青海西寧-民和盆地二氧化碳?xì)獠匮芯考八淼牢ｋU(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)

艾秀峰

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，陜西 西安 710043)

1 概述

新建西寧至成都鐵路海東南山特長(zhǎng)隧道位于祁連山脈東南部的拉脊山高中山區(qū)，線路北起青海省東北部的西寧盆地，向南穿越拉脊山山脈，至貴德—化隆盆地。隧道進(jìn)口位于青海省化隆縣昂思多鄉(xiāng)尕麻甫村，出口位于青海省平安縣巴藏溝巴家村，隧道總長(zhǎng)25 100 m，最大埋深1150 m[1]。海東南山隧道在定測(cè)勘探過(guò)程中，XCDCSZ-3-1號(hào)深孔鉆探提漿至160 m時(shí)突然噴出不明氣體，攜帶鉆孔泥漿，噴出高度約為5 m，并伴隨強(qiáng)烈的嘯叫聲。噴出氣體無(wú)異常氣味，穩(wěn)定后噴出氣體為淡藍(lán)色(圖1)，至鉆孔封堵完成歷時(shí)11天，未見(jiàn)衰減，后經(jīng)孔口取樣化驗(yàn)，氣體主要成分為CO2。

圖1 高壓氣體持續(xù)井噴Fig.1 Continuous blowout of high pressure gas

分析發(fā)現(xiàn)，鉆探在揭穿上部第三系至侏羅系沉積巖蓋層，揭露基底大理巖古風(fēng)化殼后發(fā)生氣體突出。判斷CO2氣體來(lái)源為基底大理巖分解形成，由于區(qū)域上部蓋層密閉性較好，CO2氣體在古風(fēng)化殼內(nèi)聚集形成高壓。勘察過(guò)程中鉆孔穿透蓋層，導(dǎo)致古風(fēng)化殼與地表連通，形成井噴。

鐵路勘察階段遇CO2井噴在我國(guó)鐵路勘察史上尚屬首次，可供借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)有限。因此，對(duì)西寧—民和盆地的地質(zhì)背景進(jìn)行研究，查明氣體的來(lái)源、空間分布、賦存狀態(tài)、運(yùn)移通道，合理優(yōu)化線路方案，評(píng)價(jià)其對(duì)鐵路隧道工程施工和運(yùn)營(yíng)的影響，是西成鐵路建設(shè)的基礎(chǔ)，具有重要意義。

2 區(qū)域地質(zhì)特征

2.1 盆地基底地質(zhì)特征

研究區(qū)位于我國(guó)西部大地構(gòu)造單元的樞紐地帶，屬秦祁昆復(fù)合造山帶的一部分。發(fā)生高壓CO2氣體突出的中祁連地塊南東側(cè)與拉脊山蛇綠構(gòu)造混雜巖帶和南祁連地塊相毗鄰，南西側(cè)以斷層與西秦嶺印支褶皺帶隔開(kāi)(圖2)。

圖2 研究區(qū)大地構(gòu)造背景圖Fig.2 Geotectonic background map of the study area

中祁連地塊主要為古元古界的湟源群劉家臺(tái)巖組、東岔溝巖組、薊縣系湟中群磨石溝組、青石坡組及克素爾組、高家灣組組成，為一套中—淺變質(zhì)巖系。其中薊縣系多為碳酸鹽巖，湟源群局部含條帶狀大理巖[2](圖3)。碳酸鹽巖、大理巖均可分解生成CO2氣體。

圖3 區(qū)域基底地層巖性特征Fig.3 Lithology characteristics of regional basement strata

西寧—民和盆地主要發(fā)育兩組斷裂，一組為北西向延伸，與主控構(gòu)造一致；另一組為NE向斷裂，與主控構(gòu)造正交或斜交，使基底構(gòu)造格局在南北分帶的基礎(chǔ)上疊加了東西分塊的格局，呈現(xiàn)復(fù)雜的“棋盤(pán)構(gòu)造”樣式，為CO2氣體運(yùn)移、聚集提供了良好的通道。

2.2 盆地儲(chǔ)、蓋層地質(zhì)特征

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)及XCDCSZ-3-1深孔、三合鎮(zhèn)ZK-10號(hào)孔鉆探揭露情況，西寧—民和盆地基底元古界碳酸鹽巖地層，巖體破碎，孔隙率及滲透性均較好，是良好的含氣層。此外，第三系—侏羅系砂礫巖均具有一定的孔隙、裂隙及較好的滲透性，在地下水發(fā)育處，受地層壓力及地?zé)嵊绊?，CO2可大量溶解于地下水中，以水溶離子相及水溶氣相賦存。地下水不發(fā)育段則CO2直接存儲(chǔ)于巖體孔隙及裂隙中。因此第三系—侏羅系砂礫巖具有儲(chǔ)集層特征，如有斷層構(gòu)造與下部碳酸鹽巖含氣層聯(lián)通，該砂礫巖地層局部可含氣。

