川藏鐵路某隧道不明氣體成因機制研究

王 旭, 趙其華, 2,*， 鄧 慶， 梁玉飛

0 引言

隨著人類工程建設區域的不斷擴展，眾多的工程活動不斷遇到不明氣體的問題，如合武鐵路大別山金寨區段隧道、渝懷鐵路圓梁山隧道和杭新景高速公路窯山頂隧道等。不明氣體的出現對工程是否有影響，怎樣影響及影響程度是否巨大對工程建設活動至關重要。查明氣體成因機制，將施工風險降到最低成為亟待解決的問題。

目前，對不明氣體的研究，取得了一定的成果。文獻[1-2]通過對合武鐵路大別山金寨區段不明可燃氣體的研究認為該氣體是由深部烴源巖產生，通過磨子潭—曉天斷裂和信陽—舒城斷裂2個連通深部的氣源通道斷裂運移至構造裂隙發育的破碎帶，破碎帶中的裂隙空間是其主要的儲集空間。文獻[3-4]認為圓梁山隧道中出現的氣體是由于隧道通過了可產生氣體的地層，毛壩向斜瀝青質灰巖中存在有窩狀石油天然氣；在毛壩向斜核部存在厚0.03～ 0.3 m的煤層，可產生瓦斯氣體。鄭安梁等[5]認為杭新景高速公路窯山頂隧道出現不明可燃氣體是因為在隧道通過區的周邊有下石炭紀葉家塘組煤系地層存在，其附近有球川—肖山深斷裂通過，在其牽引作用下,使周邊圍巖小斷層及裂隙特別發育，因此，煤系地層中的易燃氣體通過斷裂、裂隙等通道運移,儲存在砂巖的孔隙里。從現有的研究成果可以發現，對于工程活動中不明氣體成因機制的認識主要有2種： 工程活動通過了可產生氣體的地層；工程活動區周邊地區有可產生氣體的地層，氣體通過斷層、裂隙等通道運移至工程活動區。當前對于不明氣體研究側重于氣體對于工程施工及運營的影響評價，而對于氣體形成機制的研究涉及很少。

通過相關地質調查及現場勘查發現，研究區既無可產生氣體的地層存在，也沒有斷層通過，巖石裂隙發育一般，當前對不明氣體發育機制的認識不能解釋該地區出現的不明氣體現象。本文以現場測試與全天候監測為基礎，總結分析該不明氣體成分特征，采用資料收集、現場調查測試與監測、室內巖石學、地球化學試驗等方法與手段，從不明氣體賦存地質環境入手，探討該不明氣體的形成條件及其演化規律，研究分析一種新的不明氣體成因機制，以期為研究區工程項目的進一步施工及具有相似地質條件的隧道不明氣體研究提供參考。

1 工程概況

研究區隧道位于藏南谷底高山區，橫洞及鄰區海拔為2 800～3 800 m，山體雄厚，坡度為25°～40°，呈典型寬谷形態，如圖1所示。

圖1 雅魯藏布江典型寬谷形態(鏡向W)

Fig. 1 Typical morphology of Brahmaputra Valley of Yarlung Zangbo River (mirror W)

隧道全長1 602 m，埋深800～900 m。隧道穿越下元古界林芝巖群八拉巖組地層，其巖性為片麻巖、變粒巖等中深變質巖。在隧道施工掘進過程中，主要的工程地質問題是橫洞HDK0+200 m掌子面左拱腰附近有不明氣體噴出，見圖2。現場實測鉆孔孔口附近不明氣體風速約為59 m/s。不明氣體的出現直接影響隧道施工進度，且其有害性、易燃性和腐蝕性尚不清楚。

圖2 橫洞工程地質縱剖面示意圖

2 研究思路及流程

首先，從不明氣體賦存的環境，即地質條件入手，在收集基礎地質資料的基礎上，深入分析該地區的地層巖性，判斷該地區地層是否能形成氣體；查明該地區的油氣資源及煤系地層分布，結合地質構造、巖石裂隙發育情況，分析是否存在氣體由其他地區運移而來的可能。

同時，基于現場氣體采樣和全天候監測，對氣體分析測試，查明總結其成分特征及演化規律。

最后，若該地區地層不能形成氣體，且不符合氣體運移條件，則對氣體賦存地區的巖石進行地球化學分析，判斷周圍巖石是否與氣體成因有關。地質環境不是一成不變的，它會隨著時間和環境的變化而不斷發展演化，現存的巖石也是由其他狀態演化而來的，在巖石的演化過程中可能形成氣體。研究流程如圖3所示。

