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西宁盆地南部天然CO2泄漏和浅部含水层响应

郑长远 雷宏武 崔银祥 白冰 季备 刘阳阳

郑长远, 雷宏武, 崔银祥, 白冰, 季备, 刘阳阳. 西宁盆地南部天然CO2泄漏和浅部含水层响应[J]. 地质科技通报, 2023, 42(6): 223-232. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.tb20220529
引用本文: 郑长远, 雷宏武, 崔银祥, 白冰, 季备, 刘阳阳. 西宁盆地南部天然CO2泄漏和浅部含水层响应[J]. 地质科技通报, 2023, 42(6): 223-232. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.tb20220529
Zheng Changyuan, Lei Hongwu, Cui Yinxiang, Bai Bing, Ji Bei, Liu Yangyang. Natural CO2 leakage and responses of shallow aquifers in the southern Xining Basin[J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2023, 42(6): 223-232. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.tb20220529
Citation: Zheng Changyuan, Lei Hongwu, Cui Yinxiang, Bai Bing, Ji Bei, Liu Yangyang. Natural CO2 leakage and responses of shallow aquifers in the southern Xining Basin[J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2023, 42(6): 223-232. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.tb20220529

西宁盆地南部天然CO2泄漏和浅部含水层响应

doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.tb20220529
基金项目: 

青海省科技厅科学技术应用基础研究项目"碳封存路径下的西宁盆地二氧化碳地质储存地质安全性研究" 2022-ZJ-735

详细信息
    作者简介:

    郑长远(1983—), 男, 高级工程师, 主要从事水工环地质和CO2地质封存相关研究工作。E-mail: 56295158@qq.com

    通讯作者:

    雷宏武(1985—), 男, 助理研究员, 主要从事CO2地质封存和地热方面研究工作。E-mail: hongwulei2008@aliyun.com

  • 中图分类号: X701;X141

Natural CO2 leakage and responses of shallow aquifers in the southern Xining Basin

  • 摘要:

    CO2地质封存是重要的CO2减排技术之一, 其中泄漏风险评价是该技术实施的关键, 而天然CO2泄漏研究是获取泄漏评价关键信息的重要手段。通过野外调查, 现场测量以及水样、气样和岩样的采集和测试, 分析了西宁盆地南部CO2的来源、泄漏特征和其泄漏到浅部含水层后相关的响应规律。结果显示西宁盆地南部发现了多处天然CO2泄漏, 包括高含CO2的泉、废弃钻孔的间歇水气喷发和CO2井喷等多种形式的泄漏显示, 以及与之伴随的较大范围的钙华。气体中CO2占绝对含量, CO2碳同位素介于-2.5‰~-0.4‰, 指示泄漏的CO2来源于深部无机成因, 并通过深部断层泄漏进入浅部承压含水层, 与地下水一起径流、排泄或在浅部二次聚集。CO2泄漏区域土壤222Rn浓度异常(超过9 000 Bq/m3), 这可作为识别隐伏泄漏通道的重要方法。地下水对CO2的泄漏产生了明显的物理化学响应, 包括现象独特的井筒间歇喷发(喷发200 s和停止130 s), 地下水水化学特征的变化(比如pH值的降低(小于7), 电导、HCO3-、Ca2+的升高和氧同位素的漂移), 以及地表大面积特征明显(比如气泡构造)和成分以方解石为主的钙华。该场地天然CO2泄漏特征与美国Utah场地具有很高的相似性。研究成果不仅能为CO2地质封存的泄漏风险评价提供天然类比知识, 而且还有助于了解地球深部地质活动。

     

  • 图 1  西宁盆地南部基底埋深及构造纲要图(据文献[18]修改)

    Figure 1.  Burial depth and tectonic outline map of the southern Xining Basin

    图 2  研究区地质图及CO2泄漏点位置分布

    1.第四系风积物、冲积物及石灰华沉积物;2, 3.新近系及古近系泥岩、粉砂岩;4.白垩系砂岩及砂砾岩;5.侏罗系泥岩及砂岩;6~12.泥盆系、奥陶系、志留系、寒武系、震旦系及下元古界岩浆岩、变质岩;13.资料记载的富CO2泉点;14.现场勘察确定的CO2泄漏泉点;15.揭露CO2的钻孔点;16.断层;17.河流

    Figure 2.  Geological map of the study area and CO2 leakage locations

    图 3  冰凌山泉群(a)和钙华(b)

