構造復雜區非煤地層隧道有害氣體成因機制及運移模式

蘇培東，曹津銘，舒鴻燚,杜宇本,陳浩棟

(1.西南石油大學 地球科學與技術學院，四川 成都 610500；2.中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610036)

隨著全國公路、鐵路業的發展，諸多隧道在穿越非煤地層時相繼遇到有害氣體突出、燃燒和爆炸等問題，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時發生囊狀高壓氣體爆突事故，查明非煤地層隧道內有害氣體成因機制成為紅豆山隧道施工階段亟待解決的問題[5-6]。

相較于煤層瓦斯隧道來說[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隧道施工安全危害程度較大。目前，國內外學者在非煤地層隧道有害氣體成因機制研究方面取得了一定成果：KANG Xiaobing[10]等對大量非煤地層瓦斯隧道進行了研究，總結了隧道內瓦斯涌出具有隨機不均勻分布特征，認為非煤地層瓦斯隧道主要有構造連通型、圍巖變質型及復合型；張雨露等[11]分析了泛亞鐵路廣通4號隧道地質資料，得到了隧道內高濃度有害氣體的運移模式：基底張性斷裂切穿了震旦系地層，使深部有害氣體沿斷裂帶運移至褶皺區富集；陳其學等[12]以鷓鴣山隧道為例，探討了非煤地層隧道內瓦斯的形成機理及涌出原因；蘇培東等[13-14]將穿越龍泉山含油氣構造的隧道進行對比分析，歸納了影響淺層天然氣賦存、運移的主控因素，提出了非煤地層中淺層天然氣的運移模式。

此外，一些學者從構造角度出發提出，非煤地層隧道內有害氣體受各種斷裂構造的影響十分顯著，根據構造在有害氣體形成過程中不同的表現可以大致分為成氣構造、儲氣構造、蓋氣構造、疏氣構造[15-16]。對于幔源有害氣體來說，斷裂構造可以作為向淺部運移的通道，即疏氣構造；對于殼源有害氣體，斷裂對其生成、運聚、封蓋均有影響。同時，在進一步優化儲層的儲滲性能和蓋層的封閉性能方面，斷裂構造也有著不可忽視的作用。

通過以往研究成果可以看出，對于構造復雜區非煤地層隧道有害氣體來說，其成因往往為多種成因類型組成的混合成因，如果單從地質角度出發，對有害氣體成因做定性分析，就顯得不全面且難具說服力。

本文以紅豆山隧道出現有害氣體為切入點，采用地質學與地球化學相結合的研究思路，基于隧址區地質環境特征分析，通過現場檢測、室內氣體組分分析及同位素試驗等方法，對有害氣體的成因機制進行研究，進而提出有害氣體運移模式，以期能降低有害氣體對隧道施工帶來的威脅，并為非煤地層隧道有害氣體的防治及預測提供參考。

1 隧道地質環境

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，全長10 616 m，是大臨鐵路全線控制性工程。隧址區地形起伏大，溝谷深切，屬高中山剝蝕、侵蝕地貌，地面高程1 180～2 331 m，相對高差1 151 m；隧道最大埋深達1 020 m，最大水平主應力為23.97 MPa。斜坡坡麓地段覆土較薄，基巖多裸露，山頂臺地及寬緩溝槽內覆土較厚，植被發育。

1.2 隧址區地質條件

區域構造上，隧道位于印度板塊與歐亞板塊碰撞帶東南部，區內新構造運動十分強烈，發育了諸多深大活動斷裂，沿斷裂帶強震和巖漿侵入現象也頗為頻繁。而瀾滄江斷裂與南汀河斷裂作為隧址區主控斷裂，在第四紀以來活動較為強烈，表現出明顯的垂直差異運動及水平滑移運動，對區內變質作用、巖漿活動及水熱活動等造成了極大影響，使得隧址區花崗巖內出露多處溫泉，最高水溫可達77 ℃。

總之，隧址區地質條件十分復雜，主要特征表現為高地熱、高地應力，以及頻繁的巖漿活動、活躍的地熱水環境等。

2 隧址區有害氣體檢測

2.1 現場測試

紅豆山隧道1#斜井發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，采用便攜式泵吸測試設備在超前鉆孔施工前后對超前探孔內及掌子面附近空氣環境中(尤其是拱腳處)CO2，H2S，SO2，CH4，CO，NO2，NH3，O2，H2和Cl2進行檢測。

