構(gòu)造復(fù)雜區(qū)非煤地層隧道有害氣體成因機(jī)制及運(yùn)移模式

蘇培東，曹津銘，舒鴻燚,杜宇本,陳浩棟

(1.西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500；2.中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610036)

隨著全國(guó)公路、鐵路業(yè)的發(fā)展，諸多隧道在穿越非煤地層時(shí)相繼遇到有害氣體突出、燃燒和爆炸等問(wèn)題，如成蘭鐵路躍龍門隧道[1]、蘭渝鐵路玄真觀隧道[2]、汶馬高速公路鷓鴣山隧道[3]、拉林鐵路米林隧道[4]等。2017年6月，地處云貴高原的大(理)臨(滄)鐵路紅豆山隧道在施工穿越花崗巖區(qū)時(shí)發(fā)生囊狀高壓氣體爆突事故，查明非煤地層隧道內(nèi)有害氣體成因機(jī)制成為紅豆山隧道施工階段亟待解決的問(wèn)題[5-6]。

相較于煤層瓦斯隧道來(lái)說(shuō)[7-9]，非煤地層隧道有害氣體賦存條件和逸出方式的不確定性對(duì)隧道施工安全危害程度較大。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在非煤地層隧道有害氣體成因機(jī)制研究方面取得了一定成果：KANG Xiaobing[10]等對(duì)大量非煤地層瓦斯隧道進(jìn)行了研究，總結(jié)了隧道內(nèi)瓦斯涌出具有隨機(jī)不均勻分布特征，認(rèn)為非煤地層瓦斯隧道主要有構(gòu)造連通型、圍巖變質(zhì)型及復(fù)合型；張雨露等[11]分析了泛亞鐵路廣通4號(hào)隧道地質(zhì)資料，得到了隧道內(nèi)高濃度有害氣體的運(yùn)移模式：基底張性斷裂切穿了震旦系地層，使深部有害氣體沿?cái)嗔褞н\(yùn)移至褶皺區(qū)富集；陳其學(xué)等[12]以鷓鴣山隧道為例，探討了非煤地層隧道內(nèi)瓦斯的形成機(jī)理及涌出原因；蘇培東等[13-14]將穿越龍泉山含油氣構(gòu)造的隧道進(jìn)行對(duì)比分析，歸納了影響淺層天然氣賦存、運(yùn)移的主控因素，提出了非煤地層中淺層天然氣的運(yùn)移模式。

此外，一些學(xué)者從構(gòu)造角度出發(fā)提出，非煤地層隧道內(nèi)有害氣體受各種斷裂構(gòu)造的影響十分顯著，根據(jù)構(gòu)造在有害氣體形成過(guò)程中不同的表現(xiàn)可以大致分為成氣構(gòu)造、儲(chǔ)氣構(gòu)造、蓋氣構(gòu)造、疏氣構(gòu)造[15-16]。對(duì)于幔源有害氣體來(lái)說(shuō)，斷裂構(gòu)造可以作為向淺部運(yùn)移的通道，即疏氣構(gòu)造；對(duì)于殼源有害氣體，斷裂對(duì)其生成、運(yùn)聚、封蓋均有影響。同時(shí)，在進(jìn)一步優(yōu)化儲(chǔ)層的儲(chǔ)滲性能和蓋層的封閉性能方面，斷裂構(gòu)造也有著不可忽視的作用。

通過(guò)以往研究成果可以看出，對(duì)于構(gòu)造復(fù)雜區(qū)非煤地層隧道有害氣體來(lái)說(shuō)，其成因往往為多種成因類型組成的混合成因，如果單從地質(zhì)角度出發(fā)，對(duì)有害氣體成因做定性分析，就顯得不全面且難具說(shuō)服力。

本文以紅豆山隧道出現(xiàn)有害氣體為切入點(diǎn)，采用地質(zhì)學(xué)與地球化學(xué)相結(jié)合的研究思路，基于隧址區(qū)地質(zhì)環(huán)境特征分析，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、室內(nèi)氣體組分分析及同位素試驗(yàn)等方法，對(duì)有害氣體的成因機(jī)制進(jìn)行研究，進(jìn)而提出有害氣體運(yùn)移模式，以期能降低有害氣體對(duì)隧道施工帶來(lái)的威脅，并為非煤地層隧道有害氣體的防治及預(yù)測(cè)提供參考。