盆地上部覆蓋的第三系至侏羅系沉積巖，含泥巖、石膏巖，厚度足夠大、連續(xù)性好，且具封堵性強(qiáng)、分布范圍大、穩(wěn)定性好等特征，是天然理想的蓋層結(jié)構(gòu)[3](圖4)。在斷裂構(gòu)造發(fā)育處，斷裂將蓋層切割，CO2或含CO2地下水沿構(gòu)造裂隙上升，在地表出露，就會(huì)發(fā)生CO2活動(dòng)事件。

圖4 鉆探揭示的完整的白堊系泥巖夾砂巖Fig.4 Complete Cretaceous mudstone intercalated with sandstone revealed by drilling hole

3 西寧盆地CO2出露情況

3.1 西寧盆地CO2出露情況

區(qū)域調(diào)查和查閱相關(guān)資料后發(fā)現(xiàn)盆地靠近拉脊山附近出現(xiàn)過(guò)很多與CO2活動(dòng)相關(guān)的事件(圖5)，包括窯街煤礦開(kāi)采CO2突出[4-5]、平安三合鎮(zhèn)地?zé)峋碧浇沂綜O2間歇自噴[6]、本次在下?tīng)I(yíng)附近進(jìn)行的鉆孔揭示含CO2高壓氣體。以及本區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)的三合鎮(zhèn)、上洛麻、老虎溝、沙溝、下堯莊、藥水灘、七里寺含CO2泉水，并且大多出露伴生的鈣華。

圖5 CO2噴(冒)出分布Fig.5 CO2 spray(emission)distribution map(spring in blue，drilling encounter in red)1—第四系 2—新近系中新統(tǒng) 3—古近系漸新統(tǒng) 4—古近系始新統(tǒng) 5—古近系古新統(tǒng) 6—上白堊統(tǒng) 7—下白堊統(tǒng) 8—下奧陶統(tǒng) 9—下寒武統(tǒng) 10—下震旦統(tǒng) 11—古元古界 12—閃長(zhǎng)巖 13—線路方案 14—鼻狀隆起構(gòu)造 15—含CO2泉 16—鉆井揭示CO2 17—鉆孔及編號(hào)

從地理位置上看，CO2活動(dòng)相關(guān)的事件出露于湟水河以南，拉脊山以北，田家寨以東，下?tīng)I(yíng)藏族鄉(xiāng)以西的廣大范圍內(nèi)，說(shuō)明西寧—民和盆地地層中普遍含CO2，氣體來(lái)源一致，都是來(lái)自深部殼源，并通過(guò)深大斷裂泄露到淺層成藏[7-9]。

CO2泉及伴生鈣華主要出露于幾條大型沖溝邊緣地帶，從規(guī)模上看，上洛麻—田家寨大，下堯莊、三合鎮(zhèn)和冰嶺山規(guī)模中等，老虎溝較小，沙溝很小，石溝沿非常小。出露的CO2泉西側(cè)規(guī)模明顯大于東側(cè)，靠近拉脊山(南部)的規(guī)模大于遠(yuǎn)離拉脊山(北部)的規(guī)模，反映了由補(bǔ)給區(qū)往排泄區(qū)CO2的減小趨勢(shì)[10]。

3.2 西寧盆地CO2出露機(jī)制

盆地內(nèi)冰嶺山、堯莊村、上洛麻村、馬場(chǎng)溝等地發(fā)現(xiàn)的CO2泉基本都出露于沖溝的白堊系砂礫巖地層中，并且附近都有斷層。這主要是因?yàn)榘讏紫瞪暗[巖地層為區(qū)域性儲(chǔ)層，CO2通過(guò)深大斷裂自底部基底運(yùn)移到砂礫巖裂隙、孔隙中與水混合，以水溶離子相、水溶氣相、連續(xù)氣相形式賦存。其中水溶離子相、水溶氣相為CO2溶解于水中或以HCO3-形式隨地下水一起運(yùn)移。當(dāng)含氣層被沖溝或斷裂切割，壓力降低，水中HCO3-及溶解的CO2，就從水中游離出來(lái)呈氣相存在，就形成了含CO2泉[11]。區(qū)域調(diào)查發(fā)現(xiàn)的含CO2泉水及伴生出露的鈣華就是富含HCO3-的地下水與碳酸鹽圍巖進(jìn)行能量與物質(zhì)交換的結(jié)果(圖6)。

