自貢地區工礦注采與地震相關性研究

蔣 斌，陳文康，宋俊，陳 祥

(1.自貢市防震減災局，四川 自貢 643000；2.自貢市萬橋鹽礦公司，四川 自貢 643000)

自貢地區工礦注采與地震相關性研究

蔣 斌1，陳文康1，宋俊2，陳 祥2

(1.自貢市防震減災局，四川 自貢 643000；2.自貢市萬橋鹽礦公司，四川 自貢 643000)

四川自貢地區是中強震易發區域，地震主要分布在區域內地質構造高點，而這些地方又多是巖鹽、天然氣等資源的開采區。依據研究區豐富的地質及鉆測井資料和地震監測、工礦注采數據，進行分區對比研究：Ⅰ區為自流井背斜鹽礦采鹽注水區，注水井深度約1 200 m，較小的地震活動與鹽礦加壓注水有較好的對應關系，而較大的地震活動與注水壓力和注水量關聯性不高，部分顯著地震發生前，鹽礦溶腔會出現突發漏失現象，這類信息為地震短臨預報提供了較好的依據。Ⅱ區為黃家場背斜天然氣廢水回注區，注水井深約2 700 m，從開始注水到溶腔飽和，注水區域無地震活動，加壓注水后，地震大幅增多。對比兩個研究區，廢水回注區比鹽礦注水區深度相差1 500 m，廢水回注區斷裂發育，在相同井口壓力下，注水增加壓力高出約12 MPa，更易誘發地震活動。

誘發地震；井口壓力；注水壓力；注水量漏失；自貢

自貢地處四川盆地東邊界華鎣山斷裂帶中南段，是全國著名的城市直下型中強地震多發區，地震活動具有震源淺、烈度高、災害重、損失大、地震重復概率較高的特點；又因地下蘊藏鹽礦、天然氣、煤等多種資源，鹽礦和天然氣開采已有1000多年歷史，工礦注采與地震的相互關系一直以來都引起地震部門的高度重視。

在一些前人研究注水與地震相關性的文獻中，主要是把注水井井口壓力變化作為注水壓力來開展分析的，忽略了靜水柱壓力(即從井口到注水目的層位水柱壓力)，如注水井深度為1千米，海水的密度按1.03×103kg/m3(因注水為高礦化度廢水，在此以海水密度近似計算)，重力加速度g取10 m/s2，對應靜水柱壓力P=10.3 MPa ;事實上，注水壓力=注水井井口壓力+靜水柱壓力，因此在研究深井注水壓力時，井的深度不能被忽略，更不能把注水井口壓力等同于實際注水壓力來分析研究井下注水目的層位。

本文在綜合利用石油地質部門地質、物探和鉆測井資料，結合自貢地區地震活動性、顯著地震事件特征，對自貢地區工礦企業注采進行了分區對比研究，探究自貢地區工礦注采與地震相關性，以期為地區地震分析工作和工礦注采礦山安全治理提供參考。

1 區域地震地質特征

1.1 大地構造背景

自貢地區(104°～105.3°E， 28.8°～29.7°N)位于四川盆地南部川中隆起帶，大地構造位置處于揚子準地臺四川臺坳內，石油部門早期探井自深1井鉆至震旦系上統地層，井深5 535.5 m，揭示出自貢地區結晶基底深度約在5～6 km，巖石地層柱狀簡圖部分如圖1所示[1](據四川省聚酯工程廠址地震安評報告改繪)，轄區內中生代地層自流井凹陷在印支運動后沉積了巨厚的侏羅系、白堊系地層，石油物探部門人工地震資料及自貢地區區域地質調查等文獻顯示凹陷內的褶皺多為北東向短軸穹窿或鼻狀背斜，其背斜軸部附近常發育一些同生的小斷裂[1，2]。距離自貢最近的深大斷裂華鎣山斷裂帶中段部分通過自貢市富順縣，該斷裂帶是四川盆地內的一條有分劃意義的構造帶，東南側為川東南坳褶帶，西北側為川中隆起帶。該構造帶是自貢地區沉積主要物源區[3](圖2)。

圖1 自貢地區巖石柱狀簡圖

1.2 自貢地區地質及礦產資源開采慨況

LRF.：龍日壩斷裂；MJF.：岷江斷裂；HYF.：虎牙斷裂；MWF.：茂汶-汶川斷裂；BYF.：北川-映秀斷裂；PGF.：彭灌斷裂；PXF.：蒲江-新津斷裂；LQF.：龍泉山斷裂；HYSF.：華鎣山斷裂.；DLF.：大涼山斷裂