1 隧道地質(zhì)環(huán)境

1.1 工程概況

紅豆山隧道位于云南省臨滄市鳳慶縣及云縣境內(nèi)，全長(zhǎng)10 616 m，是大臨鐵路全線控制性工程。隧址區(qū)地形起伏大，溝谷深切，屬高中山剝蝕、侵蝕地貌，地面高程1 180～2 331 m，相對(duì)高差1 151 m；隧道最大埋深達(dá)1 020 m，最大水平主應(yīng)力為23.97 MPa。斜坡坡麓地段覆土較薄，基巖多裸露，山頂臺(tái)地及寬緩溝槽內(nèi)覆土較厚，植被發(fā)育。

1.2 隧址區(qū)地質(zhì)條件

區(qū)域構(gòu)造上，隧道位于印度板塊與歐亞板塊碰撞帶東南部，區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)十分強(qiáng)烈，發(fā)育了諸多深大活動(dòng)斷裂，沿?cái)嗔褞?qiáng)震和巖漿侵入現(xiàn)象也頗為頻繁。而瀾滄江斷裂與南汀河斷裂作為隧址區(qū)主控?cái)嗔?，在第四紀(jì)以來(lái)活動(dòng)較為強(qiáng)烈，表現(xiàn)出明顯的垂直差異運(yùn)動(dòng)及水平滑移運(yùn)動(dòng)，對(duì)區(qū)內(nèi)變質(zhì)作用、巖漿活動(dòng)及水熱活動(dòng)等造成了極大影響，使得隧址區(qū)花崗巖內(nèi)出露多處溫泉，最高水溫可達(dá)77 ℃。

總之，隧址區(qū)地質(zhì)條件十分復(fù)雜，主要特征表現(xiàn)為高地?zé)帷⒏叩貞?yīng)力，以及頻繁的巖漿活動(dòng)、活躍的地?zé)崴h(huán)境等。

2 隧址區(qū)有害氣體檢測(cè)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

紅豆山隧道1#斜井發(fā)生有害氣體爆突事故后，為掌握有害氣體的類型、濃度等特征，采用便攜式泵吸測(cè)試設(shè)備在超前鉆孔施工前后對(duì)超前探孔內(nèi)及掌子面附近空氣環(huán)境中(尤其是拱腳處)CO2，H2S，SO2，CH4，CO，NO2，NH3，O2，H2和Cl2進(jìn)行檢測(cè)。

據(jù)87 d實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，隧道內(nèi)主要有害氣體為CO2和H2S，未檢測(cè)到NO2和NH3等，CO2和H2S的具體監(jiān)測(cè)情況分別如圖1和圖2所示。

圖1 隧道內(nèi)CO2監(jiān)測(cè)圖

圖2 隧道內(nèi)H2S監(jiān)測(cè)圖

圖中：有害氣體安全限值為TB 10204—2002《鐵路隧道施工規(guī)范》規(guī)定的限值。從圖1和圖2可以看出：超前鉆孔內(nèi)CO2，H2S長(zhǎng)期處于超標(biāo)狀態(tài)，其中CO2體積分?jǐn)?shù)更是超過(guò)了儀器最大量程，導(dǎo)致儀器直接報(bào)警，而掌子面處有害氣體體積分?jǐn)?shù)卻一直處于安全狀態(tài)，這與掌子面空氣環(huán)境中風(fēng)速一直保持在0.8～3.0 m·s-1密切相關(guān)；反過(guò)來(lái)也說(shuō)明通風(fēng)對(duì)稀釋有害氣體有顯著影響，建議隧道施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)，確保施工時(shí)空氣環(huán)境中有害氣體體積分?jǐn)?shù)處于安全限值以下。

2.2 室內(nèi)試驗(yàn)

為進(jìn)一步確定隧道內(nèi)有害氣體組分和具體成分，采用“預(yù)真空采樣法”在隧道不同位置的超前鉆孔終孔時(shí)及隧址區(qū)出露的溫泉中利用雙閥鋁覆膜密封氣袋各采集6組氣樣用于室內(nèi)試驗(yàn)，其中每個(gè)測(cè)點(diǎn)采集2組氣樣，取樣間隔時(shí)間為15 min。

