青海西寧-民和盆地二氧化碳氣藏研究及隧道危險性分區評價

艾秀峰

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(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隧道位于祁連山脈東南部的拉脊山高中山區，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。隧道進口位于青海省化隆縣昂思多鄉尕麻甫村，出口位于青海省平安縣巴藏溝巴家村，隧道總長25 100 m，最大埋深1150 m[1]。海東南山隧道在定測勘探過程中，XCDCSZ-3-1號深孔鉆探提漿至160 m時突然噴出不明氣體，攜帶鉆孔泥漿，噴出高度約為5 m，并伴隨強烈的嘯叫聲。噴出氣體無異常氣味，穩定后噴出氣體為淡藍色(圖1)，至鉆孔封堵完成歷時11天，未見衰減，后經孔口取樣化驗，氣體主要成分為CO2。

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

分析發現，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化殼后發生氣體突出。判斷CO2氣體來源為基底大理巖分解形成，由于區域上部蓋層密閉性較好，CO2氣體在古風化殼內聚集形成高壓。勘察過程中鉆孔穿透蓋層，導致古風化殼與地表連通，形成井噴。

鐵路勘察階段遇CO2井噴在我國鐵路勘察史上尚屬首次，可供借鑒的工程經驗有限。因此，對西寧—民和盆地的地質背景進行研究，查明氣體的來源、空間分布、賦存狀態、運移通道，合理優化線路方案，評價其對鐵路隧道工程施工和運營的影響，是西成鐵路建設的基礎，具有重要意義。

2 區域地質特征

2.1 盆地基底地質特征

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

圖2 研究區大地構造背景圖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—民和盆地主要發育兩組斷裂，一組為北西向延伸，與主控構造一致；另一組為NE向斷裂，與主控構造正交或斜交，使基底構造格局在南北分帶的基礎上疊加了東西分塊的格局，呈現復雜的“棋盤構造”樣式，為CO2氣體運移、聚集提供了良好的通道。

2.2 盆地儲、蓋層地質特征

根據區域地質及XCDCSZ-3-1深孔、三合鎮ZK-10號孔鉆探揭露情況，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，在地下水發育處，受地層壓力及地熱影響，CO2可大量溶解于地下水中，以水溶離子相及水溶氣相賦存。地下水不發育段則CO2直接存儲于巖體孔隙及裂隙中。因此第三系—侏羅系砂礫巖具有儲集層特征，如有斷層構造與下部碳酸鹽巖含氣層聯通，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、連續性好，且具封堵性強、分布范圍大、穩定性好等特征，是天然理想的蓋層結構[3](圖4)。在斷裂構造發育處，斷裂將蓋層切割，CO2或含CO2地下水沿構造裂隙上升，在地表出露，就會發生CO2活動事件。

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

區域調查和查閱相關資料后發現盆地靠近拉脊山附近出現過很多與CO2活動相關的事件(圖5)，包括窯街煤礦開采CO2突出[4-5]、平安三合鎮地熱井勘探揭示CO2間歇自噴[6]、本次在下營附近進行的鉆孔揭示含CO2高壓氣體。以及本區域水文地質調查中發現的三合鎮、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 3—古近系漸新統 4—古近系始新統 5—古近系古新統 6—上白堊統 7—下白堊統 8—下奧陶統 9—下寒武統 10—下震旦統 11—古元古界 12—閃長巖 13—線路方案 14—鼻狀隆起構造 15—含CO2泉 16—鉆井揭示CO2 17—鉆孔及編號

從地理位置上看，CO2活動相關的事件出露于湟水河以南，拉脊山以北，田家寨以東，下營藏族鄉以西的廣大范圍內，說明西寧—民和盆地地層中普遍含CO2，氣體來源一致，都是來自深部殼源，并通過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，從規模上看，上洛麻—田家寨大，下堯莊、三合鎮和冰嶺山規模中等，老虎溝較小，沙溝很小，石溝沿非常小。出露的CO2泉西側規模明顯大于東側，靠近拉脊山(南部)的規模大于遠離拉脊山(北部)的規模，反映了由補給區往排泄區CO2的減小趨勢[10]。

