了儲(chǔ)氣庫(kù)地區(qū)的磁異常及其變化。

3.局部巖石圈磁場(chǎng)變化的中尺度磁學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)儲(chǔ)氣庫(kù)注采氣壓力變化達(dá)14MPa時(shí)，所伴生的局部巖石圈磁場(chǎng)總強(qiáng)度相對(duì)變化極限為4.3%，上述物理現(xiàn)象與巖石磁學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果高度吻合。

本文研究和主要成果為中國(guó)大陸地區(qū)的地震地磁異常分析起到了基礎(chǔ)支撐的作用：1. 為地震地磁異常的產(chǎn)生機(jī)制和識(shí)別判定提供了可靠的參考模型；2. 對(duì)流動(dòng)地磁目前已有的成功預(yù)報(bào)案例提供了中尺度的物理實(shí)驗(yàn)證據(jù)；3. 對(duì)流動(dòng)地震地磁監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)發(fā)揮了理論指導(dǎo)作用。

研究成果2022年發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《Geomagn. Aeron.》(Wang, Z., Wang, C., & Dong, C. (2021). Analysis of Changes in Magnetic Anomalies in the Largest Underground Gas Storage Area in China. Geomagnetism and Aeronomy, 61(8), 1251-1262.)。研究受研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(DQJB16B04)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2018YFC1503305)項(xiàng)目共同資助。

【作者簡(jiǎn)介】

王振東，博士畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，2015年7月起在中國(guó)地震局地球物理研究所工作，主要從事地震磁效應(yīng)、區(qū)域地磁場(chǎng)建模、地磁異常正反演、巖石圈磁場(chǎng)的時(shí)空變化及其與地震活動(dòng)的關(guān)系研究。