張吉祿,劉新榮,周小涵,*,祁占鋒,劉瀚之,劉煜宇,孫 浩,吳 濤

(1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶 400045; 2.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710043;3.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶 400074)

0 引言

根據(jù)隧道是否穿越煤層,可將隧道分為煤系隧道和非煤系隧道[1-2]。煤系隧道由于煤層位置較固定,在勘察設(shè)計、施工過程中可提前利用成熟技術(shù)手段進(jìn)行預(yù)測,并有針對性采取防治措施[3]。隨著隧道工程建設(shè)規(guī)模不斷增大,穿越非煤系地層隧道有害氣體突出事故也大量增加[4-6],原因在于:1)非煤系隧道有害氣體來源復(fù)雜,受地層巖性以及構(gòu)造影響顯著; 2)非煤系地層有害氣體分布具有隨機(jī)性,且氣體成分相比煤系隧道更為復(fù)雜; 3)學(xué)術(shù)界和工程界均缺乏對非煤系隧道有害氣體的深入研究和清晰認(rèn)識,因此無法在線路規(guī)劃階段或施工過程中針對性地進(jìn)行預(yù)測與識別,尤其非煤系復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造地層中有害氣體帶來的各種問題和安全事故近年來已引起人們廣泛關(guān)注。

隧道圍巖有害氣體逸出量及種類與穿越地層構(gòu)造密切相關(guān),諸多學(xué)者在巖層氣體成藏機(jī)制及隧道圍巖氣體運移模式等方面開展了大量研究。其中,針對有害氣體成藏機(jī)制,王萬春等[7]基于氣體烴類組分對淺層生物氣藏成因類型進(jìn)行劃分,提出不同成因氣藏判別方法; 李美俊等[8]基于區(qū)域地質(zhì)演化特征對北部灣盆地CO2成藏機(jī)制進(jìn)行分析,研究表明殼?；旌铣梢蚴茄芯繀^(qū)域CO2的主要生成途徑,而斷裂活動對高濃度CO2的聚集起到了控制作用; 龐雄奇等[9]對深層及超深層碳酸鹽巖和砂巖油氣藏地質(zhì)特征進(jìn)行總結(jié),并在此基礎(chǔ)上根據(jù)氣藏成因?qū)⒅袊顚蛹俺顚託獠貏澐譃?種類型,并對不同類型氣藏含氣量進(jìn)行了評價。在圍巖有害氣體運移模式研究方面,康小兵[10]基于非煤系地層有害氣體孕育機(jī)制,提出了隧道有害氣體逸出的3種模式:構(gòu)造連通型、圍巖變質(zhì)型及復(fù)合成因型,并針對深埋隧道有害氣體逸出評價給出建議;蘇培東等[11]以大(理)臨(滄)鐵路紅豆山隧道為例,結(jié)合隧道地質(zhì)構(gòu)造與現(xiàn)場監(jiān)測,明確隧道內(nèi)有害氣體為巖漿-幔源及變質(zhì)混合成因,斷層既表現(xiàn)為儲氣作用,同時也是深部氣體向淺層地表運移的通道;李科等[12]以鷓鴣山隧道為例對隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及現(xiàn)場瓦斯?jié)B出參數(shù)進(jìn)行分析,明確鷓鴣山隧道為圍巖變質(zhì)型瓦斯隧道,其瓦斯突涌主要受深埋地層上覆壓力影響,千枚巖良好的儲氣條件為瓦斯突出提供了充足氣源。

目前,針對隧道圍巖有害氣體成因及運移模式的研究多集中于具體隧道案例,對非煤系復(fù)雜構(gòu)造地層有害氣體的孕育與賦存機(jī)制尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識,尤其當(dāng)隧道穿越構(gòu)造活躍區(qū)時,由于勘探密度限制無法對有害氣體工程影響形成定量評價。川西藏東地區(qū)在印度板塊與歐亞板塊的碰撞和持續(xù)壓縮下產(chǎn)生大量斷裂構(gòu)造,地層巖性復(fù)雜多變。在極復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造條件下,地層內(nèi)有害氣體孕育機(jī)制及氣藏分布尚不明確,隧道圍巖有害氣體運移模式復(fù)雜多變,因而現(xiàn)有研究成果無法為川西藏東地區(qū)隧道建設(shè)有害氣體的預(yù)測與工程評價提供指導(dǎo)。

根據(jù)川西藏東區(qū)地質(zhì)演化的相關(guān)研究成果,對區(qū)域內(nèi)有害氣體成因進(jìn)行研究,基于地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造特點對有害氣體賦存及運移模式進(jìn)行分析,明確區(qū)域內(nèi)主要氣藏類型及范圍,建立隧道圍巖高濃度有害氣體逸出風(fēng)險評價體系,以期為川西藏東極復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造地層隧道施工有害氣體預(yù)測提供理論依據(jù)。