    Figure 3.  Springs (a) and travertine (b) in Binglingshan

    图 4  尧庄CO2矿泉

    Figure 4.  Mineral springs containing CO2 in Yaozhuang

    图 5  上洛麻CO2矿泉

    a.古钙华; b.现代钙华; c.古钙华中的气泡构造

    Figure 5.  Mineral springs containing CO2 in Shangluoma

    图 6  ZK10井井口水气排泄

    Figure 6.  Water and gas discharge at the wellhead of ZK10

    图 7  XCDCSZ-3-1钻孔井喷(据文献[21]修改)

    a.刚开始井喷; b.井喷持续稳定后

    Figure 7.  Well blowout of borehole XCDCSZ-3-1

    图 8  含CO2泉的水同位素特征

    Figure 8.  Water isotope characteristics of CO2-rich springs

    图 9  ZK10井间歇喷发周期测量

    Figure 9.  Period measurement of intermittent eruption in the Well ZK10

    图 10  CO2间歇喷泉形成机理示意图

    Figure 10.  Schematic diagram of the formation mechanism of CO2 geyser

    图 11  典型CO2泄漏点钙华样品

    ①上洛麻附近(黄色钙华);②上洛麻附近(红色钙华);③上洛麻附近(结晶钙华);④药水滩(黄色钙华);⑤药水滩(白色钙华);⑥ZK10井(黄色钙华);⑦ZK10井(树枝状钙华);⑧尧庄;⑨上洛麻

    Figure 11.  Travertine samples from typical CO2 leakage locations

    表  1  气体组分和同位素测试结果

    Table  1.   Test results for gas composition and isotopeic abundance

    取样点 N2 O2 H2S Ar CO2 CO2同位素
    13δCCO2/ ‰
    土壤氡
    222Rn
    冰凌山 - - - - - -2.5 -
    尧庄 2.45 0.62 0.01 0.03 96.88 -1.3 -
    上洛麻 26.72 7.15 0.01 0.30 65.82 -0.6 20 000
    ZK10井 2.58 0.63 0.02 0.03 96.74 -0.4 10 600
    XCDCSZ-3-1钻孔 72.50 19.20 0.00 0.84 7.44 -0.9 9 590
    注:气体组分单位为体积百分比(%),土壤氡的单位Bq/m3
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    表  2  水样测试结果

    Table  2.   Test results of water samples

    项目 冰岭山 尧庄 上洛麻 ZK10井
    高程/m 2 285 2 607 2 633 2 392
    温度/℃ 15.6 16.2 0.8 7.1
    电导/(mS·cm-1) 6.13 3.77 3.57 4.06
    pH值 6.42 6.62 6.52 6.75
    Na+ 763.60 92.91 123.85 135.98
    K+ 212.46 25.81 26.75 67.61
    Ca2+ 502.70 655.03 724.50 432.42
    Mg2+ 149.37 137.41 133.76 131.14
    Cl- 318.85 58.65 96.08 60.23
    SO42- 1653.15 981.06 789.92 469.83
    HCO3-a ρB/(mg·L-1) 1 433.5
    (1 993.4)
    1 063
    (1 634.1)
    2 397
    (2 088.6)
    1 894
    (1 749.8)
    Li 1.08 0.80 0.78 0.82
    F 0.60 1.19 1.40 1.16
    Sr 2.20 1.93 1.95 1.30
    Br 1.13 0.86 4.42 0.92
    TDS 4 596.83 2 767.92 2 939.16 2 172.11
    δDVSMOW/‰ -77.80 -76.60 -77.80 -78.40
    δ18OVSMOW/‰ -12.20 -11.40 -11.70 -11.60
    矿物饱和指数 方解石 0.37 0.69 0.52 0.60
    文石 0.22 0.54 0.35 0.44
    白云石 0.43 0.93 0.22 0.75
    石膏 -0.18 -0.21 -0.19 -0.57
    地下水类型 SO4·HCO3-
    Na·Ca
    HCO3·
    SO4-Ca
    HCO3·
    SO4-Ca
    HCO3-
    Ca·Mg
    注:括号中数值为根据电荷平衡计算
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    表  3  典型CO2泄漏点钙华矿物组分XRD测试结果

    Table  3.   Mineral composition of the travertine in typical CO2 leakage locations tested by XRD

    样品编号 方解石 白云石 文石 石英 钠长石 斜长石
    98.70 0 0 1.30 0 0
    99.07 0 0 0.93 0 0
    99.30 0 0 0.70 0 0
    90.72 5.06 0 4.22 0 0
    100.00 0 0 0 0 0
    98.92 0 0 1.08 0 0
    73.44 0 0 18.39 8.17 0
    48.41 1.65 0 35.59 0 14.35
    92.83 0 5.57 1.60 0 0
    注:表中各值表示各矿物组分的体积百分比(%)
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    表  4  西宁和美国Utah天然CO2泄漏场地特征对比

