王 旭, 趙其華, 2,*， 鄧 慶， 梁玉飛

0 引言

隨著人類工程建設(shè)區(qū)域的不斷擴(kuò)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(qū)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(xiàn)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(shè)活動至關(guān)重要。查明氣體成因機(jī)制，將施工風(fēng)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(xiàn)[1-2]通過對合武鐵路大別山金寨區(qū)段不明可燃?xì)怏w的研究認(rèn)為該氣體是由深部烴源巖產(chǎn)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(yùn)移至構(gòu)造裂隙發(fā)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(xiàn)[3-4]認(rèn)為圓梁山隧道中出現(xiàn)的氣體是由于隧道通過了可產(chǎn)生氣體的地層，毛壩向斜瀝青質(zhì)灰?guī)r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(chǎn)生瓦斯氣體。鄭安梁等[5]認(rèn)為杭新景高速公路窯山頂隧道出現(xiàn)不明可燃?xì)怏w是因?yàn)樵谒淼劳ㄟ^區(qū)的周邊有下石炭紀(jì)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(fā)育，因此，煤系地層中的易燃?xì)怏w通過斷裂、裂隙等通道運(yùn)移,儲存在砂巖的孔隙里。從現(xiàn)有的研究成果可以發(fā)現(xiàn)，對于工程活動中不明氣體成因機(jī)制的認(rèn)識主要有2種： 工程活動通過了可產(chǎn)生氣體的地層；工程活動區(qū)周邊地區(qū)有可產(chǎn)生氣體的地層，氣體通過斷層、裂隙等通道運(yùn)移至工程活動區(qū)。當(dāng)前對于不明氣體研究側(cè)重于氣體對于工程施工及運(yùn)營的影響評價，而對于氣體形成機(jī)制的研究涉及很少。

通過相關(guān)地質(zhì)調(diào)查及現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)既無可產(chǎn)生氣體的地層存在，也沒有斷層通過，巖石裂隙發(fā)育一般，當(dāng)前對不明氣體發(fā)育機(jī)制的認(rèn)識不能解釋該地區(qū)出現(xiàn)的不明氣體現(xiàn)象。本文以現(xiàn)場測試與全天候監(jiān)測為基礎(chǔ)，總結(jié)分析該不明氣體成分特征，采用資料收集、現(xiàn)場調(diào)查測試與監(jiān)測、室內(nèi)巖石學(xué)、地球化學(xué)試驗(yàn)等方法與手段，從不明氣體賦存地質(zhì)環(huán)境入手，探討該不明氣體的形成條件及其演化規(guī)律，研究分析一種新的不明氣體成因機(jī)制，以期為研究區(qū)工程項(xiàng)目的進(jìn)一步施工及具有相似地質(zhì)條件的隧道不明氣體研究提供參考。

1 工程概況

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

圖1 雅魯藏布江典型寬谷形態(tài)(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(zhì)巖。在隧道施工掘進(jìn)過程中，主要的工程地質(zhì)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?，F(xiàn)場實(shí)測鉆孔孔口附近不明氣體風(fēng)速約為59 m/s。不明氣體的出現(xiàn)直接影響隧道施工進(jìn)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(zhì)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(huán)境，即地質(zhì)條件入手，在收集基礎(chǔ)地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，深入分析該地區(qū)的地層巖性，判斷該地區(qū)地層是否能形成氣體；查明該地區(qū)的油氣資源及煤系地層分布，結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造、巖石裂隙發(fā)育情況，分析是否存在氣體由其他地區(qū)運(yùn)移而來的可能。

同時，基于現(xiàn)場氣體采樣和全天候監(jiān)測，對氣體分析測試，查明總結(jié)其成分特征及演化規(guī)律。

最后，若該地區(qū)地層不能形成氣體，且不符合氣體運(yùn)移條件，則對氣體賦存地區(qū)的巖石進(jìn)行地球化學(xué)分析，判斷周圍巖石是否與氣體成因有關(guān)。地質(zhì)環(huán)境不是一成不變的，它會隨著時間和環(huán)境的變化而不斷發(fā)展演化，現(xiàn)存的巖石也是由其他狀態(tài)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(zhì)條件

研究區(qū)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(jì)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(zhì)巖系；第四紀(jì)覆蓋層較薄，主要分布于雅魯藏布江河谷。無煤系地層發(fā)育。

隧道通過區(qū)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(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)、上更新統(tǒng)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(bǔ)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?？傮w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(bǔ)給。