3 工程地質條件

研究區分布的地層主要為下元古界林芝巖群八拉巖組(Pt1b)和第四紀覆蓋層。

八拉巖組(Pt1b)巖性為一套廣泛分布的片麻巖、變粒巖、斜長角閃(片)巖及片巖等中深變質巖系；第四紀覆蓋層較薄，主要分布于雅魯藏布江河谷。無煤系地層發育。

隧道通過區地下水按賦存條件分為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水。第四系孔隙潛水主要賦存于第四系全新統沖洪積層(Q4al+pl)、上更新統冰水堆積層(Q3fgl)卵石土、漂石土和砂層中，主要為大氣降水及地表水補給；基巖裂隙水主要分布于片麻巖中，其水量大小主要受巖層分布面積及孔裂隙率大小控制。總體上看，由于受到雅魯藏布江河谷深切作用，地下水埋深大，屬弱富水性，主要接受大氣降水入滲補給。

圖3 研究流程圖Fig. 3 Research flowchart

根據相關規范，該地區擬建場區地震動峰值加速度0.30g，地震動反應譜特征周期為0.45 s，地震基本烈度為Ⅷ度。主要工程地質問題是隧道掌子面左拱腰附近有不明氣體噴出。

根據現場調查，該隧道通過區域巖石堅硬、完整，結構面發育一般，且無斷層通過(見圖4和圖5)。

西藏地區的含油氣盆地分為海相含油氣盆地與陸相含油氣盆地[6-8]，其分布范圍見圖6。

圖4 隧道洞壁巖石Fig. 4 Rock in tunnel wall

圖5 研究區工程地質平面圖

圖6 西藏地區油氣資源分布示意圖

Fig. 6 Sketch diagram of oil and gas resources distributions in Tibet area

綜上可得： 1)隧道通過區煤系地層不發育，且不屬于任何含油氣盆地； 2)該隧道通過區無斷層通過，巖石堅硬完整，結構面發育較差，氣體運移通道發育很差。因此，排除了該不明氣體是由其他地區運移而來的可能。

4 不明氣體特征

不同成因的氣體在成分上有明顯的差別，有機成因的氣體其主要成分一般為烴類，而無機成因的氣體以二氧化碳為主，故要查明氣體成因，從其成分上進行分析探討是最直接的途徑。

在該不明氣體出現后，在不明氣體出氣口、距離掌子面5 m處與隧道洞口處，開展取樣及檢測工作，每測點分別測試3次，取樣及檢測在挖掘機、鉆孔機等設備及施工均停工的情況下進行，檢測項目包括氣體中的總烴(甲烷)、氧含量、硫化氫和二氧化碳等組分。測試結果取3次測試的平均值，見表1。

檢測結果表明，該不明氣體具有如下特征：

1)不明氣體與大氣成分存在明顯差異(根據出氣口附近測試成果)。不明氣體以二氧化碳含量最多，約占67%，含氧量僅約0.3%，溫度為12～13 ℃。其余組分，如總烴、一氧化碳、硫化氫、二氧化硫、氮氧化物與氨的含量等，約為大氣含量的數十倍至百倍。

2)不明氣體與大氣混合后，有害氣體含量迅速減小(根據距離掌子面5 m處、橫洞洞口測試成果)。含氧量與隧道洞口處基本一致，總烴、一氧化碳、硫化氫、二氧化硫、氮氧化物與氨的含量較出氣口處明顯降低，已基本接近隧道洞口的大氣測試值。

3)該不明氣體總烴含量高達183.3 mg/m3，約占不明氣體總體積的14.22%。

無機成因的氣體中烴類含量很低，而該不明氣體中總烴含量高達183.3 mg/m3，明顯具有有機成因的特征；戴金星等[9]研究認為二氧化碳含量大于60%均與無機成因有關，而該隧道中出現的不明氣體中二氧化碳約占67%，因此，該氣體又具有無機成因的特征。

綜上氣體成分分析結果表明，該不明氣體具有有機成因和無機成因氣體的雙重特點。

表1 不明氣體成分測試結果Table 1 Test results of unknown gas compositions

5 不明氣體成因機制

因該不明氣體具有有機成因和無機成因的雙重特點，故探究其成因機制首先要弄清楚氣體中不同組分的來源。

5.1 氣體有機成分來源

有機成因氣體根據其成因一般分為煤型氣與油型氣，由其他地區運移而來或原地產生。由以上分析可知，該氣體不是由其他地區運移而來，且研究區不存在煤系地層和油氣資源分布。因此，在研究區采集一定數量的巖石樣品，對其進行巖石化學分析試驗，以期通過試驗數據分析，結合DF判別式法[10]、西蒙南(al+fm)-(c+alk)～Si圖解[11]和變質巖的等化學系列類型及亞類判斷圖[12-13]3種方法進行原巖恢復和校核，探討研究區是否具有生產有機氣體的源巖。前人研究表明，有機成因的氣體源巖主要是泥質巖源巖、碳酸鹽巖源巖和煤系源巖。