1 川西藏東地層演化及構(gòu)造概述

1.1 區(qū)域演化及巖層分布特征

川西藏東地區(qū)主要地層包括:岡底斯—喜馬拉雅地層大區(qū)、班公湖—怒江—昌寧板地層大區(qū)、羌塘—三江地層大區(qū)及揚子地層大區(qū)(如圖1所示)。各地層區(qū)域在青藏高原演化中經(jīng)歷了不同程度的構(gòu)造作用,區(qū)域內(nèi)構(gòu)造特點及巖層分布存在較大差異,區(qū)域內(nèi)地層巖性如圖2[13]所示。

圖1 川西藏東地層分區(qū)

圖2 川西藏東地區(qū)地層巖性分布

川西藏東地區(qū)岡底斯—喜馬拉雅地層構(gòu)造活動最為強烈,研究區(qū)域大部分為酸性—中酸性巖漿巖帶,主要以喜山期、燕山期及元古宙花崗巖為主; 班公湖—怒江—昌寧構(gòu)造地層是拉薩地體北部弧后一系列小洋盆地消亡遺留的殘跡,地層內(nèi)分布有淺濱相、濱海相、陸相等沉積,且未見高壓—超高壓變質(zhì)巖; 羌塘—三江區(qū)域地層形成時間主要為三疊紀(jì)—白堊紀(jì)。其中,川西藏東地區(qū)分布最廣泛的含煤地層主要形成于三疊紀(jì),而南部地區(qū)形成少量侏羅紀(jì)沉積地層,在甘孜—玉樹斷裂帶及龍門山斷裂帶周圍形成了燕山期、喜山期酸性—中酸性巖漿巖帶; 揚子地層由于二疊紀(jì)早期之后的沉積作用,主要以內(nèi)陸湖盆沉積為主,沉積地層種類較多,沉積中分布含煤組合。

1.2 斷裂構(gòu)造分布特征

受印度板塊的擠壓作用,青藏高原構(gòu)造活動強烈,板塊過渡地帶深大斷裂發(fā)育密集。川西藏東地區(qū)主要為深大斷裂構(gòu)造,主要斷裂帶分布如圖3所示。其中,雅魯藏布江斷裂帶、怒江斷裂帶、金沙江斷裂帶、鮮水河斷裂帶屬于巖石圈斷裂,其余均為地殼斷裂。區(qū)域內(nèi)斷裂帶多以走滑為主,第四紀(jì)以來活動明顯,且走滑活動速率較快(達(dá)5～10 mm/a)[14]。

圖3 主要斷裂帶分布

1.3 地?zé)豳Y源分布特征

青藏高原在新構(gòu)造運動下的急劇隆升造就下地殼深部熔融型巖漿源區(qū)和中部的局部低速熔融層;同時,在上地殼還存在淺成侵位巖漿囊和局部帶狀熔融體,形成青藏高原特有的“熱殼冷?！爆F(xiàn)象[13]。青藏高原大地?zé)崃髡w上呈現(xiàn)“西高東低”的趨勢(見圖4)。熱流值可在一定程度上反映地層內(nèi)熔融體對淺層巖層影響,熱流值越高表明熔融體作用越強烈或者與地表距離越近,川西藏東區(qū)域林芝—波密一帶大地?zé)崃髯顬轱@著。

圖4 大地?zé)崃鞣植?/p>

雖然藏東區(qū)域平均地溫為中—低地?zé)釁^(qū),但是局部熱害現(xiàn)象嚴(yán)重,高溫異常區(qū)主要集中于斷裂帶附近呈“條”狀分布,熱泉出露點密集[15](見圖5)。其中,藏東區(qū)域熱泉帶主要沿八宿—左貢—波密一線展布,川西區(qū)域熱泉主要沿康定—理塘—巴塘一線展布[14,16]。

圖5 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造與水熱分布

1.4 礦產(chǎn)資源分布特征

川西藏東地區(qū)強烈的地質(zhì)構(gòu)造導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)分布大量礦產(chǎn)資源,如圖6所示。川西藏東已探明的金屬礦包括銅、鉛、鋅、汞等百余處,其礦脈多呈“帶”狀分布,集中于板塊構(gòu)造帶附近,且在酸性-中酸性巖漿巖內(nèi)、酸性巖漿巖與碳酸巖交匯處及砂巖沉積地層內(nèi)賦存較多[17]。