區域背斜構造分布自西北向東南方向依次有威遠背斜、自流井背斜、興隆場背斜、鄧井關背斜、青山嶺背斜和螺觀山背斜。因二疊系、三疊系巖層主要是海相、海陸交替沉積環境，上覆侏羅系巖層屬陸相沉積環境，具有良好的生儲蓋組合；鹽礦、天然氣資源主要儲藏于該區背斜構造區域內。開采情況：(1)鹽鹵開采方面：自流井構造開始采鹵制鹽距今已有1700年。分為鹵水開采和固體鹽礦開采，其中自貢地區鹵水開采主要集中于自流井、鄧井關、興隆場等三個背斜構造區域；固體鹽礦開采為長山鹽體、郭家坳鹽體、大墳包鹽體、大山鋪鹽體[1]，1990年代后，由于資源開采耗竭，鹵水開采和部分固體鹽礦開采已停產，當前僅有長山鹽礦和萬家橋鹽礦正在開采。(2)天然氣的分布及開采方面：自貢地區地下天然氣主要儲集于背斜構造圈閉中，分為工業氣藏和淺層低壓氣藏兩種類型。其中工業氣藏產氣層位主要為三疊系嘉陵江組和二疊系下統陽新灰巖地層中，由川慶鉆探公司(原四川石油管理局)勘探開發。淺層低壓氣藏主要是由自貢市鹽業部門氣鹵同采或就地開采利用。

1.3 2000年以來區域地震活動情況

自2000年以來至2015年4月30日，自貢地區(104°～105.3°E， 28.8°～29.7°N)共發生ML≥1.0級地震3 744次，其中ML：1.0～1.9級3 118次；2.0～2.9級地震541次；3.0～3.9級地震72次， 4.0～4.9級地震12次，5.0～5.9級地震1次。最大地震是2012年11月11日發生在內江市隆昌縣的ML5.0級地震。自貢及鄰區ML1.0級以上地震活動主要分布在地處自貢北東自流井背斜構造的大山鋪附近、內江市隆昌縣圣燈山背斜構造區域(蜀南氣礦隆昌作業區)、內江市隆昌縣與自貢市大安區交界的黃家場背斜構造區域(蜀南氣礦自貢作業區)。

自1896年到現在的一百多年時間里,自貢及其邊界地區共發生中強破壞性地震10次，其中M：5.0～5.8級地震5次，平均10余年就有1次破壞性地震發生，這10個中強破壞性地震中有7個位于自流井背斜構造區域及附近。最大地震是1896年發生在自貢沿灘區的5.8級地震，震中烈度達到Ⅶ度強。最近1次中強震為2008年10月10日M4.1級地震，地點位于團結鎮、大山鋪鎮一帶。

2 自貢地區工業注采與地震相關性分區分析

本文將按照前述注水井注水壓力的計算方法，根據自貢地區區域地質構造、地震活動情況、顯著地震事件和工業注采特征，將自貢地區進行分區研究(如圖3)：Ⅰ區為自流井背斜構造區域(鹽礦加壓注水采鹽)，Ⅱ區為自貢市大安區牛佛鎮與內江隆昌黃家場交界區域(天然氣廢水回注)。

2.1 Ⅰ區自流井背斜構造區域

自貢大山鋪萬家橋巖鹽礦區位于自流井構造背斜東端南冀，礦區地表出露侏羅系中統沙溪廟組(J2xs)地層。鉆井揭露地腹地層自上而下為三疊系須家河組(T3Xj1-6)，雷口坡組(T2l1-3)及嘉陵江組(T1j5-T1j4-3)地層，未鉆遇斷層，萬家橋巖鹽礦體埋深在1 241.12～1 335.20 m，鹽巖體為三疊系嘉陵江組4段，開采工藝為水溶水舉法。