據87 d實時監測數據表明，隧道內主要有害氣體為CO2和H2S，未檢測到NO2和NH3等，CO2和H2S的具體監測情況分別如圖1和圖2所示。

圖1 隧道內CO2監測圖

圖2 隧道內H2S監測圖

圖中：有害氣體安全限值為TB 10204—2002《鐵路隧道施工規范》規定的限值。從圖1和圖2可以看出：超前鉆孔內CO2，H2S長期處于超標狀態，其中CO2體積分數更是超過了儀器最大量程，導致儀器直接報警，而掌子面處有害氣體體積分數卻一直處于安全狀態，這與掌子面空氣環境中風速一直保持在0.8～3.0 m·s-1密切相關；反過來也說明通風對稀釋有害氣體有顯著影響，建議隧道施工時應加強通風，確保施工時空氣環境中有害氣體體積分數處于安全限值以下。

2.2 室內試驗

為進一步確定隧道內有害氣體組分和具體成分，采用“預真空采樣法”在隧道不同位置的超前鉆孔終孔時及隧址區出露的溫泉中利用雙閥鋁覆膜密封氣袋各采集6組氣樣用于室內試驗，其中每個測點采集2組氣樣，取樣間隔時間為15 min。

基于現場檢測結果，室內試驗時采用氣相色譜儀(Agilent 3000A)對12組氣樣進行了組分及體積分數分析，室內試驗儀器如圖3所示，分析結果見表1和表2。從表1和表2可以看出：超前鉆孔內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CO2的體積分數達到了88.53%，遠超正常值，H2S體積分數相較于安全值來說增加了7～61倍。

圖3 室內試驗儀器

表1 超前鉆孔內有害氣體組分及體積分數分析結果

表2 隧址區溫泉內有害氣體組分及體積分數分析結果

2.3 數據分析

通過現場測試和室內試驗結果，確定了紅豆山隧道內有害氣體主要為高濃度CO2及H2S。室內試驗與現場測試均未檢測到SO2氣體，說明有害氣體來源于深部熱儲且向上運移過程中未在淺部熱儲中停留。同時，對比表1、表2中N2和O2數據可以發現：超前鉆孔內N2和O2體積分數明顯低于溫泉內氣體，這是由于溫泉內氣樣采集環境為暴露于空氣中的狀態，在氣樣采集過程中混入了一定量的空氣。

3 隧址區斷裂構造特征及影響

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，區內地質構造復雜，褶皺較多，深大斷裂發育。隧道區域內從東向西(即從隧道進口到出口)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10 m，為有害氣體的運聚提供了良好的通道和賦存空間，屬儲氣斷層。受斷層影響，在DK115+320—DK117+620段因動力變質作用形成了以花崗質糜棱巖為主的韌性剪切帶，該段巖體完整性相對較好，不利于有害氣體聚集。

關口平移斷層沿N10°E方向延伸，傾向NW，斷層較陡，屬左移型壓扭性斷裂，斷層帶內巖石具有片理化、糜棱化特征。由于該斷層表現出強烈壓扭性特征，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邊緣，總體走向N50°E，傾向SE，斷層傾角約為56°，該斷裂帶經歷了多期構造活動，發育了數十至上百米的斷層破碎帶。深地震反射剖面研究結果表明[17]，南汀河斷裂西支是由多個斷層組成的走滑斷裂帶，其運動方式以左旋水平運動為主且第四紀晚期活動明顯；同時，在其下方存在1個切穿地殼且能溝通上地幔的深大斷裂。綜上，南汀河斷裂西支對于幔源氣體來說，其不僅能為氣體運移提供通道，還能改良地層的儲集和封蓋性能。

4 有害氣體成因機制及運移模式

4.1 有害氣體成因分類

在地殼表層沉積圈流體中CO2的成因分為無機和有機2種[18]。有機成因的CO2與有機物氧化、有機物微生物熱降解、有機物熱裂解、有機物熱降解等地質化學作用有著緊密的聯系。無機成因的CO2是無機礦物或元素在各類化學作用中形成的，又分為巖漿—幔源成因和變質成因。自然界中的H2S成因總得來說可以分為3個大類[19]：生物成因、熱化學成因、幔源巖漿成因。生物成因的H2S是微生物通過還原作用分解含硫有機質而形成；熱化學成因H2S主要為含硫有機化合物的熱化學分解、還原過程；幔源巖漿型的H2S來源于巖漿活動產生的揮發份。