圖3 研究流程圖Fig. 3 Research flowchart

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，該地區(qū)擬建場區(qū)地震動峰值加速度0.30g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，地震基本烈度為Ⅷ度。主要工程地質(zhì)問題是隧道掌子面左拱腰附近有不明氣體噴出。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該隧道通過區(qū)域巖石堅(jiān)硬、完整，結(jié)構(gòu)面發(fā)育一般，且無斷層通過(見圖4和圖5)。

西藏地區(qū)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(qū)工程地質(zhì)平面圖

圖6 西藏地區(qū)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(qū)煤系地層不發(fā)育，且不屬于任何含油氣盆地； 2)該隧道通過區(qū)無斷層通過，巖石堅(jiān)硬完整，結(jié)構(gòu)面發(fā)育較差，氣體運(yùn)移通道發(fā)育很差。因此，排除了該不明氣體是由其他地區(qū)運(yùn)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(jī)成因的氣體其主要成分一般為烴類，而無機(jī)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(jìn)行分析探討是最直接的途徑。

在該不明氣體出現(xiàn)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(diǎn)分別測試3次，取樣及檢測在挖掘機(jī)、鉆孔機(jī)等設(shè)備及施工均停工的情況下進(jìn)行，檢測項(xiàng)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(jié)果取3次測試的平均值，見表1。

檢測結(jié)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(jù)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(shù)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(jù)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(dá)183.3 mg/m3，約占不明氣體總體積的14.22%。

無機(jī)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(dá)183.3 mg/m3，明顯具有有機(jī)成因的特征；戴金星等[9]研究認(rèn)為二氧化碳含量大于60%均與無機(jī)成因有關(guān)，而該隧道中出現(xiàn)的不明氣體中二氧化碳約占67%，因此，該氣體又具有無機(jī)成因的特征。

綜上氣體成分分析結(jié)果表明，該不明氣體具有有機(jī)成因和無機(jī)成因氣體的雙重特點(diǎn)。

表1 不明氣體成分測試結(jié)果Table 1 Test results of unknown gas compositions

5 不明氣體成因機(jī)制

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

5.1 氣體有機(jī)成分來源

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

對試驗(yàn)的巖石樣品進(jìn)行編號，其中，1～4號巖石樣品為出氣口附近5 m范圍內(nèi)的巖石，5～20號巖石樣品采樣地點(diǎn)為距出氣口5 m范圍以外。

5.1.1 DF判別式法

DF函數(shù)判別式是由D.M.Shaw于1972年提出，用于確定變質(zhì)巖屬性(D.M.Shaw，1972)。檢驗(yàn)結(jié)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(zhì)巖，即由沉積巖經(jīng)過變質(zhì)作用形成的巖石；而其他位置巖樣為正變質(zhì)巖，即由巖漿巖經(jīng)過變質(zhì)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(zhì)巖的化學(xué)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(jì)算，得出巖石樣品的尼格里指數(shù)，投點(diǎn)結(jié)果見圖7。

表2 DF檢驗(yàn)計(jì)算值

A—鈣質(zhì)沉積巖； B—火山巖； C—泥質(zhì)沉積巖； D—砂質(zhì)沉積巖。

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

圖中1～4號點(diǎn)為出氣口附近位置的巖石樣品投點(diǎn)結(jié)果，5～20號點(diǎn)為研究區(qū)其他位置的巖石樣品投點(diǎn)結(jié)果。投點(diǎn)結(jié)果顯示，出氣口周圍巖樣投點(diǎn)于泥質(zhì)沉積巖區(qū)，其他位置巖樣投點(diǎn)于火山巖區(qū)。

5.1.3 變質(zhì)巖的等化學(xué)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(yīng)用于變質(zhì)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(guān)系，作者提出了鋁質(zhì)系數(shù)(A)、鈣質(zhì)系數(shù)(C)、鐵質(zhì)系數(shù)(F)和鎂質(zhì)系數(shù)(M)4個系數(shù)，它們的計(jì)算公式及通過對巖石主量元素含量數(shù)據(jù)分析計(jì)算處理后的計(jì)算結(jié)果如下：

