缅甸其培电站坝址断裂带气体地球化学特征及工程应用

李 晓 付 梅 李生红 杨在文 舒勤峰

（地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），成都610059）

缅甸其培电站坝址在工程地质勘察中，部分钻孔施工过程中遇伴随承压水逸出的气体，左岸部分平硐施工也同样遇到气体逸出情况。由于勘察区位于恩梅开江断裂带，其中伴随承压水逸出的气体量较大，对大坝工程具有一定的影响；因此，查明气体的成分、来源和成因是坝址地质勘察需要查清和解决的地质问题。另外，气体的化学组分和同位素组成还反映了气体不同的来源问题。从地球深部溢出的气体，携带着丰富的深部地质过程信息。通过对其培电站坝址区气体地球化学特征的研究来探讨气体的来源和迁移具有重要的意义，也是认识断裂活动性的重要参考之一。本文根据采集的气体样品分析结果、结合勘察区地质环境和水文地质条件分析气体的地球化学特征及形成条件，探讨气体逸出对工程的影响。

1 地质环境及气体出露特征

其培电站位于缅甸恩梅开江中游，属缅甸北部高山区克钦邦，北接中国西藏，东接中国云南。该区在构造上位于全球著名的喜马拉雅—特提斯造山系（带）东段的东缘，断裂发育（图1）。研究区的恩梅开江断裂为区域上“狮泉河—申扎—嘉黎—易贡藏布—韦拉丹断裂带”的西支，发育于念青唐古拉群变质岩中（图1）。

其培坝址区河段呈NNE向，河谷基本顺直，两岸坡角多在35°～45°，属较为对称的“V”字形峡谷。研究区地层区划上属滇藏地层大区冈底斯—腾冲地层区的拉萨—察隅地层分区，迈立开江—恩梅开江—伊洛瓦底江变质岩带，主要出露中上元古界变质地层（Pt2－3）和新生界第四系（Q4）。变质岩地层主要由片麻岩、片岩、变粒岩、斜长角闪岩、石英岩、大理岩和条带状混合岩组成，并构成结晶基底。

其培电站河床发育有3条河床断层（F1，F2，F3；图2），属形成于喜马拉雅早期的韧性剪切构造（F4）基础上发育的小规模断裂。断层带顺河偏左侧展布，走向 N7°～19°E，倾向近东，倾角65°～85°；断层带宽几米至十余米，以发育相对弱变形构造岩为主。

图1 其培电站构造位置图Fig.1 Structural location of the Chipwi hydropower station

图2 其培水电站下坝址主要断裂及采样点分布图Fig.2 Main fractures of the dam site and the sample point distribution in the Chipwi hydropower station

其培电站坝址区浅层地下水为基岩裂隙水和第四系松散沉积孔隙水，裂隙、节理对浅层地下水的赋存和运动起控制作用。在坝址地质勘察过程中发现，坝址区断裂带发育低温承压水，承压水发育受断裂控制。部分钻孔、平硐发现有较大量的气体逸出，气体逸出为3种形式，一是在河床通过钻孔伴随承压水逸出，二是左岸从钻孔逸出，三是沿平硐壁逸出。本文在勘察期间采集了6件代表性气体样品进行研究，取样点气体出露特征、地质环境见表1。

2 样品采集及分析

根据气体的出露特征，为保证收集气体的质量，对不同状况的气体分别采用排水取气法和气罩直接取气法进行采气。对于承压水喷出的气体主要采用排水取气法采样。采集的气体样品送至中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院地质实验室进行了 He，H2，N2，CO2，H2S和 CH4等气体项目检测；同位素分析的气样送至中国科学院贵阳地球化学研究所做碳、氧、氮同位素测试，结果见表2。

3 气体化学组分和同位素组成特征及成因

3.1 气体化学组分特征

根据其培电站坝址气样CO2和N2的摩尔分数（表2），可分为CO2型气体和N2型气体2种类型。结合气体产出状况、气体产量对气体的化学组成特征进行分析，不同出露条件下气体化学组成具有以下特征。