圖6 區(qū)域礦產(chǎn)資源分布

川西藏東煤炭及石油資源主要分布于盆地內(nèi),其中已探明煤礦主要集中于昌都盆地、北部羌塘盆地。按煤炭資源量劃分,主要含煤地層依次為:早石炭世馬查拉組,晚二疊世妥壩組、晚三疊世土門格拉組、巴貢組[18]。天然氣石油資源出產(chǎn)地層種類眾多,且與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系密切,無法一一列舉,主要分布于羌塘地區(qū)。目前在泥頁巖、砂巖與碳酸巖中發(fā)現(xiàn)石油較多,生油地層主要包括上侏羅統(tǒng)索瓦組、中侏羅統(tǒng)布曲組復(fù)合夏里組、巴貢組等,而頁巖氣主要分布于震旦系陡山沱組、大塘坡組、寒武系筇竹寺組等10余類地層[19]。

2 巖層有害氣體孕育機(jī)制及組分特征

2.1 巖石伴生有害氣體

2.1.1 巖漿巖

巖漿自深部向淺層地表入侵過程伴隨著壓力減小及溫度降低,當(dāng)巖漿巖中揮發(fā)組分豐度超出既定壓力和溫度條件下的溶解度時,就會發(fā)生脫氣作用;脫氣后,部分揮發(fā)氣體將沿巖層裂隙或孔隙介質(zhì)進(jìn)行運移與儲存,最終形成高濃度有害氣體氣藏。巖漿巖脫氣組分按含量劃分主要包括H2O、CO2、S(S2-、SO42-)及Cl等[20]。巖漿巖中不同巖石類型及礦物成分含量都會對脫氣量產(chǎn)生影響。一般認(rèn)為巖漿巖中氣體含量從超基性、基性、中性到酸性依次減少。其中,CO2以碳酸鹽與分子的形式存在于巖漿巖中,而硫化物主要存在于硅酸鹽中。

酸性巖漿巖中SiO2含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))最高(>63%),其與金屬氧化物反應(yīng)可生成硅酸鹽,在脫氣過程中金屬礦物易從硅酸鹽中出熔,從而形成金屬礦脈,主要金屬礦產(chǎn)包括鎢、錫、鈹、銅、鉛、鋅、鐵、金、鈮、鉭、稀土等礦物。其中,鋅、鉛礦粉塵具有毒性,影響神經(jīng)、血液系統(tǒng)及骨骼;銅礦伴生含硫氣體也會危害身體健康。因此,對于酸性巖漿巖,其有害氣體不僅來源于巖漿脫氣,還來源于金屬礦中的賦存。

中性巖漿巖中SiO2含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))介于52%～63%,巖漿巖脫氣過程也可形成多種礦脈,主要包括鐵、銅、鉛、鋅等,但其儲量要小于酸性巖漿巖。

基性(45%～52%)與超基性(<45%)巖漿巖中堿質(zhì)含量高的堿性巖漿巖一般被認(rèn)為是良好的CO2成藏地層。現(xiàn)有研究表明,堿性程度與CO2含量呈正相關(guān),目前所發(fā)現(xiàn)的堿性巖漿巖氣藏中堿性玄武巖的CO2含量最高[21]。

此外,巖漿巖中有害氣體含量還與構(gòu)造活動時間密切相關(guān)。構(gòu)造活動時間越近,構(gòu)造活動越強烈,一般高濃度有害氣體含量也就越多。目前所發(fā)現(xiàn)的大型CO2氣藏多形成于新生代時期[22]。

巖漿巖作為一種低孔隙度巖體,其自身就是良好的儲氣蓋層。一般巖漿巖形成的有害氣體多賦存于脫氣巖層內(nèi),形成大小不一的氣囊,在多期地質(zhì)構(gòu)造作用下氣囊壓力逐漸增加,其孕育及賦存示意如圖7所示。

圖7 巖漿巖孕育有害氣體賦存模式

2.1.2 變質(zhì)巖

川西藏東地區(qū)主要有害氣體賦存變質(zhì)巖為矽卡巖。矽卡巖主要形成于酸性巖漿巖與碳酸巖接觸區(qū)域,是一種富礦巖石。一方面,矽卡巖在變質(zhì)過程中因酸性物質(zhì)與碳酸鹽反應(yīng)而釋放大量CO2,形成CO2的富集,其中鈣質(zhì)矽卡巖的CO2含量最高。相關(guān)研究表明,矽卡巖化碳排放量不亞于火山活動釋放CO2[23],部分矽卡巖形成過程CO2釋放化學(xué)反應(yīng)方程如表1所示。另一方面,矽卡巖是鐵、銅、金、鎢、鋅、鉬、錫等礦物形成的礦床,與金屬礦相關(guān)的有害氣體及劇毒礦物粉塵也容易在該類巖石中產(chǎn)生富集[24]。