對試驗的巖石樣品進行編號，其中，1～4號巖石樣品為出氣口附近5 m范圍內的巖石，5～20號巖石樣品采樣地點為距出氣口5 m范圍以外。

5.1.1 DF判別式法

DF函數判別式是由D.M.Shaw于1972年提出，用于確定變質巖屬性(D.M.Shaw，1972)。檢驗結果見表2。

從表2可以看出： 出氣口附近巖石樣品1、2、3和4為副變質巖，即由沉積巖經過變質作用形成的巖石；而其他位置巖樣為正變質巖，即由巖漿巖經過變質作用形成的巖石。

5.1.2 西蒙南(al+fm)-(c+alk)～Si圖解

為表示不同類型變質巖的化學特征及其相互間差別，西蒙南提出了(al+fm)-(c+alk)～Si圖解，其中al、fm、c、alk和Si均為尼格里值。通過geokit軟件計算，得出巖石樣品的尼格里指數，投點結果見圖7。

表2 DF檢驗計算值

A—鈣質沉積巖； B—火山巖； C—泥質沉積巖； D—砂質沉積巖。

圖7變質巖(al+fm)-(c+alk)～Si圖
Fig. 7 Diagram of metamorphic rock (al+fm)-(c+alk) ～Si

圖中1～4號點為出氣口附近位置的巖石樣品投點結果，5～20號點為研究區其他位置的巖石樣品投點結果。投點結果顯示，出氣口周圍巖樣投點于泥質沉積巖區，其他位置巖樣投點于火山巖區。

5.1.3 變質巖的等化學系列類型及亞類判斷圖

該判別圖是謝緬年科于1966年提出，被廣泛應用于變質巖原巖成分研究。為了表示各種主要造巖組分之間的比例關系，作者提出了鋁質系數(A)、鈣質系數(C)、鐵質系數(F)和鎂質系數(M)4個系數，它們的計算公式及通過對巖石主量元素含量數據分析計算處理后的計算結果如下：

Σ=Al2O3+CaO+FeO+Fe2O3+MgO。

A、C、F、M、Σ的系數投點如圖8所示。

Ⅰ—純泥質巖； Ⅱ—鐵質泥質巖； Ⅲ—中—酸性火山巖； Ⅳ—鈣質泥質巖； Ⅴ—膠體化學沉積及泥質巖； Ⅵ—膠體化學沉積； Ⅶ—原巖為超基性巖； Ⅷ—超基性火山巖及部分白云質巖石； Ⅸ—基性火山巖及部分泥灰質巖石； Ⅹ—碳酸鹽沉積巖； Ⅺ—泥灰質沉積巖。

圖8測區變質巖等化學系列類型及亞類判斷圖

Fig. 8 Chemical sequence types and subclass judgment diagram of metamorphic rocks in survey area

由圖8可知： 1～4號巖石樣點的投點結果位于圖解Ⅴ區，表明其原巖為泥質巖及部分膠體化學沉積，生成環境均為構造穩定的盆地環境；5～16號巖石樣點投點結果位于圖解Ⅸ區，表明其原巖為基性火山巖及部分泥灰質巖石；17～20號巖石樣點投點結果位于圖解Ⅲ區，表明其原巖為中—酸性火山巖。

DF判別式法結果顯示，測區變質巖為正變質巖和副變質巖2種，即測區巖石原巖中包括沉積巖；根據西蒙南(al+fm)-(c+alk)～Si圖解和變質巖的等化學系列類型及亞類判斷圖的結果，將測區原巖進行進一步區分，出氣口附近巖石的原巖為沉積成因的泥質沉積巖，而在測區其他位置則火山巖分布廣泛。

由巖石地球化學分析結果得到，在出氣口處巖石的原巖為泥質沉積巖，泥質沉積巖是有機成因氣體的源巖，這就解釋了該不明氣體中高含量的烴類氣體來源。

5.2 氣體無機成分來源

沉積物在沉積成巖的各階段均有可能形成氣體，其核心是有機質在微生物或者適當溫度條件下經過生物化學作用或化學作用生成以烴類氣體為主，含有少量H2S、CO2的氣體；而在該不明氣體中CO2含量最多，約占67%。根據前人研究，氣體中高含量的CO2是其無機成因的明顯標志，故查明CO2的來源對該不明氣體成因機制的解釋至關重要。