（1）钻孔CHK2和CHK19的气体化学组成以CO2为主，CO2的摩尔分数为97.33%～98.83%，N2的摩尔分数为0.7%～2.64%；含有微量的甲烷，摩尔分数为0.2%～0.47%。这2个钻孔位于河床部位，气体随承压水喷出，产气量相对较大，达到6～30L／s。

表1 气体采样点地质特征及气体逸出情况表Table 1 Geological characteristics of the gas sampling points and gas escaping situation

表2 其培水电站坝址区气体组成和碳、氧、氮同位素组成Table 2 The gas and isotopic compositions of the emanative gases fromthe dam site of the Chipwi hydropower station

（2）钻孔CZK41和CZK43的气体化学组成以CO2为主，CO2的摩尔分数为89.37%～94.96%，N2的摩尔分数为4.93%～10.42%；含有微量的甲烷，摩尔分数为0.08%～0.32%。并含微量的氦、氢，其中氦的摩尔分数为0.03%～0.13%，氢的摩尔分数为0.01%～0.02%。钻孔CZK41和CZK43位于河流左岸，气体在钻遇裂隙带时，从钻孔中逸出，气体产量为2～3L／s。

对钻孔CHK2，CHK19，CZK41和CZK43气体化学组成进行比较，4个钻孔气体化学组成以CO2为主，但左岸直接从CZK41和CZK43中逸出的气体含微量氦、氢，而河床钻孔CHK2和CHK19随承压水逸出的气体不含氦、氢。

（3）钻孔CHK34和平硐CPD1的气体化学组成以N2为主，其中CHK34钻孔逸出气体主要成分为N2，摩尔分数为99.49%，另含极少量的CO2及CH4。CPD1平硐气体组成中N2的摩尔分数为70.91%，CO2的摩尔分数为29.08%，含少量的稀有气体He。CHK34和CPD1气体产出量均很小，均为＜0.1L／s。

3.2 气体中CO2的碳氧同位素和N2的氮同位素组成特征

3.2.1 CO2碳氧同位素组成特征及成因由钻孔CHK2，CHK19，CZK41和CZK43气体CO2的碳氧同位素、N2的同位素分析结果（表2）可知，其培坝址区气体碳、氧、氮同位素有以下特征：钻孔CHK2，CHK19，CZK41和CZK43气体CO2的δ13CV－PDB为 －4.947‰ ～ －5.387‰，δ18OV－PDB为3.364‰～3.613‰。根据有机和无机成因CO2的鉴别标准，无机成因CO2的δ13C值主要在＋7‰～－8‰之间［2］。从其培气样CO2气体的δ13C值可以看出，其培水电站坝址区CO2大部分为无机成因。根据戴金星等［1－8］土壤生物成因的CO2的δ13C＝－25‰（变化范围－16‰～－28‰），大气CO2的δ13C＝－7‰，地幔成因的CO2的δ13C＝－4‰～－11‰，石灰岩变质成因的CO2的δ13C＝±3‰，其培气样CO2气体δ13C变化范围为－4.947‰～－5.387‰，应该为深部地幔成因；因此，其培电站坝址CO2气体为深部地幔无机成因。根据4个样品的同位素组成十分相近，推测CO2具有同源成因。

3.2.2 N2的氮同位素组成特征及成因

钻孔 CHK2，CHK19，CZK41和 CZK43的δ15N值在－0.082‰～7.263‰之间，变化范围较大；CHK2和CHK19的δ15N值为（－0.82‰±0.022‰）～（1.056‰±0.016‰）。根据朱岳年、张子枢对天然气中氮气来源的同位素鉴别特征［9，10］，可知其培的 CHK2和CHK19气样 N2同位素组成落在地壳超深部和地幔源的原生N2（δ15N≈－2‰～＋1‰）的范围内，显示二者N2具同源特征。

