綜合地球物理勘探在鐵路隧道高壓氣體勘探中的應(yīng)用

姚志勇,李 響,趙 文,蔡少峰,張志亮,季 備,朱光喜

(1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗室(中鐵一院),西安 710043； 3.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司甘肅勘察院,蘭州 730000)

1 概述

新建西寧至成都鐵路位于青海、甘肅、四川三省交界地帶。走行于青藏高原東部邊緣與黃土高原過渡地帶，整體呈南北走向，北起青海省東北部的西寧盆地，向南經(jīng)祁連山、穿秦嶺、跨若爾蓋草原、抵岷山山脈，于四川省松潘縣黃勝關(guān)站與成蘭鐵路接軌，項目新建長度509 km[1]。全線控制性工程海東南山特長隧道長25.1 km，從北向南跨越中祁連地塊、拉脊山蛇綠構(gòu)造混雜巖帶和南祁連地塊。初測、加深地質(zhì)階段查明存在第三系、白堊系弱成巖水穩(wěn)性問題[2]、高水頭承壓水問題及斷裂構(gòu)造發(fā)育等重大地質(zhì)問題[3]。定測階段，海東南山特長隧道西寧盆地段XCDCSZ-3-1號深孔突發(fā)高壓不明氣體(圖1)，具有壓力大、持續(xù)噴發(fā)時間長、對環(huán)境影響大、氣體封堵專業(yè)性強(qiáng)及現(xiàn)場處置麻煩的特點(diǎn)[4]。

圖1 XCDCSZ-3-1號深孔突發(fā)高壓不明氣體

考慮高壓不明氣體對環(huán)境影響大，現(xiàn)場立即成立緊急預(yù)案處置領(lǐng)導(dǎo)小組，召開多次專家會議，鉆孔歷時11 d由專業(yè)隊伍封堵(圖2)，現(xiàn)場處置得當(dāng)，無人員傷亡。截止封堵前壓力未見衰減趨勢，估算壓力約2.3 MPa，據(jù)孔口取氣樣化驗，CO2氣體體積濃度增加了250～610倍，為CO2氣體突出[5]。高壓CO2氣體問題是我國鐵路勘察階段首次遭遇，如何快速、有效、安全地查明高壓CO2氣體的分布規(guī)律，是控制海東南山特長隧道方案成立的關(guān)鍵問題，是西寧至成都鐵路前期線路方案選線的重難點(diǎn)，開展綜合地球物理勘探是解決目前問題行之有效的方法[6]。

針對氣體勘探，國內(nèi)外主要應(yīng)用于石油、天然氣找礦中，國內(nèi)外所采用的物探方法有高密度地震勘探技術(shù)[7-8]，多波地震技術(shù)[9-10]，音頻大地電磁法[11]等，主要用于探測與氣體生、儲、運(yùn)、藏、蓋相關(guān)的地質(zhì)構(gòu)造[12]。

圖2 XCDCSZ-3-1號深孔高壓氣體封堵施工

2 CO2氣體地質(zhì)環(huán)境研究

2.1 CO2氣藏分布

CO2在自然界的分布具有廣泛性和不均勻性，大氣中CO2體積濃度為0.037%～0.038%，而天然CO2氣藏中CO2的含量可高達(dá)90%～99%。CO2氣藏主要分布在地幔隆起區(qū)、火山巖漿活動區(qū)、斷裂系十分發(fā)育的地殼活動區(qū)、地?zé)岙惓５奶妓猁}巖分布區(qū)、油氣富集區(qū)和含煤盆地[13]。

全球已發(fā)現(xiàn)的CO2氣藏沿著環(huán)太平洋、歐亞大陸交界處、阿爾卑斯和大西洋等地殼活動帶分布。如日本、中國東部、中國南海、印度尼西亞、新西蘭、馬來西亞、澳大利亞、美國、加拿大和西西伯利亞等均發(fā)現(xiàn)了CO2的氣藏群(帶)分布[13]。

