构造复杂区非煤地层隧道有害气体成因机制及运移模式

苏培东，曹津铭，舒鸿燚,杜宇本,陈浩栋

(1.西南石油大学 地球科学与技术学院，四川 成都 610500；2.中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610036)

随着全国公路、铁路业的发展，诸多隧道在穿越非煤地层时相继遇到有害气体突出、燃烧和爆炸等问题，如成兰铁路跃龙门隧道[1]、兰渝铁路玄真观隧道[2]、汶马高速公路鹧鸪山隧道[3]、拉林铁路米林隧道[4]等。2017年6月，地处云贵高原的大(理)临(沧)铁路红豆山隧道在施工穿越花岗岩区时发生囊状高压气体爆突事故，查明非煤地层隧道内有害气体成因机制成为红豆山隧道施工阶段亟待解决的问题[5-6]。

相较于煤层瓦斯隧道来说[7-9]，非煤地层隧道有害气体赋存条件和逸出方式的不确定性对隧道施工安全危害程度较大。目前，国内外学者在非煤地层隧道有害气体成因机制研究方面取得了一定成果：KANG Xiaobing[10]等对大量非煤地层瓦斯隧道进行了研究，总结了隧道内瓦斯涌出具有随机不均匀分布特征，认为非煤地层瓦斯隧道主要有构造连通型、围岩变质型及复合型；张雨露等[11]分析了泛亚铁路广通4号隧道地质资料，得到了隧道内高浓度有害气体的运移模式：基底张性断裂切穿了震旦系地层，使深部有害气体沿断裂带运移至褶皱区富集；陈其学等[12]以鹧鸪山隧道为例，探讨了非煤地层隧道内瓦斯的形成机理及涌出原因；苏培东等[13-14]将穿越龙泉山含油气构造的隧道进行对比分析，归纳了影响浅层天然气赋存、运移的主控因素，提出了非煤地层中浅层天然气的运移模式。

此外，一些学者从构造角度出发提出，非煤地层隧道内有害气体受各种断裂构造的影响十分显著，根据构造在有害气体形成过程中不同的表现可以大致分为成气构造、储气构造、盖气构造、疏气构造[15-16]。对于幔源有害气体来说，断裂构造可以作为向浅部运移的通道，即疏气构造；对于壳源有害气体，断裂对其生成、运聚、封盖均有影响。同时，在进一步优化储层的储渗性能和盖层的封闭性能方面，断裂构造也有着不可忽视的作用。

通过以往研究成果可以看出，对于构造复杂区非煤地层隧道有害气体来说，其成因往往为多种成因类型组成的混合成因，如果单从地质角度出发，对有害气体成因做定性分析，就显得不全面且难具说服力。

本文以红豆山隧道出现有害气体为切入点，采用地质学与地球化学相结合的研究思路，基于隧址区地质环境特征分析，通过现场检测、室内气体组分分析及同位素试验等方法，对有害气体的成因机制进行研究，进而提出有害气体运移模式，以期能降低有害气体对隧道施工带来的威胁，并为非煤地层隧道有害气体的防治及预测提供参考。

1 隧道地质环境

1.1 工程概况

红豆山隧道位于云南省临沧市凤庆县及云县境内，全长10 616 m，是大临铁路全线控制性工程。隧址区地形起伏大，沟谷深切，属高中山剥蚀、侵蚀地貌，地面高程1 180～2 331 m，相对高差1 151 m；隧道最大埋深达1 020 m，最大水平主应力为23.97 MPa。斜坡坡麓地段覆土较薄，基岩多裸露，山顶台地及宽缓沟槽内覆土较厚，植被发育。

1.2 隧址区地质条件

区域构造上，隧道位于印度板块与欧亚板块碰撞带东南部，区内新构造运动十分强烈，发育了诸多深大活动断裂，沿断裂带强震和岩浆侵入现象也颇为频繁。而澜沧江断裂与南汀河断裂作为隧址区主控断裂，在第四纪以来活动较为强烈，表现出明显的垂直差异运动及水平滑移运动，对区内变质作用、岩浆活动及水热活动等造成了极大影响，使得隧址区花岗岩内出露多处温泉，最高水温可达77 ℃。

总之，隧址区地质条件十分复杂，主要特征表现为高地热、高地应力，以及频繁的岩浆活动、活跃的地热水环境等。

2 隧址区有害气体检测

2.1 现场测试

红豆山隧道1#斜井发生有害气体爆突事故后，为掌握有害气体的类型、浓度等特征，采用便携式泵吸测试设备在超前钻孔施工前后对超前探孔内及掌子面附近空气环境中(尤其是拱脚处)CO2，H2S，SO2，CH4，CO，NO2，NH3，O2，H2和Cl2进行检测。