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程中會析出溶解于其中的CO2和H2S等幔源氣體，與此同時碳酸鹽巖在高溫條件下會發生接觸變質作用釋放出CO2。對于南汀河斷裂西支來說，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移至淺地表中聚集(圖5)，所以其可作為幔源氣體運移的控制性斷裂。

就生物、熱化學成因的H2S而言，其嚴苛的形成條件在隧址區地層中難以得到滿足，而區內強烈的巖漿活動過程中能產生較多硫化氫揮發份，為H2S的形成提供了物質基礎。同時，由于隧道埋深大，處于還原環境中，為H2S的賦存提供了有利地質條件。

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還為有害氣體的運移提供了有利通道。因此，可以初步判定紅豆山隧道內CO2和H2S為巖漿—幔源及變質混合成因。

圖5 南汀河斷裂西支有害氣體運移模式

4.3 定量分析

針對于CO2的成因問題，國內外學者在地球化學方面做了大量研究，戴金星[20]在對比分析了來自國內212個及澳大利亞、泰國、新西蘭等國家的100多個CO2樣品的基礎上，提出了CO2體積分數及其碳同位素綜合鑒別法，并編制了CO2有機與無機成因判別圖，如圖6所示。圖中δ13CCO2PDB為CO2的穩定碳同位素的國際標準。

圖6 CO2有機與無機成因判別圖

根據判別圖和室內試驗時的CO2分析結果可以看出，紅豆山隧道內高濃度CO2僅有1種成因，即無機成因。

為進一步區分巖漿—幔源成因與變質成因的CO2，戴金星等[21]通過整理有關δ13CCO2研究數據，歸納出變質成因CO2的δ13CCO2值大多為0±3‰，巖漿—幔源成因CO2的δ13CCO2值為-6‰±2‰。室內試驗時氣樣中CO2的同位素測試結果見表3。從表3可以看出：紅豆山隧道內CO2氣體的δ13CCO2值分為2個區間，其中-0.3‰～-3.0‰對應的是變質成因類型，-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—幔源及變質混合成因。

表3 氣樣CO2同位素測試結果

4.4 成因機制及運移模式

隧道內有害氣體主要為幔源—巖漿及變質成因氣，這些氣體沿著斷裂帶向上遷移的過程中，一部分由地下水的深循環帶到淺地表環境，最終逸散到大氣中；而另一部分，通過斷裂破碎帶運移到花崗巖內囊袋狀、狹長狀儲集空間中[22]，富集形成規模不等的高壓氣囊。在隧道穿越儲集區時，由于地應力得到釋放，導致有害氣體在高壓下爆突涌入隧道，給隧道施工造成嚴重威脅。紅豆山隧道有害氣體的運移模式如圖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，溶解于其中的CO2因溫度、壓力的變化逐漸析出，沿斷裂向上遷移；(2)未發生巖漿侵入時，已脫離巖漿的CO2能通過南汀河斷裂西支直接運移至淺部儲集。

變質成因CO2與碳酸鹽巖在高溫環境下發生分解密切相關，其化學反應式如下。

斷裂構造可為碳酸鹽巖熱變質作用提供2類熱源，第1類熱源是深部熱流體通過構造通道與圍巖發生接觸變質作用：隧址區深大斷裂可作為高溫流體侵位活動的有效通道，在熱流體自身的熱能烘烤下，使碳酸鹽巖分解產生CO2；第2類熱源是隧址區壓扭性構造所產生的增溫效應會使得圍巖發生動力變質作用從而釋放CO2。

圖7 紅豆山隧道有害氣體運移模式

5 結 論

(1)通過現場監測及室內試驗分析，確定紅豆山隧道內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移通道，主要賦存于花崗巖風化體及斷裂破碎帶內，局部易形成高壓氣囊。

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

(3)對于構造復雜區非煤隧道來說，有害氣體逸出方式因囊狀富集、沿構造裂隙運移的特征而出現局部短時大量涌出，對隧道施工造成極大的安全隱患。建議在隧道施工階段加強有害氣體超前地質預報工作，探明有害氣體賦存情況，提出相應防范措施，保證施工安全。