我國已發(fā)現(xiàn)CO2氣藏的地區(qū)有江蘇、廣東、山東、甘肅、遼寧等16個省，其中以蘇北黃橋地區(qū)的規(guī)模最大。在中國東部松遼盆地、渤海灣盆地、蘇北盆地、三水盆地及大陸架珠江口盆地、鶯歌海盆地和東海盆地中已發(fā)現(xiàn)了30多個無機(jī)成因CO2氣藏。儲集層位由古生界至新生界都有分布，其中以古生界碳酸鹽巖地層和新生界古近系最為富集[14]。

2.2 CO2氣體研究現(xiàn)狀

CO2廣泛應(yīng)用于石油開采、工業(yè)、化工、農(nóng)業(yè)、氣象、環(huán)保、醫(yī)療及食品飲料等方面。CO2氣藏不僅是一種重要的礦產(chǎn)資源，而且也是人類認(rèn)識自然和尋找石油、天然氣和有關(guān)金屬礦產(chǎn)資源，以及研究地球氣候變化和了解地球演化的重要地球化學(xué)指標(biāo)[15]。目前對CO2的成因類型、判別指標(biāo)已有比較明確的認(rèn)識，但關(guān)于CO2深部釋出機(jī)制、運(yùn)聚成藏機(jī)理仍停留在推理和假設(shè)的階段，需要進(jìn)一步深入研究。

CO2氣藏雖然是一種重要的礦產(chǎn)資源，但在煤礦、工程隧道開挖中卻可能發(fā)生危害性極大的CO2突出事故。據(jù)記載，首次煤礦CO2突出事故發(fā)生在波蘭Lower Silesia煤礦，澳大利亞、法國、捷克斯洛伐克、土耳其、斯洛文尼亞、德國、愛爾蘭、瑞典、意大利、加拿大、科邁隆等國的一些煤礦或其他礦產(chǎn)開發(fā)中也發(fā)生過CO2突出災(zāi)害。我國甘肅窯街[16]、吉林營城[17]、延邊和龍礦區(qū)[18]等也發(fā)生過CO2突出事故。針對CO2突出事故，主要討論了CO2氣體的成因、來源、分布、突出特點(diǎn)與機(jī)理、突出的影響因素、預(yù)測預(yù)報及其防治措施、CO2氣體的評價利用等內(nèi)容，但針對鐵路隧道高壓CO2氣體的勘察尚屬首次。

2.3 CO2氣體產(chǎn)生的地質(zhì)環(huán)境

海東南山特長隧道XCDCSZ-3-1號深孔位于西寧盆地，是中祁連陸塊內(nèi)的中-新生代內(nèi)陸斷陷盆地。經(jīng)歷了前中生代基底構(gòu)造演化和中-新生代盆地構(gòu)造演化兩大構(gòu)造發(fā)展階段，主要由基底與蓋層組成[19]。基底為下元古界至奧陶系巖漿、變質(zhì)巖類地層，盆地內(nèi)鮮有出露。蓋層主要為第三系至白堊系的沉積巖地層。

海東南山特長隧道西寧盆地段地表主要為第三系馬哈拉溝組泥巖夾石膏、洪溝組泥巖夾砂巖、祁家川組泥巖夾砂巖，白堊系民和組砂巖夾礫巖、白堊系河口群礫巖夾砂巖(圖3)。

XCDCSZ-3-1鉆孔揭示地層：0～3 m第四系粉質(zhì)黏土；3～84 m第三系洪溝組泥巖夾砂巖，局部夾石膏，巖體呈柱狀，較完整；84～153.7 m第三系祁家川組泥巖夾砂巖，局部含礫巖，巖體呈柱狀，較完整；153.7～342.6 m白堊系民和組礫巖夾砂巖為主，局部夾泥巖，巖體呈柱狀，較完整；342.6～380 m為下元古界東岔溝組碎裂化大理巖，巖體呈碎塊狀，巖體破碎。