据87 d实时监测数据表明，隧道内主要有害气体为CO2和H2S，未检测到NO2和NH3等，CO2和H2S的具体监测情况分别如图1和图2所示。

图1 隧道内CO2监测图

图2 隧道内H2S监测图

图中：有害气体安全限值为TB 10204—2002《铁路隧道施工规范》规定的限值。从图1和图2可以看出：超前钻孔内CO2，H2S长期处于超标状态，其中CO2体积分数更是超过了仪器最大量程，导致仪器直接报警，而掌子面处有害气体体积分数却一直处于安全状态，这与掌子面空气环境中风速一直保持在0.8～3.0 m·s-1密切相关；反过来也说明通风对稀释有害气体有显著影响，建议隧道施工时应加强通风，确保施工时空气环境中有害气体体积分数处于安全限值以下。

2.2 室内试验

为进一步确定隧道内有害气体组分和具体成分，采用“预真空采样法”在隧道不同位置的超前钻孔终孔时及隧址区出露的温泉中利用双阀铝覆膜密封气袋各采集6组气样用于室内试验，其中每个测点采集2组气样，取样间隔时间为15 min。

基于现场检测结果，室内试验时采用气相色谱仪(Agilent 3000A)对12组气样进行了组分及体积分数分析，室内试验仪器如图3所示，分析结果见表1和表2。从表1和表2可以看出：超前钻孔内气样与温泉中气样的有害气体组分以CO2，N2，O2和H2S为主；与空气中0.03%的CO2相比，超前钻孔内CO2的体积分数达到了88.53%，远超正常值，H2S体积分数相较于安全值来说增加了7～61倍。

图3 室内试验仪器

表1 超前钻孔内有害气体组分及体积分数分析结果

表2 隧址区温泉内有害气体组分及体积分数分析结果

2.3 数据分析

通过现场测试和室内试验结果，确定了红豆山隧道内有害气体主要为高浓度CO2及H2S。室内试验与现场测试均未检测到SO2气体，说明有害气体来源于深部热储且向上运移过程中未在浅部热储中停留。同时，对比表1、表2中N2和O2数据可以发现：超前钻孔内N2和O2体积分数明显低于温泉内气体，这是由于温泉内气样采集环境为暴露于空气中的状态，在气样采集过程中混入了一定量的空气。

3 隧址区断裂构造特征及影响

红豆山隧道位于晚更新世澜沧江深大断裂与全新世南汀河西支断裂挟持地带，区内地质构造复杂，褶皱较多，深大断裂发育。隧道区域内从东向西(即从隧道进口到出口)依次分布有龚家断层(DK115+250—DK115+307)、星源断层(DK117+622—DK117+844)、关口断层(DK120+163—DK120+665)、冬瓜村断层及南汀河断裂西支。主要断层分布如图4所示。

图4 隧址区断层分布图

龚家断层走向近于NE向，倾向NW，断层倾角较陡，物探显示断层带宽约20 m；星源断层走向近于EW向，倾向N，断层倾角较陡，物探显示断层带宽约220 m。这2条断层均为张性正断层且断层带宽数10 m，为有害气体的运聚提供了良好的通道和赋存空间，属储气断层。受断层影响，在DK115+320—DK117+620段因动力变质作用形成了以花岗质糜棱岩为主的韧性剪切带，该段岩体完整性相对较好，不利于有害气体聚集。

关口平移断层沿N10°E方向延伸，倾向NW，断层较陡，属左移型压扭性断裂，断层带内岩石具有片理化、糜棱化特征。由于该断层表现出强烈压扭性特征，虽不利于有害气体的迁移，但具有较好的封盖性能，属于盖气断裂。

南汀河断裂西支位于云南盆地西侧边缘，总体走向N50°E，倾向SE，断层倾角约为56°，该断裂带经历了多期构造活动，发育了数十至上百米的断层破碎带。深地震反射剖面研究结果表明[17]，南汀河断裂西支是由多个断层组成的走滑断裂带，其运动方式以左旋水平运动为主且第四纪晚期活动明显；同时，在其下方存在1个切穿地壳且能沟通上地幔的深大断裂。综上，南汀河断裂西支对于幔源气体来说，其不仅能为气体运移提供通道，还能改良地层的储集和封盖性能。

4 有害气体成因机制及运移模式

4.1 有害气体成因分类

在地壳表层沉积圈流体中CO2的成因分为无机和有机2种[18]。有机成因的CO2与有机物氧化、有机物微生物热降解、有机物热裂解、有机物热降解等地质化学作用有着紧密的联系。无机成因的CO2是无机矿物或元素在各类化学作用中形成的，又分为岩浆—幔源成因和变质成因。自然界中的H2S成因总得来说可以分为3个大类[19]：生物成因、热化学成因、幔源岩浆成因。生物成因的H2S是微生物通过还原作用分解含硫有机质而形成；热化学成因H2S主要为含硫有机化合物的热化学分解、还原过程；幔源岩浆型的H2S来源于岩浆活动产生的挥发份。