基于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)采用氣相色譜儀(Agilent 3000A)對(duì)12組氣樣進(jìn)行了組分及體積分?jǐn)?shù)分析，室內(nèi)試驗(yàn)儀器如圖3所示，分析結(jié)果見表1和表2。從表1和表2可以看出：超前鉆孔內(nèi)氣樣與溫泉中氣樣的有害氣體組分以CO2，N2，O2和H2S為主；與空氣中0.03%的CO2相比，超前鉆孔內(nèi)CO2的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了88.53%，遠(yuǎn)超正常值，H2S體積分?jǐn)?shù)相較于安全值來(lái)說(shuō)增加了7～61倍。

圖3 室內(nèi)試驗(yàn)儀器

表1 超前鉆孔內(nèi)有害氣體組分及體積分?jǐn)?shù)分析結(jié)果

表2 隧址區(qū)溫泉內(nèi)有害氣體組分及體積分?jǐn)?shù)分析結(jié)果

2.3 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，確定了紅豆山隧道內(nèi)有害氣體主要為高濃度CO2及H2S。室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試均未檢測(cè)到SO2氣體，說(shuō)明有害氣體來(lái)源于深部熱儲(chǔ)且向上運(yùn)移過(guò)程中未在淺部熱儲(chǔ)中停留。同時(shí)，對(duì)比表1、表2中N2和O2數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：超前鉆孔內(nèi)N2和O2體積分?jǐn)?shù)明顯低于溫泉內(nèi)氣體，這是由于溫泉內(nèi)氣樣采集環(huán)境為暴露于空氣中的狀態(tài)，在氣樣采集過(guò)程中混入了一定量的空氣。

3 隧址區(qū)斷裂構(gòu)造特征及影響

紅豆山隧道位于晚更新世瀾滄江深大斷裂與全新世南汀河西支斷裂挾持地帶，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺較多，深大斷裂發(fā)育。隧道區(qū)域內(nèi)從東向西(即從隧道進(jìn)口到出口)依次分布有龔家斷層(DK115+250—DK115+307)、星源斷層(DK117+622—DK117+844)、關(guān)口斷層(DK120+163—DK120+665)、冬瓜村斷層及南汀河斷裂西支。主要斷層分布如圖4所示。

圖4 隧址區(qū)斷層分布圖

龔家斷層走向近于NE向，傾向NW，斷層傾角較陡，物探顯示斷層帶寬約20 m；星源斷層走向近于EW向，傾向N，斷層傾角較陡，物探顯示斷層帶寬約220 m。這2條斷層均為張性正斷層且斷層帶寬數(shù)10 m，為有害氣體的運(yùn)聚提供了良好的通道和賦存空間，屬儲(chǔ)氣斷層。受斷層影響，在DK115+320—DK117+620段因動(dòng)力變質(zhì)作用形成了以花崗質(zhì)糜棱巖為主的韌性剪切帶，該段巖體完整性相對(duì)較好，不利于有害氣體聚集。

關(guān)口平移斷層沿N10°E方向延伸，傾向NW，斷層較陡，屬左移型壓扭性斷裂，斷層帶內(nèi)巖石具有片理化、糜棱化特征。由于該斷層表現(xiàn)出強(qiáng)烈壓扭性特征，雖不利于有害氣體的遷移，但具有較好的封蓋性能，屬于蓋氣斷裂。

南汀河斷裂西支位于云南盆地西側(cè)邊緣，總體走向N50°E，傾向SE，斷層傾角約為56°，該斷裂帶經(jīng)歷了多期構(gòu)造活動(dòng)，發(fā)育了數(shù)十至上百米的斷層破碎帶。深地震反射剖面研究結(jié)果表明[17]，南汀河斷裂西支是由多個(gè)斷層組成的走滑斷裂帶，其運(yùn)動(dòng)方式以左旋水平運(yùn)動(dòng)為主且第四紀(jì)晚期活動(dòng)明顯；同時(shí)，在其下方存在1個(gè)切穿地殼且能溝通上地幔的深大斷裂。綜上，南汀河斷裂西支對(duì)于幔源氣體來(lái)說(shuō)，其不僅能為氣體運(yùn)移提供通道，還能改良地層的儲(chǔ)集和封蓋性能。