圖3 海東南山特長隧道區(qū)域地質(zhì)圖(西寧盆地段)

根據(jù)初測、加深地質(zhì)、定測不同階段多個深孔揭示情況，第三系至白堊系地層巖性、厚度、接觸關(guān)系與區(qū)域資料相符，僅XCDCSZ-3-1深孔揭示下元古界東岔溝組碎裂化大理巖與區(qū)域地質(zhì)資料出入較大，詳見圖4。

圖4 海東南山特長隧道洞身縱斷面示意(西寧盆地段)

根據(jù)氣樣化驗分析CO2氣體成因為無機(jī)成因，大理巖受熱分解產(chǎn)生。根據(jù)鉆探揭示及氣體發(fā)生過程分析，氣體聚集在基底不整合面界面，主控因素為盆地基底構(gòu)造[4]。查明盆地基底構(gòu)造分布特征，就基本查明了高壓氣體分布特征。

2.4 物探方法選擇

根據(jù)XCDCSZ-3-1鉆孔揭示地層及綜合測井資料分析，各巖性的電阻率、縱波波速、自然伽馬均有明顯差異，特別是基底下元古界東岔溝組碎裂化大理巖與蓋層第三系、白堊系砂、礫巖地層電阻率有較明顯的差距(表1)，為綜合地球物理勘探方法選擇提供了基礎(chǔ)條件。

表1 海東南山特長隧道地層物性參數(shù)指標(biāo)(西寧盆地)

依據(jù)TB10012—2007《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄B物探、原位測試方法的適應(yīng)條件及物探布置原則[20]，結(jié)合測區(qū)內(nèi)物性特征及勘探目的，選擇二維地震反射法、音頻大地電磁法兩種物探方法。

二維地震反射法是利用地震波的反射原理，對具有波阻抗差異的地層或構(gòu)造進(jìn)行探測的一種地震勘探方法，簡稱反射波法。常用于探測不同深度的底層界面，適用條件為：被探測地層與相鄰地層有一定的波阻抗差異。

音頻大地電磁法以天然交變電磁場為場源，觀測天然電磁場的時間序列信號，然后將時間序列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻率域數(shù)據(jù)，進(jìn)而計算出每個頻點(diǎn)的電阻率值和相位阻抗。適用條件為：被探測的地質(zhì)體要有足夠的厚度及顯著的電性差異。

兩種方法均能探測異常體，音頻大地電磁法探測的是深部目標(biāo)體電性的體積效應(yīng)，受旁側(cè)電性變化的影響較大，故深部分辨率會降低；二維地震反射法探測的是深部地層幾何界面，分辨率相對較高，兩種方法綜合分析，相互驗證。

3 物探測線布置

物探工作的思路為：以尋找異常體為目的，遵循綜合研究、由已知到未知、由淺入深、循序漸進(jìn)的原則，有序開展勘探、處理、解釋工作[21]。

以定測DK方案發(fā)生高壓氣體段落為1-1′剖面，結(jié)合曹家堡接軌研究的東繞D10K、D11K、D12K方案，西繞C18K方案、ⅡCK方案，合理的在同類地層隧道工程段落布置了2-2′～8-8′物探測線，利用初測、加深地質(zhì)階段音頻大地電磁測線A-A′～B-B′(圖5)，二維地震反射法、音頻大地電磁法兩種物探方法完成的工作量如表2所示。

表2 海東南山特長隧道物探完成工作量統(tǒng)計

圖5 海東南山特長隧道物探測線布置平面示意

4 數(shù)據(jù)采集與處理

4.1 二維地震反射法

4.1.1 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)本區(qū)地形特點(diǎn)、目的層埋深和構(gòu)造發(fā)育情況，為提高記錄信噪比、接收有效反射波，高質(zhì)量完成本次勘探任務(wù)，采用10 m道距、20 m炮距，接收道數(shù)為168道，激發(fā)井深3～5 m，炸藥量1.8～2.4 kg。