3.2 西寧盆地CO2出露機制

盆地內冰嶺山、堯莊村、上洛麻村、馬場溝等地發現的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。這主要是因為白堊系砂礫巖地層為區域性儲層，CO2通過深大斷裂自底部基底運移到砂礫巖裂隙、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移。當含氣層被沖溝或斷裂切割，壓力降低，水中HCO3-及溶解的CO2，就從水中游離出來呈氣相存在，就形成了含CO2泉[11]。區域調查發現的含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行能量與物質交換的結果(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巖、石膏巖地層覆蓋，第三系地層具厚度大、連續性好、封堵性強的特點。CO2被封蓋在第三系地層之下，容易在此區域聚集形成高壓，加之該區域存在古隆起構造，基底大理巖地層埋深較淺，因此在鉆探或采煤過程揭示到底部積聚的高壓CO2氣體儲層時就會發生井噴(高壓水或/氣)(圖7)。本次XCDCSZ-3-1號孔和20世紀80年代在紅土莊勘探鉆遇的高壓水氣井是最好的證據。

圖7 典型CO2運移成藏模式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，本次勘察采用國際通用的“預真空采樣法”，采集XCDCSZ-3-1深孔噴出氣體樣本進行色譜分析。實驗結果顯示，氣體主要成分為CO2、O2、N2，由于樣品采集于孔口，采集過程中會混入一定量的空氣，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行分析。氣體測試結果見表2，可以看到，除了上洛麻，氣體組分CO2超過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，垂直裂隙發育，CO2上升過程中在淺表與大氣發生對流混合作用，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試Table 2 Gas composition test of spring water

氣體成分測試結果表明，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90%，除三合鎮、上洛麻、沙溝及下堯莊處檢測出少量H2S外，未見煤系地層常見的CH4等烷烴類有害氣體。

4.2 噴(冒)出氣體來源分析

自然界CO2氣體來源可分為有機和無機兩類[12]。為了判斷整個西寧—民和盆地區域內的CO2是否具有同源性，根據戴金星等[13]提出的判識CO2成因的穩定碳同位素組成標準(表3)，對XCDCSZ-3-1深孔噴出及泉水冒出的氣體取樣進行碳同位素測定。實驗結果(表4)表明，區域內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CO2氣體為碳酸鹽巖變質形成。

表3 碳同位素判識CO2成因標準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試結果Table 4 Analysis data of carbon isotope of carbon dioxide in Xining-Minhe Basin

氣體成分及碳同位素實驗結果表明西寧—民和盆地內CO2來源是完全一致的，屬無機成因，為基底深部碳酸鹽、大理巖變質分解形成，化學反應式如下：

5 研究方案危險性分區評價

5.1 地表通量測試

本階段經綜合比選，共研究三條越嶺隧道方案，分別為經田家寨方案、經古城方案及經高店方案。為了進一步查明研究區內CO2的情況，為各方案氣體影響評價提供支持，現場利用便攜式紅外線二氧化碳測試儀，對地表一定深度內的鉆孔(約1 m)，采用密閉氣室法，即利用逸出氣體的累計濃度隨時間的變化測定氣體釋放通量的一種方法，記錄不同時間鉆孔內CO2濃度數據。

根據區域CO2“生、儲、運、藏、蓋”特點及研究方案分布，地表通量測試測點一般按照以下幾個原則布置：①斷層出露區域；②溝谷切穿地層區域或是泉點附近；③特殊構造區域，比如背斜核部；④地層巖性變化區域；⑤鐵路選線附近；⑥滑坡體附近。

獲得數據后，根據通量定義可得計算公式(1)：

(1)

式中：f為CO2通量；Xt是某一時刻CO2的體積分數；ρCO2為測量溫壓條件下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為測試時刻。

各方案地表通量測試異常點測試結果見表5。

表5 地表通量測試異常點位測試結果Table 5 List of surface flux testing data in abnormal points

5.2 各方案危險性分區評價

根據地表通量測試異常點位分布特征，結合區域地層情況、斷層分布特征、CO2氣泉分布特征及區域氣體“生、儲、運、藏、蓋”規律，對擬研究的三個方案進行危險性分區評價(圖8)，指導后續勘察工作有針對性的進行，具體結果如下：

