緬甸其培電站壩址斷裂帶氣體地球化學特征及工程應用

李 曉 付 梅 李生紅 楊在文 舒勤峰

（地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059）

緬甸其培電站壩址在工程地質勘察中，部分鉆孔施工過程中遇伴隨承壓水逸出的氣體，左岸部分平硐施工也同樣遇到氣體逸出情況。由于勘察區位于恩梅開江斷裂帶，其中伴隨承壓水逸出的氣體量較大，對大壩工程具有一定的影響；因此，查明氣體的成分、來源和成因是壩址地質勘察需要查清和解決的地質問題。另外，氣體的化學組分和同位素組成還反映了氣體不同的來源問題。從地球深部溢出的氣體，攜帶著豐富的深部地質過程信息。通過對其培電站壩址區氣體地球化學特征的研究來探討氣體的來源和遷移具有重要的意義，也是認識斷裂活動性的重要參考之一。本文根據采集的氣體樣品分析結果、結合勘察區地質環境和水文地質條件分析氣體的地球化學特征及形成條件，探討氣體逸出對工程的影響。

1 地質環境及氣體出露特征

其培電站位于緬甸恩梅開江中游，屬緬甸北部高山區克欽邦，北接中國西藏，東接中國云南。該區在構造上位于全球著名的喜馬拉雅—特提斯造山系（帶）東段的東緣，斷裂發育（圖1）。研究區的恩梅開江斷裂為區域上“獅泉河—申扎—嘉黎—易貢藏布—韋拉丹斷裂帶”的西支，發育于念青唐古拉群變質巖中（圖1）。

其培壩址區河段呈NNE向，河谷基本順直，兩岸坡角多在35°～45°，屬較為對稱的“V”字形峽谷。研究區地層區劃上屬滇藏地層大區岡底斯—騰沖地層區的拉薩—察隅地層分區，邁立開江—恩梅開江—伊洛瓦底江變質巖帶，主要出露中上元古界變質地層（Pt2－3）和新生界第四系（Q4）。變質巖地層主要由片麻巖、片巖、變粒巖、斜長角閃巖、石英巖、大理巖和條帶狀混合巖組成，并構成結晶基底。

其培電站河床發育有3條河床斷層（F1，F2，F3；圖2），屬形成于喜馬拉雅早期的韌性剪切構造（F4）基礎上發育的小規模斷裂。斷層帶順河偏左側展布，走向 N7°～19°E，傾向近東，傾角65°～85°；斷層帶寬幾米至十余米，以發育相對弱變形構造巖為主。

圖1 其培電站構造位置圖Fig.1 Structural location of the Chipwi hydropower station

圖2 其培水電站下壩址主要斷裂及采樣點分布圖Fig.2 Main fractures of the dam site and the sample point distribution in the Chipwi hydropower station

其培電站壩址區淺層地下水為基巖裂隙水和第四系松散沉積孔隙水，裂隙、節理對淺層地下水的賦存和運動起控制作用。在壩址地質勘察過程中發現，壩址區斷裂帶發育低溫承壓水，承壓水發育受斷裂控制。部分鉆孔、平硐發現有較大量的氣體逸出，氣體逸出為3種形式，一是在河床通過鉆孔伴隨承壓水逸出，二是左岸從鉆孔逸出，三是沿平硐壁逸出。本文在勘察期間采集了6件代表性氣體樣品進行研究，取樣點氣體出露特征、地質環境見表1。

2 樣品采集及分析

根據氣體的出露特征，為保證收集氣體的質量，對不同狀況的氣體分別采用排水取氣法和氣罩直接取氣法進行采氣。對于承壓水噴出的氣體主要采用排水取氣法采樣。采集的氣體樣品送至中國石油西南油氣田分公司勘探開發研究院地質實驗室進行了 He，H2，N2，CO2，H2S和 CH4等氣體項目檢測；同位素分析的氣樣送至中國科學院貴陽地球化學研究所做碳、氧、氮同位素測試，結果見表2。

3 氣體化學組分和同位素組成特征及成因

3.1 氣體化學組分特征

根據其培電站壩址氣樣CO2和N2的摩爾分數（表2），可分為CO2型氣體和N2型氣體2種類型。結合氣體產出狀況、氣體產量對氣體的化學組成特征進行分析，不同出露條件下氣體化學組成具有以下特征。

（1）鉆孔CHK2和CHK19的氣體化學組成以CO2為主，CO2的摩爾分數為97.33%～98.83%，N2的摩爾分數為0.7%～2.64%；含有微量的甲烷，摩爾分數為0.2%～0.47%。這2個鉆孔位于河床部位，氣體隨承壓水噴出，產氣量相對較大，達到6～30L／s。