表1 部分矽卡巖形成過程CO2釋放化學(xué)反應(yīng)方程

矽卡巖內(nèi)CO2及其他有害氣體的賦存量與矽卡巖變質(zhì)過程熱液活動頻率及形成時間也存在較明顯的聯(lián)系。一般而言,熱液活動越頻繁、形成時間越晚,巖層內(nèi)有害氣體的釋放量越大。

矽卡巖釋放的CO2主要賦存空間分布與礦脈分布以及碳酸巖與巖漿巖接觸帶分布保持一致。由于賦存環(huán)境巖石為低孔隙度巖石,因此CO2在該類區(qū)域主要通過氣囊形式賦存。此外,有少量氣體在形成過程中以晶體包裹體形式賦存于巖石內(nèi)部,其賦存模式如圖8所示。

圖8 變質(zhì)巖孕育有害氣體賦存模式

2.1.3 沉積巖

青藏高原特殊的演化歷史使研究區(qū)域內(nèi)沉積巖分布類型眾多,川西藏東地區(qū)主要為海相沉積,其中煤礦、石油、天然氣主要孕育于昌都盆地內(nèi)[18-19],其伴生有害氣體主要為CH4。其中煤層中的CH4以吸附態(tài)和游離態(tài)2種形式存在于大孔隙的煤巖內(nèi),當(dāng)環(huán)境壓力降低或溫度升高時釋放有害氣體。而石油和天然氣成因主要有無機(jī)成因和有機(jī)成因2種,其大量儲存于頁巖及泥巖等蓋層中[25]。沉積巖地層典型有害氣體賦存模式如圖9所示。此外,研究區(qū)域內(nèi)沉積巖也存在一定規(guī)模的金屬礦,主要包括鐵、鋁、錳等,其中鐵礦可伴生一定的CO、CO2及H2S,而其他種類金屬礦有害氣體富集現(xiàn)象不明顯。

圖9 沉積巖孕育有害氣體賦存模式

2.2 深大斷裂運移有害氣體

斷裂帶內(nèi)有害氣體主要來源于深部地幔脫氣及斷裂帶周圍巖體內(nèi)的巖層氣體。斷裂帶對有害氣體的運移主要體現(xiàn)在斷裂帶的擴(kuò)散及對流作用[26],不同斷裂深度及構(gòu)造特征均對斷裂帶內(nèi)有害氣體種類與含量產(chǎn)生顯著影響。

2.2.1 斷裂帶深度對有害氣體運移影響

根據(jù)斷裂帶內(nèi)深部有害氣體賦存與運移模式可將斷裂帶有害氣體賦存模式分為A、B、C 3種類型[11],見圖10。其中,類型A為巖石圈斷裂,通常切割深度可達(dá)到莫霍面或地幔,因此深部脫氣產(chǎn)生CO2、H2S、SO2等氣體可通過斷裂直接運移至淺部并賦存;類型B為深層地殼斷裂,其切割較深,雖然深部有害氣體無法直接進(jìn)入斷裂內(nèi),但是斷裂帶下部高滲透性巖層及破碎帶等為深部氣體的運移提供了通道,因此,該類斷裂帶中通常也賦存一定深部有害氣體,但是含量相較于巖石圈斷裂一般較少;而類型C為淺層地殼斷裂,其內(nèi)一般不含深部有害氣體,斷裂帶內(nèi)有害氣體主要由斷裂帶兩側(cè)巖層產(chǎn)生并于斷裂帶內(nèi)富集,有害氣體類型與周圍巖層密切相關(guān)。

圖10 斷裂帶有害氣體賦存模式

2.2.2 斷裂帶構(gòu)造對有害氣體運移的影響

斷裂帶構(gòu)造對有害氣體的影響主要體現(xiàn)在不同斷裂類型、斷裂活動特征及斷裂結(jié)構(gòu)等方面[27-28]。不同斷裂類型對裂隙滲透性存在影響,相同條件下,走滑斷層一般滲透性更高,更有利于有害氣體的運移,尤其相比逆斷層,逆斷層所形成的斷裂一般為非開放性斷裂。斷裂活動對有害氣體含量產(chǎn)生影響,斷層滑動速率越快,說明構(gòu)造活動越強烈,而有害氣體含量與活動強弱及地震活動強度呈正相關(guān)。斷裂結(jié)構(gòu)對有害氣體運移的影響主要體現(xiàn)在分支斷裂深部有害氣體含量總體低于主斷裂。

2.3 水熱循環(huán)運移有害氣體

2.3.1 水熱循環(huán)對有害氣體賦存的影響

水熱循環(huán)對有害氣體運移的影響主要體現(xiàn)在高地溫將加速裂隙內(nèi)冷熱水循環(huán),而在水循環(huán)的同時也加速了深部氣體向淺層地表的運移,但是不同地?zé)岱植继卣骷暗叵滤h(huán)模式對有害氣體運移效果也存在較大影響。