4.2 定性分析

由于羌塘—唐古拉—保山微板块煌华南陆块的碰撞，在压力、温度迅速增高的条件下，使得部分陆壳熔融并沿着澜沧江深大断裂带形成了印支期花岗岩侵入体，侵入岩体在逐渐冷却的过程中会析出溶解于其中的CO2和H2S等幔源气体，与此同时碳酸盐岩在高温条件下会发生接触变质作用释放出CO2。对于南汀河断裂西支来说，由于其切穿了莫霍面能沟通上地幔，使得幔源岩浆气可以沿着断裂带向上运移至浅地表中聚集(图5)，所以其可作为幔源气体运移的控制性断裂。

就生物、热化学成因的H2S而言，其严苛的形成条件在隧址区地层中难以得到满足，而区内强烈的岩浆活动过程中能产生较多硫化氢挥发份，为H2S的形成提供了物质基础。同时，由于隧道埋深大，处于还原环境中，为H2S的赋存提供了有利地质条件。

综上所述，红豆山隧道下伏为非煤系地层(花岗岩、糜棱岩等)自身不具备任何生烃条件，但深大断裂的存在不但沟通了幔源物质还为有害气体的运移提供了有利通道。因此，可以初步判定红豆山隧道内CO2和H2S为岩浆—幔源及变质混合成因。

图5 南汀河断裂西支有害气体运移模式

4.3 定量分析

针对于CO2的成因问题，国内外学者在地球化学方面做了大量研究，戴金星[20]在对比分析了来自国内212个及澳大利亚、泰国、新西兰等国家的100多个CO2样品的基础上，提出了CO2体积分数及其碳同位素综合鉴别法，并编制了CO2有机与无机成因判别图，如图6所示。图中δ13CCO2PDB为CO2的稳定碳同位素的国际标准。

图6 CO2有机与无机成因判别图

根据判别图和室内试验时的CO2分析结果可以看出，红豆山隧道内高浓度CO2仅有1种成因，即无机成因。

为进一步区分岩浆—幔源成因与变质成因的CO2，戴金星等[21]通过整理有关δ13CCO2研究数据，归纳出变质成因CO2的δ13CCO2值大多为0±3‰，岩浆—幔源成因CO2的δ13CCO2值为-6‰±2‰。室内试验时气样中CO2的同位素测试结果见表3。从表3可以看出：红豆山隧道内CO2气体的δ13CCO2值分为2个区间，其中-0.3‰～-3.0‰对应的是变质成因类型，-4.7‰～-8.0‰则是岩浆—幔源成因类型，因此可以判定红豆山隧道中高浓度的CO2为岩浆—幔源及变质混合成因。

表3 气样CO2同位素测试结果

4.4 成因机制及运移模式

隧道内有害气体主要为幔源—岩浆及变质成因气，这些气体沿着断裂带向上迁移的过程中，一部分由地下水的深循环带到浅地表环境，最终逸散到大气中；而另一部分，通过断裂破碎带运移到花岗岩内囊袋状、狭长状储集空间中[22]，富集形成规模不等的高压气囊。在隧道穿越储集区时，由于地应力得到释放，导致有害气体在高压下爆突涌入隧道，给隧道施工造成严重威胁。红豆山隧道有害气体的运移模式如图7所示。

幔源形成的CO2受岩浆和断裂的共同控制，其释放途径主要有2种：(1)岩浆沿澜沧江断裂侵入的同时，溶解于其中的CO2因温度、压力的变化逐渐析出，沿断裂向上迁移；(2)未发生岩浆侵入时，已脱离岩浆的CO2能通过南汀河断裂西支直接运移至浅部储集。

变质成因CO2与碳酸盐岩在高温环境下发生分解密切相关，其化学反应式如下。

断裂构造可为碳酸盐岩热变质作用提供2类热源，第1类热源是深部热流体通过构造通道与围岩发生接触变质作用：隧址区深大断裂可作为高温流体侵位活动的有效通道，在热流体自身的热能烘烤下，使碳酸盐岩分解产生CO2；第2类热源是隧址区压扭性构造所产生的增温效应会使得围岩发生动力变质作用从而释放CO2。

图7 红豆山隧道有害气体运移模式

5 结 论

(1)通过现场监测及室内试验分析，确定红豆山隧道内主要有害气体为高浓度CO2和较高浓度H2S。有害气体以断裂带及花岗岩蚀变带为运移通道，主要赋存于花岗岩风化体及断裂破碎带内，局部易形成高压气囊。

(2)隧址区地质条件有利于岩浆—幔源成因H2S的生成和赋存；CO2体积分数介于58.80%～88.53%，其δ13CCO2值介于-7.6‰～-2.5‰，综合判定隧道内有害气体为岩浆—幔源及变质混合成因，与印支期花岗岩侵入体放热、降压及围岩接触变质作用密切相关。

(3)对于构造复杂区非煤隧道来说，有害气体逸出方式因囊状富集、沿构造裂隙运移的特征而出现局部短时大量涌出，对隧道施工造成极大的安全隐患。建议在隧道施工阶段加强有害气体超前地质预报工作，探明有害气体赋存情况，提出相应防范措施，保证施工安全。