表1 氣體采樣點地質特征及氣體逸出情況表Table 1 Geological characteristics of the gas sampling points and gas escaping situation

表2 其培水電站壩址區氣體組成和碳、氧、氮同位素組成Table 2 The gas and isotopic compositions of the emanative gases fromthe dam site of the Chipwi hydropower station

（2）鉆孔CZK41和CZK43的氣體化學組成以CO2為主，CO2的摩爾分數為89.37%～94.96%，N2的摩爾分數為4.93%～10.42%；含有微量的甲烷，摩爾分數為0.08%～0.32%。并含微量的氦、氫，其中氦的摩爾分數為0.03%～0.13%，氫的摩爾分數為0.01%～0.02%。鉆孔CZK41和CZK43位于河流左岸，氣體在鉆遇裂隙帶時，從鉆孔中逸出，氣體產量為2～3L／s。

對鉆孔CHK2，CHK19，CZK41和CZK43氣體化學組成進行比較，4個鉆孔氣體化學組成以CO2為主，但左岸直接從CZK41和CZK43中逸出的氣體含微量氦、氫，而河床鉆孔CHK2和CHK19隨承壓水逸出的氣體不含氦、氫。

（3）鉆孔CHK34和平硐CPD1的氣體化學組成以N2為主，其中CHK34鉆孔逸出氣體主要成分為N2，摩爾分數為99.49%，另含極少量的CO2及CH4。CPD1平硐氣體組成中N2的摩爾分數為70.91%，CO2的摩爾分數為29.08%，含少量的稀有氣體He。CHK34和CPD1氣體產出量均很小，均為＜0.1L／s。

3.2 氣體中CO2的碳氧同位素和N2的氮同位素組成特征

3.2.1 CO2碳氧同位素組成特征及成因由鉆孔CHK2，CHK19，CZK41和CZK43氣體CO2的碳氧同位素、N2的同位素分析結果（表2）可知，其培壩址區氣體碳、氧、氮同位素有以下特征：鉆孔CHK2，CHK19，CZK41和CZK43氣體CO2的δ13CV－PDB為 －4.947‰ ～ －5.387‰，δ18OV－PDB為3.364‰～3.613‰。根據有機和無機成因CO2的鑒別標準，無機成因CO2的δ13C值主要在＋7‰～－8‰之間［2］。從其培氣樣CO2氣體的δ13C值可以看出，其培水電站壩址區CO2大部分為無機成因。根據戴金星等［1－8］土壤生物成因的CO2的δ13C＝－25‰（變化范圍－16‰～－28‰），大氣CO2的δ13C＝－7‰，地幔成因的CO2的δ13C＝－4‰～－11‰，石灰巖變質成因的CO2的δ13C＝±3‰，其培氣樣CO2氣體δ13C變化范圍為－4.947‰～－5.387‰，應該為深部地幔成因；因此，其培電站壩址CO2氣體為深部地幔無機成因。根據4個樣品的同位素組成十分相近，推測CO2具有同源成因。

3.2.2 N2的氮同位素組成特征及成因

鉆孔 CHK2，CHK19，CZK41和 CZK43的δ15N值在－0.082‰～7.263‰之間，變化范圍較大；CHK2和CHK19的δ15N值為（－0.82‰±0.022‰）～（1.056‰±0.016‰）。根據朱岳年、張子樞對天然氣中氮氣來源的同位素鑒別特征［9，10］，可知其培的 CHK2和CHK19氣樣 N2同位素組成落在地殼超深部和地幔源的原生N2（δ15N≈－2‰～＋1‰）的范圍內，顯示二者N2具同源特征。

鉆孔CZK41和CZK43氣樣N2的δ15N值在（6.947‰±0.020‰）～（7.263‰±0.024‰），同位素組成落在成熟沉積有機質裂解產生的N2（＋5‰～＋20‰）的成因范圍內。CZK41和CZK43的N2具有同源特征。

4 氣體地球化學的工程應用

4.1 深部成因的CO2與斷裂活動性

其培壩址斷裂帶CO2氣體為深部地幔無機成因，氣體的產生量高達30L／s，這是恩梅開江大斷裂在該區域地質活躍性顯示的證據之一，應引起關注，需進一步研究恩梅開江大斷裂在該段的性質、活動性及對壩址安全的影響。

4.2 CO2氣體逸出與斷裂和地下水活動的關系

根據其培壩址斷裂帶氣體組分和同位素分析，CO2氣體主要來源于深部無機成因，N2有無機成因和有機成因。氣體伴隨承壓水逸出或從鉆孔直接逸出與斷裂、地下水活動有關，模式如圖3所示。