地?zé)釋Φ叵滤h(huán)的影響主要體現(xiàn)在地溫與熱源類型2方面。其中,地溫增加將降低水中氣體的溶解度,使更多氣體處于游離態(tài),也提高了巖層間有害氣體的濃度;熱源類型主要影響裂隙內(nèi)冷熱水循環(huán)效率,其中幔源、軟流層熱源主要通過加熱深大斷裂中的流體(水)來改變淺部地層溫度的分布,區(qū)域地溫分布特征表現(xiàn)為自斷裂帶向四周快速衰減。

深部熱源加熱的地下水熱流值相對更高,對斷裂內(nèi)水的循環(huán)效率提升更高;而中部地殼熔融層熱源、上地殼熱源是青藏高原“熱殼冷?！钡牡湫吞攸c,在地層的擠壓、剪切等構(gòu)造運動作用下,該類熱源通過熱傳導(dǎo)使區(qū)域內(nèi)地層溫度普遍升高,無論在斷裂帶還是巖體內(nèi)溫度差距均較小,且該類熱流值相對深部熱源較小,對裂隙水的加熱效果及運移效率相對前者要低。

斷裂帶內(nèi)地下水主要通過大氣降水補給,冷水進(jìn)入斷裂帶后,經(jīng)高溫加熱向地表遷移而產(chǎn)生熱泉。根據(jù)斷裂帶內(nèi)水熱運移模型不同,可將斷裂帶水循環(huán)系統(tǒng)分為5種類型[29](如圖11所示)。類型Ⅰ,深大主斷裂控制:該類水循環(huán)系統(tǒng)在深大斷裂內(nèi)運移,導(dǎo)熱性能高,對深部有害氣體運移效果好,受外界環(huán)境影響小。類型Ⅱ,次級斷裂控制:水循環(huán)主要來自主斷裂,是主斷裂水循環(huán)系統(tǒng)的分支,其含水量、導(dǎo)熱性能、深部有害氣體含量等均低于主斷裂。類型Ⅲ,次斷裂與可溶巖控制:水循環(huán)來自主斷裂,但是地下水分布、導(dǎo)熱性能等受次斷裂及可溶巖影響顯著,且深度越淺受環(huán)境影響越大;循環(huán)過程水中物質(zhì)與可溶巖反應(yīng)易形成溶腔,進(jìn)而賦存有害氣體,但該類型水循環(huán)系統(tǒng)攜帶的深部有害氣體含量相對類型Ⅰ較低。類型Ⅳ,深大主斷裂與高滲透性巖石控制:水循環(huán)經(jīng)高滲透性巖石進(jìn)入主斷裂,并經(jīng)主斷裂加熱后攜帶深部有害氣體從高滲透性巖石區(qū)域逸出,該類地下水循環(huán)系統(tǒng)導(dǎo)熱性能較好,相比類型Ⅰ,地下水逸出通道富水量及有害氣體含量較低,深部有害氣體主要賦存于高滲透性巖石內(nèi)部。類型Ⅴ,淺層斷裂控制:水循環(huán)通過高滲透性巖石或裂隙進(jìn)入斷裂內(nèi),通常該類斷裂帶深度較淺,斷裂帶內(nèi)水溫受周圍環(huán)境影響顯著,其水循環(huán)系統(tǒng)基本不含深部有害氣體,而類型Ⅰ深大主斷裂控制水熱循環(huán)對深部有害氣體的運移效率最高。

圖11 斷裂帶水熱循環(huán)運移有害氣體模式

2.3.2 水熱循環(huán)運移有害氣體模式

水熱活動對斷裂帶內(nèi)有害氣體運移的影響主要包含2方面:1)當(dāng)有害氣體為可溶氣體時,由于斷裂帶內(nèi)富集地下水,深部有害氣體溶于地下水,從高濃度向低濃度區(qū)域擴(kuò)散,同時斷裂帶內(nèi)水熱循環(huán)也進(jìn)一步加速了深部溶質(zhì)向淺部運移的過程; 2)當(dāng)有害氣體為不可溶氣體時,在斷裂帶水熱運移的動力作用下該類氣體與裂隙水形成水-氣二相滲流,自深部運移至淺部地層賦存。斷裂帶運移有害氣體模式如圖12所示。水熱活動運移有害氣體與斷裂帶富集氣體種類及來源一致,均為深部地層釋放的有害氣體。