    Table  4.   Comparison of the characteristics of natural CO2 leakage between Xining, China and Utah, USA

    主要特征 西宁 美国Utah
    规模 分散在整个盆地南部,范围大,但主要受断层控制泄漏 集中在Little Grand Wash和Salt Wash Graben断层附近,范围小
    CO2同位素(13δCCO2)和来源 -0.4‰~-2.5‰,深部壳源 -6.61‰~-7.55‰,深部幔源
    CO2地表通量/(g·m-2·d-1) 最大53 200 最大36 259
    地表钙化 泄漏点普遍存在 泄漏点普遍存在
    地表含CO2水化学特征 温度0.7~20℃,TDS介于2 000~5 000 mg/L,地下水类型HCO3·SO4-Ca,pH值介于6.4~6.8 温度13~18℃,地下水类型Cl·HCO3-Na·Ca,pH值介于6.2~6.5
    井筒动力学 间歇喷发,喷发持续时间200 s,相对停止130 s 间歇喷发,喷发持续时间25~30 h,相对静止80~90 h
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  • [1] IPCC. Global warming of 1.5℃(SR1.5)[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2018.
    [2] Damen K, Faaij A, Turkenburg W. Health, safety and environmental risks of underground CO2 storage: Overview of mechanisms and current knowledge[J]. Climatic Change, 2006, 74(1/3): 289-318.
    [3] Dockrill B, Shipton Z K. Structural controls on leakage from a natural CO2 geologic storage site: Central Utah, U.S.A. [J]. Journal of Structural Geology, 2010, 32(11): 1768-1782. doi: 10.1016/j.jsg.2010.01.007
    [4] Han W S, Lu M, Mcpherson B J, et al. Characteristics of CO2-driven cold-water geyser, Crystal Geyser in Utah: Experimental observation and mechanism analyses[J]. Geofluids, 2013, 13(3): 283-297. doi: 10.1111/gfl.12018
    [5] Watson Z, Han W S, Keating E H. Eruption dynamics of CO2-driven cold-water geysers: Crystal, Tenmile geysers in Utah and Chimayó geyser in New Mexico[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2014, 408(15): 272-284.
    [6] Burnside N M, Shipton Z K, Dockrill B, et al. Man-made versus natural CO2 leakage: A 400 k. y. history of an analogue for engineered geological storage of CO2[J]. Geology, 2013, 41(4): 471-474. doi: 10.1130/G33738.1
    [7] Jung N H, Han W S, Watson Z T, et al. Fault-controlled CO2 leakage from natural reservoirs in the Colorado Plateau, East-Central Utah[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2014, 403: 358-367. doi: 10.1016/j.epsl.2014.07.012
    [8] Koh Y, Kim C, Bae D, et al. The isotopic and chemical compositions of the CO2-rich waters in Korea[J]. Geofísica Internacional, 2002, 41(4): 491-498.
    [9] Chiodini G, Granieri D, Avino R, et al. Non-volcanic CO2 earth degassing: Case of Mefite d'Ansanto(southern Apemnines), Italy[J]. Geophysical Research Letters, 2010, 37(11): L11303.
    [10] 王利民, 候元明. 对窑街煤田煤岩与二氧化碳突出的初步探讨[J]. 煤矿安全, 1980, 11(6): 24-32. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MKAQ198006005.htm

    Wang L M, Hou Y M. Preliminary discussion on coal rock and carbon dioxide outburst in the Yaojie Coalfield[J]. Safety in Coal Mines, 1980, 11(6): 24-32(in Chinese with English abstract). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MKAQ198006005.htm
    [11] 郑长远, 张徽, 师延霞, 等. 青海平安地区CO2气藏成藏模式研究[J]. 西北地质, 2016, 49(3): 148-154. doi: 10.3969/j.issn.1009-6248.2016.03.017