圖6 下堯莊CO2礦泉Fig.6 CO2 mineral spring of Xiayaozhuang

在盆地東部白堊系地層被第三系泥質(zhì)巖、石膏巖地層覆蓋，第三系地層具厚度大、連續(xù)性好、封堵性強(qiáng)的特點(diǎn)。CO2被封蓋在第三系地層之下，容易在此區(qū)域聚集形成高壓，加之該區(qū)域存在古隆起構(gòu)造，基底大理巖地層埋深較淺，因此在鉆探或采煤過(guò)程揭示到底部積聚的高壓CO2氣體儲(chǔ)層時(shí)就會(huì)發(fā)生井噴(高壓水或/氣)(圖7)。本次XCDCSZ-3-1號(hào)孔和20世紀(jì)80年代在紅土莊勘探鉆遇的高壓水氣井是最好的證據(jù)。

圖7 典型CO2運(yùn)移成藏模式Fig.7 Typical CO2 migration and accumulation model

4 噴(冒)出CO2氣體研究

4.1 噴(冒)出氣體成分研究

為研究噴出氣體成分，本次勘察采用國(guó)際通用的“預(yù)真空采樣法”，采集XCDCSZ-3-1深孔噴出氣體樣本進(jìn)行色譜分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，氣體主要成分為CO2、O2、N2，由于樣品采集于孔口，采集過(guò)程中會(huì)混入一定量的空氣，扣除O2，歸一化處理后，CO2氣體含量占總量的51.96%～69.10%，因此判定為CO2氣體突出(表1)。

表1 XCDCSZ-3-1氣體歸一化處理后成分Table 1 List of components of XCDCSZ-3-1 gas after normalization treatment

在含氣的泉處，采用排水法收集水氣樣進(jìn)行分析。氣體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，可以看到，除了上洛麻，氣體組分CO2超過(guò)90%。上洛麻CO2氣體比例為65.82%，主要原因是該泉處于斷層帶上，垂直裂隙發(fā)育，CO2上升過(guò)程中在淺表與大氣發(fā)生對(duì)流混合作用，混入部分空氣，使樣品中CO2占比下降。

表2 含氣泉水的氣體成分測(cè)試Table 2 Gas composition test of spring water

氣體成分測(cè)試結(jié)果表明，西寧—民和盆地噴(冒)出的氣體組成基本一致，主要成分均為CO2，占比一般超過(guò)90%，除三合鎮(zhèn)、上洛麻、沙溝及下堯莊處檢測(cè)出少量H2S外，未見(jiàn)煤系地層常見(jiàn)的CH4等烷烴類(lèi)有害氣體。

4.2 噴(冒)出氣體來(lái)源分析

自然界CO2氣體來(lái)源可分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩類(lèi)[12]。為了判斷整個(gè)西寧—民和盆地區(qū)域內(nèi)的CO2是否具有同源性，根據(jù)戴金星等[13]提出的判識(shí)CO2成因的穩(wěn)定碳同位素組成標(biāo)準(zhǔn)(表3)，對(duì)XCDCSZ-3-1深孔噴出及泉水冒出的氣體取樣進(jìn)行碳同位素測(cè)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表4)表明，區(qū)域內(nèi)CO2氣體碳同位素(δ13CCO2)值為-3.1‰～-0.4‰，基本介于-3.0‰～3.0‰之間。判定域內(nèi)CO2氣體為碳酸鹽巖變質(zhì)形成。

表3 碳同位素判識(shí)CO2成因標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Standard of carbon isotope identification for CO2 genesis

表4 西寧—民和盆地二氧化碳碳同位素測(cè)試結(jié)果Table 4 Analysis data of carbon isotope of carbon dioxide in Xining-Minhe Basin

氣體成分及碳同位素實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明西寧—民和盆地內(nèi)CO2來(lái)源是完全一致的，屬無(wú)機(jī)成因，為基底深部碳酸鹽、大理巖變質(zhì)分解形成，化學(xué)反應(yīng)式如下：

5 研究方案危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)