1) 經田家寨方案(圖8a)：該路線附近可以劃為3個高風險區，高風險區TJ-1主要特征是靠近斷層附近，并且噴出巖已經出露地表，巖層近乎直立，該區垂直構造裂隙發育，為CO2的泄露提供了通道，該區沒有明顯的蓋層，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小；高風險區TJ-2主要特征是靠近斷層，在地表已形成CO2泉，規模大，并且CO2氣體中含有相當比例的空氣，證明下部的連通性很好，CO2可能主要以水溶氣的形成，并有一定規模的氣體聚集，但難于形成高壓；高風險區TJ-3為斷層侵沒區，具備蓋層—儲層結構，CO2容易聚集形成高壓氣體。

2)經古城方案(圖8b)：該路線附近可以劃為3個高風險區，高風險區GC-1主要特征是地表已發現含有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來源于水溶氣，并且遷移距離較遠所致，此區主要以水溶氣為主，較難形成高壓氣體；高風險區GC-2距沙溝CO2泉直線距離3 km，此區可能存在水溶氣；高風險區GC-3靠近拉脊山北緣斷層帶，有氣體運移通道，但上部地層為砂巖、礫巖，封蓋條件差，此區域可能存在水溶氣，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個高風險區，高風險區GD-1和高風險區GD-2靠近斷層附近，高風險區GD-2的南部存在高壓氣體的可能性較高；高風險區GD-3靠近隱伏斷裂先鋒斷裂帶上，該處以斷層形成單斜構造，基底埋深約900 m，存在高壓氣體的可能性非常高；高風險區GD-4已經確定為背斜高壓聚集區，地表通量測試也證明此區存在高CO2通量；高風險區GD-5靠近拉脊山北緣大斷裂，并且處于高風險區GD-4的背斜影響區域，滿足高壓氣體聚集的基本條件。

圖8 CO2氣體危險性分區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 2—第四系上—中新統 3—新近系上新統 4—新近系中新統 5—古近系 6—下白堊統 7—寒武系 8—侵入閃長巖 9—斷層 10—推測斷層 11—通量測試異常點 12—含CO2泉出露點 13—遇CO2鉆孔 14—線路方案 15—高風險區及編號

5.3 CO2氣體應對原則

擬研究的3個越嶺隧道方案，經古城方案遇高壓氣體的可能較經田家寨方案、經高店方案小，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，一旦發生CO2突出事件，高壓氣體噴出過程中會在掌子面附近引起強烈的溫度下降，CO2濃度急劇升高，還可能攜帶破碎巖體，威脅人員及機具安全。含水氣地層中，由于CO2使水酸化，會腐蝕水泥混凝土襯砌。因此需采取相應措施，確保工程安全。

1)隧道在選線階段應避免與斷層、褶皺構造直接相交[14]，尤其是貫通沉積基底的深大構造。勘察階段應利用綜合勘察手段加強探察，尤其是已劃分的高風險區，查明地層巖性、地質構造、地下水發育情況及基底地層與線路空間關系，隧道應盡量遠離基底大理巖地層，并留足安全厚度；

2)在隧道施工階段，應加強勘察期間判定的高風險段落的超前地質預報工作，必要時應采取高壓預注漿加固圍巖，封堵孔隙。對隧道內CO2氣體濃度監測進行專門研究，建立防突監測系統，特別注意在揭穿斷層時可能會發生CO2突出事件。加強隧道內通風，避免CO2氣體匯集，造成人員窒息。注意掌子面附近儀器設備的保護，避免結冰損壞儀器設備。在含水氣地層中，由于CO2使水酸化，會腐蝕水泥襯砌，因此隧道外圍需使用抗CO2的水泥[15-17]；

3)隧道運營階段，應建立隧道長期監測系統、運營通風系統，必要時進行地層長期監測，確保運營安全。

6 結論

本文在分析區域資料的基礎上，通過地表調查、鉆探、室內試驗、淺表通量測試的方法分析盆地CO2氣體的賦存、運移規律、劃分CO2氣體危險性分區，得到結論如下：

1)西寧—民和盆地湟水以南區域地層中普遍含氣，主要成分為CO2，占比一般超過90%。主要以含CO2泉的形式出露，部分區域CO2在地下聚集易形成高壓，工程通過會造成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，屬無機成因。盆地內CO2以水溶離子相、水溶氣相、連續氣相形式賦存于基底及上覆砂礫巖地層中，通過斷裂運移。

3)揭露CO2氣體會對隧道工程造成極大的安全隱患，通過研究區域CO2氣體生產、賦存、運移特點，進行危險性分區評價，在勘察、施工階段有針對性的采取應對措施可有效確保工程安全。