利用背景噪声研究新疆呼图壁储气库周边浅层介质结构及其变化

呼图壁地下储气库依托于枯竭的呼图壁气田建设而成,是中国继大张坨储气库之后投入建设使用的第2个储气库,为我国目前容量最大的天然气储气库。它通过夏季储气、冬季采气实现天然气的供需平衡,有效解决了新疆地区,尤其是,天山北坡经济带面临的冬季"气荒"问题,并为保障西气东输稳定供气和国家能源战略储备发挥重要作用。该储气库地处准噶尔盆地南缘北天山山前坳陷带内的呼图壁背斜上,其所在的天山北侧活动构造带是我国主要的地震活动带之一。研究该地区局部的浅层速度结构和介质变化特性对于保证该储气库安全运营,监测区域地震活动性,评估场地效应等都具有重要的意义。前人对包括呼图壁储气库在内的天山造山带至准噶尔盆地转换区域的深部地质构造特征已经有了许多研究,但是,在该地区浅层速度结构和介质变化等方面的研究几乎是一片空白。地震背景噪声互相关是一种新近发展起来的方法,主要是通过对两个台站记录到的地震背景噪声进行互相关运算来得到两个台站间的格林函数,从而用于地下结构成像或者介质变化的研究中。近年来,高频背景噪声由于可能存在较多的体波成分,且高频面波可以较好地反映浅层介质信息而逐渐引起关注。因此,本文将以从背景噪声中提取的这种高频面波信号作为工具,围绕新疆呼图壁储气库地区浅层结构成像和介质变化两个关键的科学问题,开展了以下4个方面的研究工作:(1)新疆地区流动地震观测背景噪声特征。利用目前通用的台基噪声分析方法,通过计算单条记录的加速度功率谱密度并统计一定时间段内的功率谱概率密度函数,研究了该地区的噪声来源及其特征。结果表明,研究区域由于超厚沉积层和显著人为活动的影响,大部分台站的背景噪声水平在高频段接近甚至超过全球高噪声模型,部分台站在全频段均超过全球高噪声模型。噪声成分主要是高频人为噪声和微震噪声,其中,新疆由于距离海洋较远微震噪声相对较低,而人为噪声频带范围较宽,强度较大,甚至超过高噪声模型,有助于提取两接收点之间的高频面波格林函数,从而获取浅层的介质信息,说明在该地区进行高频面波成像及浅层介质变化研究是可行的。(2)新疆呼图壁地区高频噪声成像。利用背景噪声互相关方法计算了不同台站对之间的格林函数,然后利用多重滤波方法获取了对应的瑞雷面波频散曲线,给出了一个平均的剪切波速度模型,并反演了不同周期对应的二维群速度分布图像。平均剪切波速度模型对应于近地表区域剧烈变化且砂泥岩交互的岩性特征。420?500 m处出现一个明显的低速层,可能与松散砂砾层有关。该浅层速度模型对于研究呼图壁储气库的上覆地层特性,近地表场地效应评估,去除浅层影响都具有重要的参考价值;不同周期的群速度图像均显示呼图壁和呼图壁北断裂处于高、低群速度过渡带,由于呼图壁〇〇1号井北断裂的北部并没有路径覆盖,无法观测到其两侧的速度差异。此外,在储气库西南边的台站附近,存在着一些明显的高速异常,推断是由于接近造山带引起的。对比不同深度的群速度分布图像,除了随深度有一个增加的趋势之外,纵向差异性较小。(3)新疆呼图壁地区地下介质特性变化。利用背景噪声互相关方法对呼图壁储气库区域的地下波速变化进行了初步分析,发现了可能与储气库充放气和地下水位变化有关的波速变化。但是,由于本文所选用的时间长度有限,只观测到了一个季节性的周期变化,未来需要进一步进行更长时间的观测来分析各种可能的影响因素。在该区域附近布设了气枪信号发射台,气枪震源具有高度可重复性,目前为止已经积累了大量的实验数据,利用互相关检测气枪信号的直达波到时,能够监测地下介质的微弱波速变化。采用这种主动观测系统,与本文的被动成像结果进行比较,可以通过互相验证以精确分析地下介质变化的时空分布特征。(4)垂直井孔台站在近地表介质特性研究中的效果初探。利用云南普洱大寨井的地表与井下噪声记录,研究了深丼观测对噪声水平的影响。发现该井下地震计在降低频率大于1 Hz的噪声上有明显的效果,尤其对于5 Hz附近的噪声,可降低达40 dB之多;当频率大于10 Hz时,随着频率的增加,降低噪声的水平逐渐降低。事实上,井下观测除了具有压制噪声的作用之外,还具有其他一些独特的优势。利用正则反卷积方法对距离台站150km内的10个近震事件开展了分析,构建了自375 m深度至地表之间的格林函数,并从中识别出入射波及地表反射波,从而获得了浅层的平均速度结构。以其中一个地震事件为例计算得到的直达波和地表反射波的理论到时与反卷积结果获取的实际到时差基本一致,说明平均速度是可靠的。由钻孔地质资料估算的初始速度模型可以看出,该地区的地下浅层结构存在多个较大的波阻抗界面,当地震波在从井孔基部传播至地表的过程中,发生了多次反射,而传播至地表后,从地表反射回井下地震计的能量明显减小。这是导致反卷积波场上入射波和地表反射波之间存在多个峰值,而且地表反射波的振幅相对弱于入射波甚至无法识别的原因。该结果为在新疆呼图壁地区利用井下观测进行地下结构及其变化的研究提供了方法参考。