    Zheng C Y, Zhang H, Shi Y X, et al. Study on carbon dioxide gas reservoir accumulation mode in Ping'an region, Qinghai Province[J]. Northwestern Geology, 2016, 49(3): 148-154(in Chinese with English abstract). doi: 10.3969/j.issn.1009-6248.2016.03.017
    [12] Cai Y N, Lei H W, Feng G H, et al. Modeling of CO2-driven cold-water geyser in the Northeast Qinghai-Tibet Plateau[J]. Journal of Hydrology, 2021, 598: 125733. doi: 10.1016/j.jhydrol.2020.125733
    [13] Schroder I F, Zhang H, Zhang C, et al. The role of soil flux and soil gas monitoring in the characterisation of a CO2 surface leak: A case study in Qinghai, China[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2016, 54(1): 84-95.
    [14] Zhao X H, Deng H Z, Wang W K, et al. Impact of naturally leaking carbon dioxide on soil properties and ecosystems in the Qinghai-Tibet Plateau[J]. Scientific Reports, 2017, 7: 3001. doi: 10.1038/s41598-017-02500-x
    [15] Afsin M, Kuscu I, Elhatip H, et al. Hydrogeochemical properties of CO2-rich thermal-mineral waters in Kayseri(Central Anatolia), Turkey[J]. Environmental Geology, 2006, 50(1): 24-36. doi: 10.1007/s00254-005-0169-x
    [16] Shik-Han W, Watson Z T, Kampman N, et al. Periodic changes in effluent chemistry at cold-water geyser: Crystal geyser in Utah[J]. Journal of Hydrology, 2017, 550: 54-64. doi: 10.1016/j.jhydrol.2017.04.030
    [17] Aiuppa A, Federico C, Allard P, et al. Trace metal modeling of groundwater-gas-rock interactions in a volcanic aquifer: Mount Vesuvius, Southern Italy[J]. Chemical Geology, 2005, 216(3/4): 289-311.
    [18] 张森琦, 许伟林, 严维德, 等. 西宁盆地地热地质[M]. 北京: 地质出版社, 2013.

    Zhang S Q, Xu W L, Yan W D, et al. Geothermal geology of Xining Basin[M]. Beijing: Geological Publishing House, 2013(in Chinese).
    [19] 季备. 西宁至城都铁路拉脊山越岭段主要工程地质问题及地质选线[J]. 铁路标准设计, 2018, 62(8): 21-25.

    Ji B. The main engineering geological problems and geological route selection of Ridge section in Laji Mountain on Xining-Chengdu railway[J]. Railway Standard Design, 2018, 62(8): 21-25(in Chinese with English abstract).
    [20] 高中亮, 王艳飞, 雷胜兰, 等. 珠江口盆地CO2分布特征与成藏机制浅析[J]. 地质科技通报, 2022, 41(4): 57-68. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0204

    Gao Z L, Wang Y F, Lei S L, et al. Distribution characteristics and accumulation mechanism of carbon dioxide gas reservoirs in the Pearl River Mouth Basin[J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2022, 41(4): 57-68(in Chinese with English abstract). doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0204
    [21] 姚志勇. 西宁至成都铁路某隧道高压CO2气体研究及地质选线探析[J]. 现代隧道技术, 2019, 56(2): 170-174.

    Yao Z Y. Study on high pressure CO2 gas in a tunnel of Xining to Chengdu railway and exploration of geological route selection[J]. Modern Tunneling Technology, 2019, 56(2): 170-174(in Chinese with English abstract).
    [22] 戴金星, 宋岩, 洪峰, 等. 中国东部无机成因的二氧化碳气藏及其特征[J]. 中国海上油气: 地质, 1994, 6(4): 3-10. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZHSD199404000.htm

    Dai J X, Song Y, Hong F, et al. Inorganic carbon dioxide gas reservoirs in eastern China and their characteristics[J]. China Offshore Oil and Gas: Geology, 1994, 6(4): 3-10(in Chinese with English abstract). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZHSD199404000.htm
    [23] Rodrigo-Naharro J, Quindos L S, Clemente-Jul C, et al. CO2 degassing from a Spanish natural analogue for CO2 storage and leakage: Implications on 222Rn mobility[J]. Applied Geochemistry, 2017, 84: 297-305. doi: 10.1016/j.apgeochem.2017.07.008
    [24] 孙红丽, 王贵玲, 蔺文静. 西宁盆地地下热水的TDS分布特征及富集机理[J]. 地质科技通报, 2022, 41(1): 278-287. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2021.0079

    Sun H L, Wang G L, Lin W J. Distribution characteristics and enrichment mechanism of TDS geothermal water in Xining Basin[J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2022, 41(1): 278-287(in Chinese with English abstract). doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2021.0079
    [25] Thomas D L, Bird D K, Arnorsson S, et al. Geochemistry of CO2-rich waters in Iceland[J]. Chemical Geology, 2016, 444: 158-179. doi: 10.1016/j.chemgeo.2016.09.002
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-10-25
  • 录用日期:  2022-11-07
  • 修回日期:  2022-11-03

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