采用ARAM.ARIES遙測數(shù)字地震儀，采樣間隔0.5 ms，記錄長度1.5 s，全頻段接收。

4.1.2 數(shù)據(jù)處理

通過研究建立適合本區(qū)的靜校正技術(shù)，對原始資料的每一個有效單炮信息進(jìn)行靜校正量拾取，盡可能地消除地表速度變化對地震資料的影響；注重疊前單炮記錄凈化，在反褶積處理之前盡量將面波、聲波等各種干擾波濾除；選擇地表一致性反褶積方法歸一化地震子波，改善不同記錄道之間波形特征不一致、能量差異過大的現(xiàn)象；資料處理過程中，始終以高分辨率、高信噪比、高保真度“三高”為目標(biāo)展開工作。

采用硬件為HP-XP8600工作站及SUN工作站，軟件為CGG、GRISYS等軟件進(jìn)行處理。

4.2 音頻大地電磁法

4.2.1 數(shù)據(jù)采集

音頻大地電磁法野外布置一般采用“十”字形布極方式，在特殊情況下，因地形等原因，也可采用“T”形或“L”形布極方式。水平探頭一般離測站10 m左右成正交地埋入地下30～40 cm。電極距30 m，點(diǎn)距25 m。

采用V8型多功能電磁系統(tǒng)，采集AMT野外原始數(shù)據(jù)，采用張量觀測方式，采集資料有效頻率范圍為320～0.001 Hz，增加GPS衛(wèi)星時鐘同步測量技術(shù)。

4.2.2 數(shù)據(jù)處理

AMT時間序列文件經(jīng)過傅立葉變換和Robust處理，轉(zhuǎn)換為頻域電阻率和相位文件，然后導(dǎo)入Winglink處理軟件；通過D+處理編輯曲線，提高了數(shù)據(jù)的信噪比和可解釋性；在頻域電阻率和相位斷面圖下，甄別異常的可靠性，對曲線進(jìn)行靜態(tài)校正；對剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行帶地形的二維非線性共軛梯度反演(NLCG)；檢查曲線反演擬合效果，多次編輯曲線，調(diào)整反演參數(shù)，使反演曲線擬合良好，結(jié)果合理，具有地質(zhì)可解釋性。

5 綜合解譯

5.1 標(biāo)準(zhǔn)剖面及解譯標(biāo)志

利用已知深孔資料，調(diào)整炮孔、炮間距、炸藥量等參數(shù)，結(jié)合音頻大地電磁法二維反演資料，建立有多個深孔資料驗證的1-1＇剖面為綜合地球物理勘探標(biāo)準(zhǔn)物探剖面，如圖6所示。

圖6 綜合地球物理勘探標(biāo)準(zhǔn)解譯圖

5.1.1 二維地震反射法標(biāo)準(zhǔn)剖面及解譯標(biāo)志

第三系、白堊系地層產(chǎn)狀平緩、穩(wěn)定，成層狀，有較好連續(xù)可追蹤的反射波；基底下元古界地層與蓋層白堊系為不整合接觸，接觸面非常復(fù)雜，反射波方向不規(guī)則，按平面反射波進(jìn)行CDP疊加，疊加結(jié)果不像平面反射波那樣呈現(xiàn)為較強(qiáng)的連續(xù)可追蹤波形，如圖6(a)所示。

根據(jù)標(biāo)志剖面建立解譯標(biāo)志：具有連續(xù)性較強(qiáng)、能量較強(qiáng)的近水平反射波同相軸，起伏變化微弱的地層可解釋為第三系、白堊系地層；近似水平狀的連續(xù)可追蹤反射波能量減弱、反射波產(chǎn)狀突變、扭曲、不規(guī)則變化的地層可解釋為基底下元古界地層。