圖3 其培水電站CO2成因模式圖Fig.3 Genetic model of CO2from the Chipwi hydropower station

深部來源的CO2沿斷裂（F1，F2，F3）向上運移，在一定深度深部氣體與承壓水混合（據承壓水溫標計算，承壓水循環深度在600m左右），在接近地表受斷裂影響，分成多支。一部分與承壓水混合，在河床斷裂帶與伴隨承壓水噴出；另一部分沿卸荷裂隙、分支小斷層運移，當左岸平硐或鉆孔揭露這些含氣裂隙時逸出。地表淺層混雜部分起源于大氣或生物有機成因的N2，形成多種成因的N2隨地下水淺循環進入裂隙，并隨鉆孔揭露逸出。不同鉆孔氣體組分的差異與近地表地下水的混合作用有關，鉆孔CHK2，CHK19，CZK41和CZK43的氣體以CO2為主，同位素組成相似，顯示同源特征。但鉆孔CZK41和CZK43氣體含微量氦、氫，而鉆孔CHK2和CHK19隨承壓水逸出的氣體不含氦、氫，表明地下水作用影響的差異。

因此，恩梅開江斷裂帶中的CO2型氣體形成于深部，在運移過程中受地下水活動的影響，以不同的方式在壩址區出露，氣體的地球化學組成也發生變化。其中河床是氣體逸出的主要部位，氣體組成以CO2為主，產出量大，對壩址工程處置有較大影響。氣體直接對人體健康影響不大，但在平硐中因CO2氣體大量聚集，對人體健康有較大影響，應加強對平硐排風通氣的工程處理。

5 結論

a.其培電站鉆孔和平硐勘探揭露的氣體有CO2型和N2型2類，以CO2為主的氣體，CO2的摩爾分數為89.37%～98.83%，N2的摩爾分數為0.7%～10.42%；含有微量的甲烷，摩爾分數為0.2%～0.47%。左岸鉆孔氣體含微量氦、氫，而伴隨承壓水逸出的氣體不含氦、氫。以N2為主的氣體，N2的摩爾分數為70.91%～99.49%，含少量的CO2及CH4，不含氦、氫。

b.以 CO2為主的氣樣，CO2的δ13CV－PDB為－4.947‰～－5.387‰，δ18OV－PDB為3.364‰～3.613‰，顯示具有同源成因，屬于深部幔源無機成因。δ15N值在－0.082‰～7.263‰之間，變化范圍較大，鉆孔CHK2和CHK19的δ15N值在－0.082‰～（1.056‰±0.016‰），具同源特征；鉆孔CZK41和CZK43的δ15N值在（6.947‰±0.020‰）～（7.263‰±0.024‰），具同源特征。

c.壩址區以CO2為主的氣體形成于深部，沿斷裂帶運移，部分在淺部與承壓水混合，伴隨承壓水噴發，部分進入左岸裂隙系統，當鉆孔、平硐揭露斷裂時逸出。

d.起源于深部的CO2氣體是恩梅開江大斷裂部分地段的地質活躍性顯示之一，應重視對斷裂活動性及對工程影響的研究。河床是氣體逸出的主要部位，氣體組成以CO2為主，氣體產出量大，對壩址工程處置有較大影響。

［1］戴金星，戴春森，宋巖，等.中國一些地區溫泉中天然氣的地球化學特征及碳、氦同位素組成［J］.中國科學：B輯，1994，24（4）：426－433.

［2］戴金星.中國東部無機成因氣及其氣藏形成條件［M］.北京：科學出版社，1995.

［3］閆志為，韋復才.地下水中CO2的成因綜述［J］.中國巖溶，2003，22（2）：118－123.

［4］上官志冠，劉桂芬，高松升.川滇塊體邊界斷裂的CO2釋放及其來源［J］.中國地震，1993，9（2）：146－153.

［5］劉再華，袁道先，何師意，等.地熱CO2－水－碳酸鹽巖系統的地球化學特征及其CO2來源［J］.中國科學：D輯，2000，30（2）：209－214.

［6］張加桂，胡海濤.深大斷裂對幔源CO2釋放作用研究綜述［J］.中國巖溶，1999，18（1）：95－102.

［7］張慶春，胡素云，王立武，等.松遼盆地含CO2火山巖氣藏的形成和分布［J］.巖石學報，2010，26（1）：109－120.

［8］上官志冠，鄭雅琴，董繼川.長白山天池火山地熱區逸出氣體的物質來源［J］.中國科學：D輯，1997，27（4）：318－324.

［9］朱岳年，史卜慶.天然氣中N2來源及其地球化學特征分析［J］.地質地球化學，1998，26（4）：50－57.

［10］張子樞.氣藏中氮的地質地球化學［J］.地質地球化學，1988（2）：51－56.