4 有害氣體成因機(jī)制及運(yùn)移模式

4.1 有害氣體成因分類

在地殼表層沉積圈流體中CO2的成因分為無(wú)機(jī)和有機(jī)2種[18]。有機(jī)成因的CO2與有機(jī)物氧化、有機(jī)物微生物熱降解、有機(jī)物熱裂解、有機(jī)物熱降解等地質(zhì)化學(xué)作用有著緊密的聯(lián)系。無(wú)機(jī)成因的CO2是無(wú)機(jī)礦物或元素在各類化學(xué)作用中形成的，又分為巖漿—幔源成因和變質(zhì)成因。自然界中的H2S成因總得來(lái)說(shuō)可以分為3個(gè)大類[19]：生物成因、熱化學(xué)成因、幔源巖漿成因。生物成因的H2S是微生物通過(guò)還原作用分解含硫有機(jī)質(zhì)而形成；熱化學(xué)成因H2S主要為含硫有機(jī)化合物的熱化學(xué)分解、還原過(guò)程；幔源巖漿型的H2S來(lái)源于巖漿活動(dòng)產(chǎn)生的揮發(fā)份。

4.2 定性分析

由于羌塘—唐古拉—保山微板塊煌華南陸塊的碰撞，在壓力、溫度迅速增高的條件下，使得部分陸殼熔融并沿著瀾滄江深大斷裂帶形成了印支期花崗巖侵入體，侵入巖體在逐漸冷卻的過(guò)程中會(huì)析出溶解于其中的CO2和H2S等幔源氣體，與此同時(shí)碳酸鹽巖在高溫條件下會(huì)發(fā)生接觸變質(zhì)作用釋放出CO2。對(duì)于南汀河斷裂西支來(lái)說(shuō)，由于其切穿了莫霍面能溝通上地幔，使得幔源巖漿氣可以沿著斷裂帶向上運(yùn)移至淺地表中聚集(圖5)，所以其可作為幔源氣體運(yùn)移的控制性斷裂。

就生物、熱化學(xué)成因的H2S而言，其嚴(yán)苛的形成條件在隧址區(qū)地層中難以得到滿足，而區(qū)內(nèi)強(qiáng)烈的巖漿活動(dòng)過(guò)程中能產(chǎn)生較多硫化氫揮發(fā)份，為H2S的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。同時(shí)，由于隧道埋深大，處于還原環(huán)境中，為H2S的賦存提供了有利地質(zhì)條件。

綜上所述，紅豆山隧道下伏為非煤系地層(花崗巖、糜棱巖等)自身不具備任何生烴條件，但深大斷裂的存在不但溝通了幔源物質(zhì)還為有害氣體的運(yùn)移提供了有利通道。因此，可以初步判定紅豆山隧道內(nèi)CO2和H2S為巖漿—幔源及變質(zhì)混合成因。

圖5 南汀河斷裂西支有害氣體運(yùn)移模式

4.3 定量分析

針對(duì)于CO2的成因問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在地球化學(xué)方面做了大量研究，戴金星[20]在對(duì)比分析了來(lái)自國(guó)內(nèi)212個(gè)及澳大利亞、泰國(guó)、新西蘭等國(guó)家的100多個(gè)CO2樣品的基礎(chǔ)上，提出了CO2體積分?jǐn)?shù)及其碳同位素綜合鑒別法，并編制了CO2有機(jī)與無(wú)機(jī)成因判別圖，如圖6所示。圖中δ13CCO2PDB為CO2的穩(wěn)定碳同位素的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 CO2有機(jī)與無(wú)機(jī)成因判別圖

根據(jù)判別圖和室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)的CO2分析結(jié)果可以看出，紅豆山隧道內(nèi)高濃度CO2僅有1種成因，即無(wú)機(jī)成因。