5.1 地表通量測(cè)試

本階段經(jīng)綜合比選，共研究三條越嶺隧道方案，分別為經(jīng)田家寨方案、經(jīng)古城方案及經(jīng)高店方案。為了進(jìn)一步查明研究區(qū)內(nèi)CO2的情況，為各方案氣體影響評(píng)價(jià)提供支持，現(xiàn)場(chǎng)利用便攜式紅外線二氧化碳測(cè)試儀，對(duì)地表一定深度內(nèi)的鉆孔(約1 m)，采用密閉氣室法，即利用逸出氣體的累計(jì)濃度隨時(shí)間的變化測(cè)定氣體釋放通量的一種方法，記錄不同時(shí)間鉆孔內(nèi)CO2濃度數(shù)據(jù)。

根據(jù)區(qū)域CO2“生、儲(chǔ)、運(yùn)、藏、蓋”特點(diǎn)及研究方案分布，地表通量測(cè)試測(cè)點(diǎn)一般按照以下幾個(gè)原則布置：①斷層出露區(qū)域；②溝谷切穿地層區(qū)域或是泉點(diǎn)附近；③特殊構(gòu)造區(qū)域，比如背斜核部；④地層巖性變化區(qū)域；⑤鐵路選線附近；⑥滑坡體附近。

獲得數(shù)據(jù)后，根據(jù)通量定義可得計(jì)算公式(1)：

(1)

式中：f為CO2通量；Xt是某一時(shí)刻CO2的體積分?jǐn)?shù)；ρCO2為測(cè)量溫壓條件下CO2的密度；V為集氣裝置總體積；S為土壤與集氣裝置之間能夠流通CO2的面積；t為測(cè)試時(shí)刻。

各方案地表通量測(cè)試異常點(diǎn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 地表通量測(cè)試異常點(diǎn)位測(cè)試結(jié)果Table 5 List of surface flux testing data in abnormal points

5.2 各方案危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)

根據(jù)地表通量測(cè)試異常點(diǎn)位分布特征，結(jié)合區(qū)域地層情況、斷層分布特征、CO2氣泉分布特征及區(qū)域氣體“生、儲(chǔ)、運(yùn)、藏、蓋”規(guī)律，對(duì)擬研究的三個(gè)方案進(jìn)行危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)(圖8)，指導(dǎo)后續(xù)勘察工作有針對(duì)性的進(jìn)行，具體結(jié)果如下：

1) 經(jīng)田家寨方案(圖8a)：該路線附近可以劃為3個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)TJ-1主要特征是靠近斷層附近，并且噴出巖已經(jīng)出露地表，巖層近乎直立，該區(qū)垂直構(gòu)造裂隙發(fā)育，為CO2的泄露提供了通道，該區(qū)沒(méi)有明顯的蓋層，CO2可能主要以水溶氣的形成存在，聚集形成高壓的可能性較??；高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)TJ-2主要特征是靠近斷層，在地表已形成CO2泉，規(guī)模大，并且CO2氣體中含有相當(dāng)比例的空氣，證明下部的連通性很好，CO2可能主要以水溶氣的形成，并有一定規(guī)模的氣體聚集，但難于形成高壓；高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)TJ-3為斷層侵沒(méi)區(qū)，具備蓋層—儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)，CO2容易聚集形成高壓氣體。

2)經(jīng)古城方案(圖8b)：該路線附近可以劃為3個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)GC-1主要特征是地表已發(fā)現(xiàn)含有CO2的泉水，但泉水中的CO2氣泡量非常小，可能是由于此處的CO2來(lái)源于水溶氣，并且遷移距離較遠(yuǎn)所致，此區(qū)主要以水溶氣為主，較難形成高壓氣體；高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)GC-2距沙溝CO2泉直線距離3 km，此區(qū)可能存在水溶氣；高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)GC-3靠近拉脊山北緣斷層帶，有氣體運(yùn)移通道，但上部地層為砂巖、礫巖，封蓋條件差，此區(qū)域可能存在水溶氣，但形成高壓氣體的概率較小。

3)高店路線(圖8c)：該路線附近可以劃為5個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)GD-1和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)GD-2靠近斷層附近，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)GD-2的南部存在高壓氣體的可能性較高；高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)GD-3靠近隱伏斷裂先鋒斷裂帶上，該處以斷層形成單斜構(gòu)造，基底埋深約900 m，存在高壓氣體的可能性非常高；高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)GD-4已經(jīng)確定為背斜高壓聚集區(qū)，地表通量測(cè)試也證明此區(qū)存在高CO2通量；高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)GD-5靠近拉脊山北緣大斷裂，并且處于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)GD-4的背斜影響區(qū)域，滿足高壓氣體聚集的基本條件。