5.1.2 音頻大地電磁法標(biāo)準(zhǔn)剖面及解譯標(biāo)志

第三系、白堊系地層反演電阻率相對較低為5～40 Ω·m，覆蓋在下元古界地層之上，為不整合接觸。下元古界地層電阻率較高，反演電阻率大于40 Ω·m，呈現(xiàn)為凸形隆起形態(tài)，如圖6(b)所示。

根據(jù)標(biāo)志剖面建立解譯標(biāo)志：第三系、白堊系地層反演電阻率相對較低，呈不規(guī)則分布于地表，下元古界地層反演電阻率較高，呈凸形不規(guī)則分布于底部。

5.2 其他剖面解譯

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)剖面及解譯標(biāo)志，由已知到未知，推演解譯其他剖面，充分發(fā)揮2種物探方法各自優(yōu)勢，相互驗證。

由2-2＇、3-3＇剖面綜合地球物理勘探解譯圖可知(圖7)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)剖面及解譯標(biāo)志分別對原始資料進(jìn)行解譯并對比發(fā)現(xiàn)，白堊系與下元古界地層界線形態(tài)基本一致，存在局部細(xì)微差距；剖面往東下元古界地層埋深逐漸變深，可探測深度范圍規(guī)模逐漸變小。

5.3 綜合解譯

根據(jù)10條物探剖面中兩種不同物探方法綜合分析，相互驗證，解譯隧道附近有一近東西走向、樞紐東傾的鼻狀隆起構(gòu)造，在兩種物探可探測深度范圍內(nèi)，平面上呈西寬東窄(圖8)，定測線路方案以隧道通過，洞身揭穿基底地層，突發(fā)高壓CO2氣體風(fēng)險極大。線路優(yōu)化方案應(yīng)平面位置完全繞避鼻狀隆起構(gòu)造。

圖7 綜合地球物理勘探綜合解譯

圖8 海東南山特長隧道鼻狀隆起構(gòu)造平面示意

從鼻狀隆起構(gòu)造樞紐縱斷面可看出，其脊線呈中間高兩側(cè)低，具兩側(cè)不對稱的特征，局部具有起伏，即向東埋深越來越大，往西埋深先小后大(圖9)，最淺位置厚度小于200 m。當(dāng)線路方案平面位置無法完成繞避鼻狀隆起構(gòu)造時，應(yīng)盡可能抬高隧道線路高程，保持一定的安全巖柱厚度。

圖9 鼻狀隆起構(gòu)造樞紐縱斷面

6 結(jié)論

(1)根據(jù)已有地質(zhì)資料，以尋找異常體為目的，遵循綜合研究、由已知到未知原則，選擇二維地震反射法、音頻大地電磁法兩種物探方法綜合分析、相互驗證。

(2)充分利用已知深孔資料，調(diào)整炮孔、炮間距、炸藥量等參數(shù)，結(jié)合音頻大地電磁法二維反演資料，建立1-1＇標(biāo)準(zhǔn)物探剖面，解譯其他剖面。查明在隧道附近有一走向近東西、樞紐東傾的鼻狀隆起構(gòu)造。

(3)通過綜合地球物理勘探，可快速、有效、安全查明控制高壓CO2氣體分布的地質(zhì)主控因素，為線路方案的優(yōu)化提供判斷依據(jù)。

(4)本文取得的成果經(jīng)驗在類似的鐵路工程勘察中具有廣泛的推廣意義。

致謝：本文是由西寧至成都鐵路海東南山隧道高壓氣體專項研究課題組、中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司科研課題組(院科19-08)多名作者合作編寫而成。在撰寫過程中得到了鐵一院甘勘院韓永琦教授級高級工程師、李建平教授級高級工程師對物探解譯工作的指導(dǎo)與幫助，鐵一院艾秀峰、高旭、張晶晶、岳凱、宋明輝工程師對圖件進(jìn)行美化編輯，在此一并表示衷心的感謝。