通過現場勘查發現： 出氣口為直徑約80 cm的近圓形洞口，出氣口8～10 cm寬度內的巖石與該界線以外的巖石明顯不同(見圖9)。不同位置巖樣地球化學分析統計如表4所示。

圖9 出氣口及附近巖石

表4 不同位置巖樣地球化學分析統計表

從表4可以看出，隨著距離出氣口由遠到近，巖石地球化學特征具有以下特點：

1)除SiO2、K2O和CaO外，其余氧化物含量均隨距出氣口距離由遠到近含量減小。

2)SiO2和K2O的含量隨距出氣口距離由遠到近先增大、后減小，在距離出氣口周圍一定距離處達到最大值，在出氣口處為最小值，低于遠離出氣口位置巖石中SiO2和K2O的平均值。

3)CaO的含量隨距出氣口距離由遠到近先減小、后增大，在出氣口周圍一定距離處達到最小值，在出氣口位置達到最大值，且高于遠離出氣口位置巖石中CaO的平均值。

上述研究區巖石地球化學特征表明，出氣口中的物質與其周圍一定范圍內的巖石進行了一定的巖石地球化學反應，使得出氣口及其周圍一定范圍內的元素發生了遷移，與測區較大范圍的巖石元素地球化學平均值有明顯的變化。

通過對研究區不同位置巖石進行薄片鑒定觀察，得到出氣口處的變質巖巖石中方解石含量高達70%以上，這與巖石的巖石地球化學特征相互對應，并且是對該不明氣體中CO2含量偏高的有力解釋。

出氣口中前期儲集的氣體不斷與圍巖發生反應，使得方解石在出氣口位置不斷富集，而與其相鄰的圍巖中CaO含量不斷減少。

后期的巖漿活動為巖石化學反應的發生提供了適宜的高溫環境，出氣口巖石中高含量的碳酸鈣巖漿在高溫烘烤作用下，可以發生如下反應：

出氣口中前期儲集的氣體不斷與圍巖發生反應，發生元素的遷移和富集，后期在巖漿作用和區域變質作用中富集的碳酸鹽礦物不斷反應釋放出以CO2為主的氣體，從而改變了原來氣體的成分，使得不明氣體中CO2含量不斷升高。由此，揭示了不明氣體的無機成因演化過程。

6 結論與體會

本文從川藏鐵路某隧道不明氣體噴出現象入手，在總結該不明氣體特征和區域地質特征的基礎上，通過對氣體成分和研究區巖石地球化學特征的分析，對研究區變質巖原巖進行了恢復，對比分析隧道區域工程地質條件和不明氣體特征，探討該隧道不明氣體形成機制，提出研究隧道不明氣體的新思路，得到主要結論與體會如下。

1)不明氣體賦存圍巖為副變質巖，且變質巖原巖為可生成有機氣體的源巖——泥質巖；距離氣體賦存位置較遠的巖石為正變質巖。

2)周邊地區無油氣資源和煤系地層分布，隧道通過區無斷層通過，巖石堅硬完整，結構面發育一般，氣體運移通道不發育。

3)該不明氣體同時含有有機成因的烴類氣體和無機成因的CO2氣體，且含量均很高。不明氣體的形成機制包含了有機成因和無機成因2個過程。在有機成因過程中，由有機成因氣體源巖形成了以烴類氣體為主的有機成因氣體并儲存下來；在無機成因階段，氣體不斷與圍巖發生反應，使巖石中的某些元素發生遷移，在氣體儲集位置發生富集，后期巖漿活動和區域變質作用中，富集在此的礦物發生巖石化學反應釋放出大量CO2，使氣體成分發生巨大改變。

4)在此類地質條件及形成機制下形成的不明氣體儲量有限，噴發現象隨時間不斷減弱，直至停止，對隧道運營危險性不大。

5)本研究拓展了對復雜地質條件地區不明氣體成因機制的認識，對具有相似地質條件地區的隧道工程不明氣體研究具有參考價值，為后續隧道工程建設中不明氣體的研究提供了新思路。

6)本研究以川藏鐵路某隧道出現不明氣體為切入點，隨著隧道工程建設不斷向地質環境更加復雜的地區擴展，下一步還需要結合區域地質演化歷史對不明氣體成因機制進行更深入的研究。在隧道建設前需要加強勘查與地質預報，并且對隧道通過區域的地質演化歷史要有所了解，不同的地質演化歷史，可能會出現不同的工程地質問題，了解地質演化歷史則有助于把握工程中可能出現的工程地質問題。

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