圖8 CO2氣體危險(xiǎn)性分區(qū)Fig.8 CO2 gas risk zoning(a)田家寨方案 (b)古城方案 (c)高店方案1—第四系全新統(tǒng) 2—第四系上—中新統(tǒng) 3—新近系上新統(tǒng) 4—新近系中新統(tǒng) 5—古近系 6—下白堊統(tǒng) 7—寒武系 8—侵入閃長(zhǎng)巖 9—斷層 10—推測(cè)斷層 11—通量測(cè)試異常點(diǎn) 12—含CO2泉出露點(diǎn) 13—遇CO2鉆孔 14—線路方案 15—高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)及編號(hào)

5.3 CO2氣體應(yīng)對(duì)原則

擬研究的3個(gè)越嶺隧道方案，經(jīng)古城方案遇高壓氣體的可能較經(jīng)田家寨方案、經(jīng)高店方案小，但仍不能完全排除可能，且有較大的概率存在CO2水溶氣。在隧道施工階段，一旦發(fā)生CO2突出事件，高壓氣體噴出過(guò)程中會(huì)在掌子面附近引起強(qiáng)烈的溫度下降，CO2濃度急劇升高，還可能攜帶破碎巖體，威脅人員及機(jī)具安全。含水氣地層中，由于CO2使水酸化，會(huì)腐蝕水泥混凝土襯砌。因此需采取相應(yīng)措施，確保工程安全。

1)隧道在選線階段應(yīng)避免與斷層、褶皺構(gòu)造直接相交[14]，尤其是貫通沉積基底的深大構(gòu)造。勘察階段應(yīng)利用綜合勘察手段加強(qiáng)探察，尤其是已劃分的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，查明地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水發(fā)育情況及基底地層與線路空間關(guān)系，隧道應(yīng)盡量遠(yuǎn)離基底大理巖地層，并留足安全厚度；

2)在隧道施工階段，應(yīng)加強(qiáng)勘察期間判定的高風(fēng)險(xiǎn)段落的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，必要時(shí)應(yīng)采取高壓預(yù)注漿加固圍巖，封堵孔隙。對(duì)隧道內(nèi)CO2氣體濃度監(jiān)測(cè)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究，建立防突監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，特別注意在揭穿斷層時(shí)可能會(huì)發(fā)生CO2突出事件。加強(qiáng)隧道內(nèi)通風(fēng)，避免CO2氣體匯集，造成人員窒息。注意掌子面附近儀器設(shè)備的保護(hù)，避免結(jié)冰損壞儀器設(shè)備。在含水氣地層中，由于CO2使水酸化，會(huì)腐蝕水泥襯砌，因此隧道外圍需使用抗CO2的水泥[15-17]；

3)隧道運(yùn)營(yíng)階段，應(yīng)建立隧道長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、運(yùn)營(yíng)通風(fēng)系統(tǒng)，必要時(shí)進(jìn)行地層長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，確保運(yùn)營(yíng)安全。

6 結(jié)論

本文在分析區(qū)域資料的基礎(chǔ)上，通過(guò)地表調(diào)查、鉆探、室內(nèi)試驗(yàn)、淺表通量測(cè)試的方法分析盆地CO2氣體的賦存、運(yùn)移規(guī)律、劃分CO2氣體危險(xiǎn)性分區(qū)，得到結(jié)論如下：

1)西寧—民和盆地湟水以南區(qū)域地層中普遍含氣，主要成分為CO2，占比一般超過(guò)90%。主要以含CO2泉的形式出露，部分區(qū)域CO2在地下聚集易形成高壓，工程通過(guò)會(huì)造成CO2氣體突出，威脅工程安全。

2)西寧—民和盆地CO2氣體碳同位素測(cè)定值為-3.1‰～-0.4‰，為基底中祁連地塊碳酸鹽、大理巖分解而成，屬無(wú)機(jī)成因。盆地內(nèi)CO2以水溶離子相、水溶氣相、連續(xù)氣相形式賦存于基底及上覆砂礫巖地層中，通過(guò)斷裂運(yùn)移。

3)揭露CO2氣體會(huì)對(duì)隧道工程造成極大的安全隱患，通過(guò)研究區(qū)域CO2氣體生產(chǎn)、賦存、運(yùn)移特點(diǎn)，進(jìn)行危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)，在勘察、施工階段有針對(duì)性的采取應(yīng)對(duì)措施可有效確保工程安全。