(a) 可溶氣體

對于非斷裂帶影響區(qū)域,地層熱源類型以及地溫分布也對有害氣體賦存產(chǎn)生一定影響。研究表明:巖漿巖地層局部高地溫現(xiàn)象與巖漿活動密切相關(guān),巖漿活動程度越強烈、活動時間越晚,地溫就越高,巖層內(nèi)巖漿巖脫氣伴生有害氣體賦存的含量也就越高。

3 復(fù)雜地層有害氣體逸出風(fēng)險評價體系

3.1 地層主要有害氣體賦存區(qū)域分布

根據(jù)巖石類型及地質(zhì)演化劃分,川西藏東地層賦存有害氣體主要種類及分布如圖13所示。巖層有害氣體主要賦存于昌都盆地以西及龍門山斷裂以東區(qū)域,其中,斷裂帶附近花崗巖地層主要賦存CO2、SO2、H2S等巖漿巖冷凝脫氣釋放的有害氣體; 林芝東南部混雜巖帶由于兼具沉積巖及巖漿巖等多種巖石,因此該區(qū)域巖石釋放有害氣體來源及成因眾多,無代表性有害氣體; 班公湖—怒江地層、羌塘—三江地層多以三疊系與白堊系沉積為主,比如盆地與昌都盆地的聚煤效應(yīng)使該區(qū)域巖層內(nèi)CH4產(chǎn)生大量聚集; 揚子地層內(nèi)地層沉積時期分布廣泛,但是在龍門山斷裂附近存在較多油氣資源,生油地層主要為二疊系及寒武系泥質(zhì)灰?guī)r及炭質(zhì)頁巖,并在隱伏斷裂或各類蓋層內(nèi)富集,因此該區(qū)域巖層內(nèi)也廣泛分布CH4;在德格—甘孜—白玉附近存在較多鐵、銅礦脈,故該區(qū)域巖石伴生CO2與SO2較多;在川西藏東區(qū)域內(nèi)還零星分布有超鐵鎂質(zhì)巖(基性巖),主要產(chǎn)生CO2有害氣體。此外,在理塘西側(cè)還分布有規(guī)模不等的鋅鉛礦,雖然不伴生有害氣體,但是施工過程產(chǎn)生的鋅鉛粉塵對身體有毒性。

圖13 川西藏東地層賦存有害氣體種類及分布

斷裂帶賦存有害氣體(CO2、SO2、H2S)區(qū)域劃分主要參考斷裂帶熱水影響區(qū)域進(jìn)行,其中深部有害氣體主要賦存于雅魯藏布江斷裂帶、怒江斷裂帶、金沙江斷裂帶、甘孜理塘斷裂帶及鮮水河斷裂帶周圍。

3.2 有害氣體逸出風(fēng)險評價方法

3.2.1 評價體系指標(biāo)因素

川西藏東地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,地層有害氣體的賦存不僅有巖石孕育有害氣體還有斷裂帶運移深部有害氣體;不同環(huán)境有害氣體孕育過程差異顯著,且賦存模式與種類也存在明顯差異,因此對巖層內(nèi)有害氣體賦存狀態(tài)的評價需同時考慮地質(zhì)演化、巖石類型、地層結(jié)構(gòu)等眾多因素。

根據(jù)川西藏東地質(zhì)演化特點,建立復(fù)雜地質(zhì)有害氣體逸出風(fēng)險評價體系(見圖14),評價體系各因素分值通過對相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜艺{(diào)查問卷獲得。研究區(qū)域內(nèi)隧道圍巖高濃度有害氣體逸出氣源主要包括巖層孕育有害氣體與斷裂帶運移有害氣體2類。其中,巖層孕育有害氣體主要賦存于多孔巖體儲層或閉合裂隙內(nèi)。開放型斷裂帶對巖層有害氣體賦存能力較差,但是深大斷裂為深部有害氣體運移賦存提供了有利條件;而水熱活動可在一定程度上加速地層內(nèi)有害氣體的運移效率或提高賦存含量,因此評價體系中地層巖性與斷裂構(gòu)造為主要控制因素。

圖14 復(fù)雜地層有害氣體逸出風(fēng)險評價體系

地層巖性按照巖石成巖類型進(jìn)行劃分,主要分為巖漿巖、變質(zhì)巖與沉積巖。巖漿巖孕育有害氣體含量主要與巖石酸堿性質(zhì)及成巖時期相關(guān),巖石中堿度越高、形成時期越晚,有害氣體儲量越大。研究區(qū)域內(nèi)變質(zhì)巖孕育有害氣體多發(fā)生于矽卡巖內(nèi),矽卡巖孕育有害氣體含量與種類根據(jù)其產(chǎn)出礦物不同而有所差異,一般鈣質(zhì)矽卡巖內(nèi)CO2含量較高。