钻孔CZK41和CZK43气样N2的δ15N值在（6.947‰±0.020‰）～（7.263‰±0.024‰），同位素组成落在成熟沉积有机质裂解产生的N2（＋5‰～＋20‰）的成因范围内。CZK41和CZK43的N2具有同源特征。

4 气体地球化学的工程应用

4.1 深部成因的CO2与断裂活动性

其培坝址断裂带CO2气体为深部地幔无机成因，气体的产生量高达30L／s，这是恩梅开江大断裂在该区域地质活跃性显示的证据之一，应引起关注，需进一步研究恩梅开江大断裂在该段的性质、活动性及对坝址安全的影响。

4.2 CO2气体逸出与断裂和地下水活动的关系

根据其培坝址断裂带气体组分和同位素分析，CO2气体主要来源于深部无机成因，N2有无机成因和有机成因。气体伴随承压水逸出或从钻孔直接逸出与断裂、地下水活动有关，模式如图3所示。

图3 其培水电站CO2成因模式图Fig.3 Genetic model of CO2from the Chipwi hydropower station

深部来源的CO2沿断裂（F1，F2，F3）向上运移，在一定深度深部气体与承压水混合（据承压水温标计算，承压水循环深度在600m左右），在接近地表受断裂影响，分成多支。一部分与承压水混合，在河床断裂带与伴随承压水喷出；另一部分沿卸荷裂隙、分支小断层运移，当左岸平硐或钻孔揭露这些含气裂隙时逸出。地表浅层混杂部分起源于大气或生物有机成因的N2，形成多种成因的N2随地下水浅循环进入裂隙，并随钻孔揭露逸出。不同钻孔气体组分的差异与近地表地下水的混合作用有关，钻孔CHK2，CHK19，CZK41和CZK43的气体以CO2为主，同位素组成相似，显示同源特征。但钻孔CZK41和CZK43气体含微量氦、氢，而钻孔CHK2和CHK19随承压水逸出的气体不含氦、氢，表明地下水作用影响的差异。

因此，恩梅开江断裂带中的CO2型气体形成于深部，在运移过程中受地下水活动的影响，以不同的方式在坝址区出露，气体的地球化学组成也发生变化。其中河床是气体逸出的主要部位，气体组成以CO2为主，产出量大，对坝址工程处置有较大影响。气体直接对人体健康影响不大，但在平硐中因CO2气体大量聚集，对人体健康有较大影响，应加强对平硐排风通气的工程处理。

5 结论

a.其培电站钻孔和平硐勘探揭露的气体有CO2型和N2型2类，以CO2为主的气体，CO2的摩尔分数为89.37%～98.83%，N2的摩尔分数为0.7%～10.42%；含有微量的甲烷，摩尔分数为0.2%～0.47%。左岸钻孔气体含微量氦、氢，而伴随承压水逸出的气体不含氦、氢。以N2为主的气体，N2的摩尔分数为70.91%～99.49%，含少量的CO2及CH4，不含氦、氢。

b.以 CO2为主的气样，CO2的δ13CV－PDB为－4.947‰～－5.387‰，δ18OV－PDB为3.364‰～3.613‰，显示具有同源成因，属于深部幔源无机成因。δ15N值在－0.082‰～7.263‰之间，变化范围较大，钻孔CHK2和CHK19的δ15N值在－0.082‰～（1.056‰±0.016‰），具同源特征；钻孔CZK41和CZK43的δ15N值在（6.947‰±0.020‰）～（7.263‰±0.024‰），具同源特征。

c.坝址区以CO2为主的气体形成于深部，沿断裂带运移，部分在浅部与承压水混合，伴随承压水喷发，部分进入左岸裂隙系统，当钻孔、平硐揭露断裂时逸出。

d.起源于深部的CO2气体是恩梅开江大断裂部分地段的地质活跃性显示之一，应重视对断裂活动性及对工程影响的研究。河床是气体逸出的主要部位，气体组成以CO2为主，气体产出量大，对坝址工程处置有较大影响。

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