為進(jìn)一步區(qū)分巖漿—幔源成因與變質(zhì)成因的CO2，戴金星等[21]通過(guò)整理有關(guān)δ13CCO2研究數(shù)據(jù)，歸納出變質(zhì)成因CO2的δ13CCO2值大多為0±3‰，巖漿—幔源成因CO2的δ13CCO2值為-6‰±2‰。室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)氣樣中CO2的同位素測(cè)試結(jié)果見表3。從表3可以看出：紅豆山隧道內(nèi)CO2氣體的δ13CCO2值分為2個(gè)區(qū)間，其中-0.3‰～-3.0‰對(duì)應(yīng)的是變質(zhì)成因類型，-4.7‰～-8.0‰則是巖漿—幔源成因類型，因此可以判定紅豆山隧道中高濃度的CO2為巖漿—幔源及變質(zhì)混合成因。

表3 氣樣CO2同位素測(cè)試結(jié)果

4.4 成因機(jī)制及運(yùn)移模式

隧道內(nèi)有害氣體主要為幔源—巖漿及變質(zhì)成因氣，這些氣體沿著斷裂帶向上遷移的過(guò)程中，一部分由地下水的深循環(huán)帶到淺地表環(huán)境，最終逸散到大氣中；而另一部分，通過(guò)斷裂破碎帶運(yùn)移到花崗巖內(nèi)囊袋狀、狹長(zhǎng)狀儲(chǔ)集空間中[22]，富集形成規(guī)模不等的高壓氣囊。在隧道穿越儲(chǔ)集區(qū)時(shí)，由于地應(yīng)力得到釋放，導(dǎo)致有害氣體在高壓下爆突涌入隧道，給隧道施工造成嚴(yán)重威脅。紅豆山隧道有害氣體的運(yùn)移模式如圖7所示。

幔源形成的CO2受巖漿和斷裂的共同控制，其釋放途徑主要有2種：(1)巖漿沿瀾滄江斷裂侵入的同時(shí)，溶解于其中的CO2因溫度、壓力的變化逐漸析出，沿?cái)嗔严蛏线w移；(2)未發(fā)生巖漿侵入時(shí)，已脫離巖漿的CO2能通過(guò)南汀河斷裂西支直接運(yùn)移至淺部?jī)?chǔ)集。

變質(zhì)成因CO2與碳酸鹽巖在高溫環(huán)境下發(fā)生分解密切相關(guān)，其化學(xué)反應(yīng)式如下。

斷裂構(gòu)造可為碳酸鹽巖熱變質(zhì)作用提供2類熱源，第1類熱源是深部熱流體通過(guò)構(gòu)造通道與圍巖發(fā)生接觸變質(zhì)作用：隧址區(qū)深大斷裂可作為高溫流體侵位活動(dòng)的有效通道，在熱流體自身的熱能烘烤下，使碳酸鹽巖分解產(chǎn)生CO2；第2類熱源是隧址區(qū)壓扭性構(gòu)造所產(chǎn)生的增溫效應(yīng)會(huì)使得圍巖發(fā)生動(dòng)力變質(zhì)作用從而釋放CO2。

圖7 紅豆山隧道有害氣體運(yùn)移模式

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及室內(nèi)試驗(yàn)分析，確定紅豆山隧道內(nèi)主要有害氣體為高濃度CO2和較高濃度H2S。有害氣體以斷裂帶及花崗巖蝕變帶為運(yùn)移通道，主要賦存于花崗巖風(fēng)化體及斷裂破碎帶內(nèi)，局部易形成高壓氣囊。

(2)隧址區(qū)地質(zhì)條件有利于巖漿—幔源成因H2S的生成和賦存；CO2體積分?jǐn)?shù)介于58.80%～88.53%，其δ13CCO2值介于-7.6‰～-2.5‰，綜合判定隧道內(nèi)有害氣體為巖漿—幔源及變質(zhì)混合成因，與印支期花崗巖侵入體放熱、降壓及圍巖接觸變質(zhì)作用密切相關(guān)。

(3)對(duì)于構(gòu)造復(fù)雜區(qū)非煤隧道來(lái)說(shuō)，有害氣體逸出方式因囊狀富集、沿構(gòu)造裂隙運(yùn)移的特征而出現(xiàn)局部短時(shí)大量涌出，對(duì)隧道施工造成極大的安全隱患。建議在隧道施工階段加強(qiáng)有害氣體超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，探明有害氣體賦存情況，提出相應(yīng)防范措施，保證施工安全。