矽卡巖礦物含量及有害氣體儲量均與熱液活動呈正相關(guān)。沉積巖有害氣體主要賦存于礦層及儲氣層內(nèi),按照不同礦物劃分為油氣儲層、含煤地層、富礦地層及其他地層,當(dāng)?shù)V層大量聚集時,在礦層或高滲透性儲氣層內(nèi)極易賦存高濃度有害氣體。因此,沉積巖中有害氣體含量與所處區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān),盆地內(nèi)沉積巖礦物儲量最高,且有害氣體賦存也最高。

斷裂構(gòu)造內(nèi)有害氣體濃度與種類主要受斷裂帶深度、活動速率及地層構(gòu)造影響。其中斷裂深度對斷裂帶有害氣體賦存含量及種類影響最為顯著,當(dāng)斷裂帶深度達(dá)到巖石圈時,斷裂帶內(nèi)賦存高濃度深部有害氣體。通常斷裂帶的構(gòu)造活動會使斷層內(nèi)有害氣體含量出現(xiàn)突變,構(gòu)造活動越頻繁,深部有害氣體通過斷層向淺層地表運移的速率也越快。此外,斷層地質(zhì)構(gòu)造也對有害氣體的運移速率與含量產(chǎn)生影響,逆斷層在擠壓作用下斷裂帶裂隙閉合程度較高,其滲透率也相應(yīng)降低,走滑斷層產(chǎn)生的斷裂一般較深,斷裂帶裂隙開度也較高,因此走滑斷裂內(nèi)有害氣體含量一般高于其他類型斷裂構(gòu)造[30]。

水熱分布對有害氣體賦存含量及運移速率的影響主要受地下水循環(huán)模式控制,當(dāng)?shù)叵滤h(huán)為深大主斷裂控制時,斷裂帶內(nèi)水循環(huán)效率最高。一方面地溫影響地下水循環(huán)速度,地溫越高斷裂帶內(nèi)冷熱水循環(huán)速度越快;另一方面,高溫降低流體溶解度使更多氣體隨地下水運移進(jìn)入巖層。

3.2.2 評價體系計算方法

體系按照各影響因素賦值高低劃分為5個風(fēng)險等級。其中,極低—低風(fēng)險等級可在加強超前地質(zhì)預(yù)報基礎(chǔ)上按照一般隧道有害氣體防治措施進(jìn)行施工;中風(fēng)險等級需對重點區(qū)段進(jìn)行處理,主要通過加強通風(fēng)與人員防護(hù)方式進(jìn)行;高—極高風(fēng)險等級需針對具體有害氣體進(jìn)行針對性處理,風(fēng)險等級具體劃分區(qū)段及對應(yīng)措施見表2。評價體系計算方法為:

表2 復(fù)雜地層有害氣體逸出風(fēng)險評價等級與施工對策

Q=aQR+bQC+QW。

(1)

式中:Q為逸出風(fēng)險評價值;QR為巖層有害氣體逸出風(fēng)險評價值;QC為斷裂有害氣體逸出風(fēng)險評價值;QW為水熱影響風(fēng)險評價值;a與b分別為巖石孕育有害氣體及斷裂帶賦存有害氣體影響系數(shù)。

當(dāng)有害氣體主要為巖石伴生氣體時,斷裂帶對氣體賦存存在不利影響;當(dāng)斷裂帶運移深部氣體為主要有害氣體時,周圍巖層伴生氣體對斷裂帶氣體影響較小。因此,系數(shù)a與b有如下關(guān)系:

(2)

3.3 評價效果驗證

某隧道位于雅安市,隧道穿越貢嘎山自然保護(hù)區(qū),隧道施工過程發(fā)生高濃度有害氣體突出,氣體組分如表3所示。經(jīng)現(xiàn)場檢測,有害氣體主要為CO2,體積分?jǐn)?shù)達(dá)98.35%。隧道CO2逸出量監(jiān)測如圖15所示,隧道CO2最大日逸出量約為1.2萬m3,檢測期間內(nèi)CO2總逸出量達(dá)6.4萬m3,隧道掌子面前方50 m范圍內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)超規(guī)范限值。貢嘎山受鮮水河斷裂帶活動影響顯著,貢嘎山活動速率為5～6 mm/a,區(qū)域斷裂分布密集,斷裂類型多以走滑為主,巖漿巖多形成于新生代地殼局部熔融;有害氣體突出區(qū)域隧道圍巖巖石類型主要為英云閃長巖,為中性巖漿巖;經(jīng)地勘揭示,隧道施工區(qū)段前100 m處存在斷裂構(gòu)造,斷裂類型為淺層斷裂,施工區(qū)域圍巖分級為Ⅲ級,施工段處受斷裂帶影響較小。區(qū)域內(nèi)有害氣體成因主要包含:1)中性巖漿巖冷凝釋放有害氣體并儲存于裂隙巖體內(nèi);2)斷裂帶富集有害氣體通過巖石裂隙運移至周圍巖層內(nèi)并在構(gòu)造作用下封閉、儲存。開挖段揭露有害氣體主要由因素1)產(chǎn)生。此外,現(xiàn)場局部還存在高地溫現(xiàn)象,平均巖溫約26 ℃,為低高溫段。