鹽礦所處自流井背斜構造區域，一直以來都是自貢地區中強震的主要發震構造區域，據鉆井、物探資料，自流井背斜構造地下隱伏斷層主要發育在中生代二疊系和三疊系巖層中，又稱為長巖斷裂，長約10 km，沿近背斜軸向呈雁行排列，圖4為自貢自流井背斜構造大山鋪一帶三疊系地下隱伏斷裂分布情況，實線為鉆井巖芯證實，虛線為人工地震勘探。1990年代后期，大山鋪鹽體鹽鹵開采結束，久大鹽業公司長山鹽礦在自貢北東大山鋪長巖斷裂附近進行廢水回注，于2009年前后停止在該區域內注水，因缺斷層附近廢水回注數據，本文僅通過對萬橋鹽礦2013年以來注采數據進行分析處理，結合地震監測數據，繪制萬橋鹽礦注水量、輸鹵量、注水前排管壓力與地震M-T關系圖(圖5)。小震活動與采鹽加壓注水存在一定對應關系；2013年12月23日自貢北東大山鋪一帶ML3.1級震群發生后，井下注水漏失量大增，注水壓力出現突降，注水井井口壓力呈現起伏變化，鹽礦為保壓，注水量在1月19日至20日期間達到了5 000 m3/天，約為平均注水量的5倍。2014年以來，自貢鴻鶴化工等企業不景氣，化工生產近停止狀態，對鹽鹵的需求量非常低，大山鋪萬橋鹽礦公司進行保壓注水以維持溶腔壓力，2014年7月11日M3.6級地震發生之前，鹽礦注水前排管壓力在2014年7月7日，突然下降，出現注水大量漏失現象，2014年7月9日，鹽礦進行現場巡視，7月11日發生地震，注水前排管壓力持續下降，到7月29日下降至0，注入地下水全部漏失，期間鹽礦注水管線并無穿孔或損害；鹽礦注入地下水維持地層壓力，大量漏失是由2014年7月11日M3.6級地震引起的形成地下裂縫。鹽礦于7月29日采取注水后，壓力逐漸恢復正常。分析認為，M3.6級地震發生前，地下巖層受應力作用發生初級破裂，引起注水量的漏失異常，這類異常可能與構造區域內一些較大地震的發生存在相互關系，可為地震短臨預報提供信息。為繼續加強跟蹤研究，自貢市防震減災局與萬橋鹽礦相關工作人員進行了深入交流，并達成一致意見，簽訂了協作協議，新增萬家橋鹽礦為地震群測網點，加強生產數據與地震信息的交流。

圖3 2000年至2015.04.30日自貢地區地震分布及研究區

圖4 自流井構造東南翼三疊系地下斷裂構造

圖5 萬橋鹽礦2013.8-2015.5.30注水壓力、注水量與地震M-T關系圖

圖6 家33井廢水回注與地震關系圖(2007～2010)

2.2 Ⅱ區自貢大安與內江隆昌交界地區

自貢大安與內江隆昌交界地區在2009年1月至2010年9月期間，突發震群活動，共記錄到地震8 593次，最大地震是2009年2月16日ML4.4級地震，次大地震是2009年5月22日ML4.2級地震。數字地震學方面的相關研究表明：家33井所在的區域絕大多數地震深度集中分布在2～6 km，小震震源深度較淺；深度h≤3 km的地震占地震總數的73.1%[3]，地震記錄情況見圖6。而該區域歷史上并無顯著中強震活動，小震活動也很少，1993年至2008年5月期間，牛佛鎮半徑15 km范圍內共發生地震68次，最大地震為2.8級。面對突發的震群活動，四川省地震局和自貢市防震減災局在原有固定臺站的基礎上新建了5個流動臺站進行地震加密觀測。黃家場背斜構造帶內有一口天然氣廢棄井家33井，為蜀南氣礦自貢作業區天然氣生產井采氣伴生工業廢水回注井，井深約2 500 m，井底產氣層位為二疊系茅口組巖層，地表巖層被NW走向的牛佛渡逆沖型斷層斜切，地下產氣巖層斷裂發育。筆者通過對前人收集到的生產數據進行分析整理，結合油氣田高注水井下壓力計算相關理論和地震監測數據分析，繪制了氣礦廢水回注注水量、注水壓力與地震活動性圖(圖6)，自2006年以來，蜀南氣礦已開始將自貢作業區與隆昌作業區其他天然氣生產井開采中的伴生廢水回注于家33井中，2006年至2009年1月12日期間，因廢棄天然氣井溶腔未飽和，注水井井口增加壓力為0(處于非加壓注水狀態)，隨著高礦化度的廢水不斷注入，地下溶腔逐漸飽和，為使高礦化度廢水繼續注入，氣礦于2009年1月13日開始持續加壓注水，注水井井口增加壓力最高達到近6 MPa。又因該井井深約2 500 m，采用海水密度計算靜水柱壓力近似為25.75 MPa。注水井底壓力最高約為31.75 MPa，在加壓注水過程中，區域突發震群活動。相比鹽礦加壓注水區域地震活動性而言，地震頻次高，強度大。2009年2月16日，區域內發生最大ML4.4級地震，該地震發生前的2月11日至2月16日期間，注水井井口增加壓力從2.7 MPa突然降至1.38 MPa，注水量維持在約400 m3/天，反映出該地震在發生前，地下巖層有初級破裂現象的發生，導致溶腔出現了快速漏失現象。