Σ=Al2O3+CaO+FeO+Fe2O3+MgO。

A、C、F、M、Σ的系數(shù)投點(diǎn)如圖8所示。

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

圖8測區(qū)變質(zhì)巖等化學(xué)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(diǎn)的投點(diǎn)結(jié)果位于圖解Ⅴ區(qū)，表明其原巖為泥質(zhì)巖及部分膠體化學(xué)沉積，生成環(huán)境均為構(gòu)造穩(wěn)定的盆地環(huán)境；5～16號巖石樣點(diǎn)投點(diǎn)結(jié)果位于圖解Ⅸ區(qū)，表明其原巖為基性火山巖及部分泥灰質(zhì)巖石；17～20號巖石樣點(diǎn)投點(diǎn)結(jié)果位于圖解Ⅲ區(qū)，表明其原巖為中—酸性火山巖。

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

由巖石地球化學(xué)分析結(jié)果得到，在出氣口處巖石的原巖為泥質(zhì)沉積巖，泥質(zhì)沉積巖是有機(jī)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(jī)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(jī)質(zhì)在微生物或者適當(dāng)溫度條件下經(jīng)過生物化學(xué)作用或化學(xué)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(jù)前人研究，氣體中高含量的CO2是其無機(jī)成因的明顯標(biāo)志，故查明CO2的來源對該不明氣體成因機(jī)制的解釋至關(guān)重要。

通過現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)： 出氣口為直徑約80 cm的近圓形洞口，出氣口8～10 cm寬度內(nèi)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(xué)分析統(tǒng)計(jì)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(xué)分析統(tǒng)計(jì)表

從表4可以看出，隨著距離出氣口由遠(yuǎn)到近，巖石地球化學(xué)特征具有以下特點(diǎn)：

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

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

上述研究區(qū)巖石地球化學(xué)特征表明，出氣口中的物質(zhì)與其周圍一定范圍內(nèi)的巖石進(jìn)行了一定的巖石地球化學(xué)反應(yīng)，使得出氣口及其周圍一定范圍內(nèi)的元素發(fā)生了遷移，與測區(qū)較大范圍的巖石元素地球化學(xué)平均值有明顯的變化。

通過對研究區(qū)不同位置巖石進(jìn)行薄片鑒定觀察，得到出氣口處的變質(zhì)巖巖石中方解石含量高達(dá)70%以上，這與巖石的巖石地球化學(xué)特征相互對應(yīng)，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(fā)生反應(yīng)，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(xué)反應(yīng)的發(fā)生提供了適宜的高溫環(huán)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(fā)生如下反應(yīng)：

出氣口中前期儲集的氣體不斷與圍巖發(fā)生反應(yīng)，發(fā)生元素的遷移和富集，后期在巖漿作用和區(qū)域變質(zhì)作用中富集的碳酸鹽礦物不斷反應(yīng)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(jī)成因演化過程。

6 結(jié)論與體會

本文從川藏鐵路某隧道不明氣體噴出現(xiàn)象入手，在總結(jié)該不明氣體特征和區(qū)域地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，通過對氣體成分和研究區(qū)巖石地球化學(xué)特征的分析，對研究區(qū)變質(zhì)巖原巖進(jìn)行了恢復(fù)，對比分析隧道區(qū)域工程地質(zhì)條件和不明氣體特征，探討該隧道不明氣體形成機(jī)制，提出研究隧道不明氣體的新思路，得到主要結(jié)論與體會如下。

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

2)周邊地區(qū)無油氣資源和煤系地層分布，隧道通過區(qū)無斷層通過，巖石堅(jiān)硬完整，結(jié)構(gòu)面發(fā)育一般，氣體運(yùn)移通道不發(fā)育。

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

4)在此類地質(zhì)條件及形成機(jī)制下形成的不明氣體儲量有限，噴發(fā)現(xiàn)象隨時間不斷減弱，直至停止，對隧道運(yùn)營危險性不大。

5)本研究拓展了對復(fù)雜地質(zhì)條件地區(qū)不明氣體成因機(jī)制的認(rèn)識，對具有相似地質(zhì)條件地區(qū)的隧道工程不明氣體研究具有參考價值，為后續(xù)隧道工程建設(shè)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(xiàn)不明氣體為切入點(diǎn)，隨著隧道工程建設(shè)不斷向地質(zhì)環(huán)境更加復(fù)雜的地區(qū)擴(kuò)展，下一步還需要結(jié)合區(qū)域地質(zhì)演化歷史對不明氣體成因機(jī)制進(jìn)行更深入的研究。在隧道建設(shè)前需要加強(qiáng)勘查與地質(zhì)預(yù)報，并且對隧道通過區(qū)域的地質(zhì)演化歷史要有所了解，不同的地質(zhì)演化歷史，可能會出現(xiàn)不同的工程地質(zhì)問題，了解地質(zhì)演化歷史則有助于把握工程中可能出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題。

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