為了建立應(yīng)力變化和磁化強(qiáng)度變化之間的定量關(guān)系，前人已在實(shí)驗(yàn)室條件下使用巖石樣本開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。然而，基于實(shí)驗(yàn)室結(jié)果的壓磁特性無法完全解釋與應(yīng)力變化相關(guān)的地磁場變化的實(shí)際觀測，除非假設(shè)應(yīng)力靈敏度的大值，即應(yīng)力和磁化變化之間的比例系數(shù)。觀測和實(shí)驗(yàn)之間的差異可能意味著壓磁效應(yīng)具有尺度依賴性。如果壓磁效應(yīng)具有尺度依賴性，則應(yīng)力靈敏度的有效值不僅通過小型巖石樣本的實(shí)驗(yàn)來確定，還應(yīng)通過更大尺度的野外實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)。

中國地震局地球物理研究所王振東副研究員與日本京都大學(xué)Yamazaki教授、甘肅省地震局陳雙貴高級工程師、青海省地震局馮麗麗高級工程師對呼圖壁大型地下儲氣庫注氣過程產(chǎn)生的地磁場異常變化和壓磁場模型進(jìn)行了研究?；趦鈳熘苓吀呙芏鹊牡卮艌隹倧?qiáng)度觀測數(shù)據(jù)，精確提取了注氣過程局部地區(qū)的磁異常變化（圖1）。將儲氣庫上方注采氣井等效為多個(gè)壓力點(diǎn)源，以氣井的實(shí)際壓力變化作為約束，模擬了注采氣井壓力變化產(chǎn)生的壓磁場模型（圖2）。模型計(jì)算結(jié)果均顯示：儲氣庫中部和南部地區(qū)為正變化，而北部地區(qū)為負(fù)變化。與實(shí)際觀測結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，無論是空間分布形態(tài)還是變化幅值，模型計(jì)算的結(jié)果與觀測結(jié)果都有很好的對應(yīng)。將實(shí)際觀測結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了定性分析和定量比較（圖3），結(jié)果顯示觀測結(jié)果與預(yù)測的模型兩者之間存在正相關(guān)，表明壓磁效應(yīng)是產(chǎn)生儲氣庫周圍觀測到的局部地磁場變化的合理機(jī)制。分析了不同居里深度和不同初始磁化傾角分別對應(yīng)的壓磁場模型（圖4～7），表明不同居里深度和初始磁化傾角的差異不會明顯改變壓磁場的空間分布形態(tài)。

圖1 儲氣庫地區(qū)磁異常變化的空間分布。左圖為2017年結(jié)果，右圖為2018年結(jié)果

圖2 儲氣庫地區(qū)壓磁場模型的空間分布。H=15 km，左圖為模型1結(jié)果，右圖為模型2結(jié)果

圖3 觀測磁場變化和相同位置的壓磁場模型結(jié)果。左圖為2017年結(jié)果，右圖為2018年結(jié)果

圖4 儲氣庫地區(qū)壓磁場模型的空間分布。H=5 km，左圖為模型1結(jié)果，右圖為模型2結(jié)果

圖5 儲氣庫地區(qū)壓磁場模型的空間分布。H=30 km，左圖為模型1結(jié)果，右圖為模型2結(jié)果

圖6 儲氣庫地區(qū)壓磁場模型的空間分布。I=0°，左圖為模型1結(jié)果，右圖為模型2結(jié)果

圖7 儲氣庫地區(qū)壓磁場模型的空間分布。I=90°，左圖為模型1結(jié)果，右圖為模型2結(jié)果

通過計(jì)算不同模型參數(shù)的壓磁場，均顯示儲氣庫南部和中部地區(qū)為正變化，北部地區(qū)為負(fù)變化。壓磁場空間分布特征與實(shí)際觀測地磁場變化的一致性，表明儲氣庫注氣過程觀測的局部地磁場變化是由壓磁效應(yīng)產(chǎn)生的，對儲氣庫地區(qū)產(chǎn)生磁異常變化的機(jī)理有了清晰的認(rèn)識。

研究成果于2024年1月刊發(fā)在國際學(xué)術(shù)期刊《Geophysical Journal International》（Wang, Z., Yamazaki, K., Chen, S., Feng, L., 2024. Piezomagnetic fields generated by the gas injection process in Hutubi ultralarge underground gas storage system (China). Geophysical Journal International, 236(3): 1636-1645, https://doi.org/10.1093/gji/ggae013），受中國地震局地球物理研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（DQJB22B20）和Japan Society for the Promotion of Science KAKENHI（21K03721）項(xiàng)目共同資助。

【作者簡介】

第一/通訊作者：王振東，博士，副研究員，主要從事地震磁效應(yīng)研究。E-mail: wangzd0626@cea-igp.ac.cn