自貢市防震減災局通過與氣礦進行溝通交流，要求企業采取分散減壓或轉移注水，企業在采取上述措施后，2010年10月至今，該區域地震活動頻次驟減、強度降低，恢復到少震、零星小震的水平。

3 認識與討論

在上述分區研究中，自流井背斜構造一帶小震活動與鹽礦加壓注水有較好的對應關系，然而突發震群和較大地震活動前，注水壓力和注水量并不高，分析認為自流井背斜構造一帶中強震活動主要與區域所處特定的地震地質背景密切相關，由巖石地層受構造應力積累所致；部分突發震群和顯著地震發生前后，引起注水量的漏失。考慮到鹽礦注采中的生產異常情況，可能與構造區域內一些較大地震的發生存在相互關系，可以為地震短臨預報提供信息，自貢市防震減災局與萬橋鹽礦公司建立了協作機制，進行數據交流，為地震分析預報和鹽礦礦山安全生產提供參考。

鹽礦加壓注水，采鹽井口增加壓力在3～4個MPa時并沒有引起區域內中小地震密集活動，而天然氣廢水回注家33井附近區域，卻在注水井井口增加壓力加壓注水至3 MPa時，出現突發密集震群活動，甚至誘發ML4.4級地震；主要因素：一是地質構造條件方面，家33井為天然氣采空井，注水所處巖層斷裂發育，而萬橋鹽礦注水井所在區域，據鉆井資料顯示，未鉆遇斷層，而且注水目的僅為注水溶鹽；二是因為二者井深不一樣，家33井井深超過萬橋鹽礦注水井井深約1 200 m，注水壓力中靜水柱壓力部分高出約12 MPa。因此，對深井加壓注水要開展區域對比，首先要考慮注水目的層所在區域的地質構造特征，其次必須采用注水壓力進行計算研究，而不能僅通過注水井井口增加壓力變化進行不同區域、不同井況的對比分析。

自貢地區早期采用無壓注水溶鹽方法采鹽，注水不易向地下深處滲透，誘發中強構造地震的可能性較小，近年來，隨著工藝的改進，若采取高壓注水方法采鹽、斷裂帶高壓廢水回注則可能導致局部斷裂構造易于活動，從而誘發一些構造地震，同時應注意隨著采空區的擴展對頂板巖層穩定的影響；因此建議生產單位加強與地震部門協作，共享數據，合理調整注水井的注水壓力。

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Possible connection between water injection in salt mine and seismic events in Zigong region

Jiang Bin1，Chen Wenkang1，Song Jun2，Chen Xiang2

(1.Earthquake Prevention and Disaster Reduction Administration of Zigong City,Sichuan Zigong 643000;2.Wanqiao Salt Mine Company of Zigong City, Sichuan Zigong 643000, China)

Zigong City is an area of medium-strong earthquakes in Sichuan Province. Most of earthquakes occurred around the high points of the geological structure. At the same time Zigong is rich of salt mines and natural gas. Based on the observatory data of the geological drilling, water and gas wastewater injection and seismic monitoring, we divide the research areas into two kinds of areas. The area one is the region of injection with water and the area two is the region of injection with natural gas wastewater. We compare earthquakes occurred in two areas. The area one is an anticline region in geological condition where water injection is often carried out. The depth of water injection is about 1 200 meters. Small magnitude earthquake activities are well relative to the water injection but the large magnitude earthquakes are not. So we think that some of character earthquakes may result from the liquid leaking in a salt cavity. The area two is also located in an anticline region around where there are many geological faults. The wells in these areas are injected with natural gas wastewater. The depth of the most of injection wells is about 2 700 meters. It is 1 500 meters deeper than that of the well injected with water. From the beginning to the ending of injection with natural gas wastewater, there are not earthquakes. But after more natural gas wastewater are injected into well with high pressure of 12 MPa, the number of earthquakes increases quickly.

induced earthquake; well pressure; injection pressure; water leaking; Zigong City

2015-07-13

蔣斌(1982-)，男，四川省南充市人，主要從事石油地質、地震地質和地震監測分析研究.E-mail：since1969@qq.com

P315.33

A

1001-8115(2015)04-0001-06

10.13716/j.cnki.1001-8115.2015.04.001