表3 隧道圍巖有害氣體成分檢測

圖15 隧道CO2逸出量監(jiān)測

通過上文評價方法對現(xiàn)場有害氣體突出區(qū)段風(fēng)險進(jìn)行計算,得出有害氣體突出段分?jǐn)?shù)為64分,屬高風(fēng)險區(qū)段,計算結(jié)果與現(xiàn)場情況較為一致。

4 結(jié)論與討論

1)川西藏東地區(qū)地質(zhì)演化復(fù)雜,頻繁的構(gòu)造活動導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)巖層差異巨大,巖層孕育有害氣體類型眾多,主要包括巖漿巖脫氣孕育氣體、變質(zhì)巖化學(xué)反應(yīng)釋放氣體、沉積巖油氣礦藏富集氣體、金屬礦伴生氣體等。其中,巖漿巖中有害氣體主要賦存于入侵通道形成的氣囊內(nèi);變質(zhì)巖孕育有害氣體主要賦存于酸性巖漿巖與碳酸巖接觸面以及金屬礦附近;沉積巖孕育有害氣體主要賦存于油氣蓋層內(nèi)。

2)根據(jù)斷裂構(gòu)造深度與深部有害氣體連通的狀態(tài),將斷裂帶劃分為3種類型:巖石圈斷裂、深層地殼斷裂、淺層地殼斷裂。根據(jù)循環(huán)方式不同,斷裂帶水熱循環(huán)模式可歸納為5種類型:深大主斷裂控制型、次級斷裂控制型、次斷裂與可溶巖控制型、深大主斷裂與高滲透性巖石控制型、淺層斷裂控制型,其中深大主斷裂控制型水熱循環(huán)對深部有害氣體運移效率最高。斷裂帶對有害氣體的運移主要分為可溶氣體的物質(zhì)擴(kuò)散和不可溶氣體的水力運移2類。

3)基于川西藏東地區(qū)地層巖性及斷裂構(gòu)造特征,對地層主要賦存有害氣體種類及范圍進(jìn)行劃分。其中,巖漿巖脫氣孕育有害氣體主要分布于林芝—波密以南和斷裂帶附近;CH4主要富集于昌都盆地;金屬礦伴生CO2、SO2(其中SO2易氧化,因此賦存量較小)等有害氣體主要分布于德格—甘孜—白玉一帶。理塘以西礦產(chǎn)多以鋅鉛礦為主,雖無伴生有害氣體,但是其礦物粉塵具有毒性。

4)川西藏東極復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域隧道前期線路規(guī)劃尚無明確統(tǒng)一的評價體系適用于預(yù)測地層有害氣體賦存種類與狀態(tài)。根據(jù)研究區(qū)域地層巖性、斷裂構(gòu)造、水熱分布特點,建立復(fù)雜地層有害氣體逸出風(fēng)險評價體系。其中,地層巖性主要考慮巖石類型、礦物成分、演化歷史、位置區(qū)域等因素對巖層氣體孕育的影響;斷裂構(gòu)造主要考慮斷裂深度、構(gòu)造類型及活動速率對深部氣體釋放的影響;水熱分布主要考慮地下水循環(huán)模式、地溫分布及熱源類型等對有害氣體運移效率的影響。該評價體系充分考慮了復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域地層演化及構(gòu)造活動等對有害氣體賦存-運移的影響,體系根據(jù)隧道開挖高濃度有害氣體逸出可能性劃分為5個風(fēng)險等級,并針對不同逸出風(fēng)險提出了相應(yīng)防治建議。

本文研究基于不同巖石演化及地質(zhì)構(gòu)造孕育有害氣體特征,對穿西藏東地區(qū)多種有害氣體賦存分布進(jìn)行了劃分,并建立了復(fù)雜地層有害氣體逸出風(fēng)險評價體系。該評價體系主要用于預(yù)測地層內(nèi)有害氣體賦存可能性,然而隧道內(nèi)有害氣體濃度不僅與地層氣體富集含量有關(guān),同時也與隧道掌子面大小、環(huán)境通風(fēng)以及氣體逸出速度等多方面因素有關(guān),后續(xù)研究將針對不同有害氣體儲層狀態(tài)以及隧道設(shè)計因素對有害氣體濃度影響進(jìn)行研究。