川藏铁路某隧道不明气体成因机制研究

王 旭, 赵其华, 2,*， 邓 庆， 梁玉飞

0 引言

随着人类工程建设区域的不断扩展，众多的工程活动不断遇到不明气体的问题，如合武铁路大别山金寨区段隧道、渝怀铁路圆梁山隧道和杭新景高速公路窑山顶隧道等。不明气体的出现对工程是否有影响，怎样影响及影响程度是否巨大对工程建设活动至关重要。查明气体成因机制，将施工风险降到最低成为亟待解决的问题。

目前，对不明气体的研究，取得了一定的成果。文献[1-2]通过对合武铁路大别山金寨区段不明可燃气体的研究认为该气体是由深部烃源岩产生，通过磨子潭—晓天断裂和信阳—舒城断裂2个连通深部的气源通道断裂运移至构造裂隙发育的破碎带，破碎带中的裂隙空间是其主要的储集空间。文献[3-4]认为圆梁山隧道中出现的气体是由于隧道通过了可产生气体的地层，毛坝向斜沥青质灰岩中存在有窝状石油天然气；在毛坝向斜核部存在厚0.03～ 0.3 m的煤层，可产生瓦斯气体。郑安梁等[5]认为杭新景高速公路窑山顶隧道出现不明可燃气体是因为在隧道通过区的周边有下石炭纪叶家塘组煤系地层存在，其附近有球川—肖山深断裂通过，在其牵引作用下,使周边围岩小断层及裂隙特别发育，因此，煤系地层中的易燃气体通过断裂、裂隙等通道运移,储存在砂岩的孔隙里。从现有的研究成果可以发现，对于工程活动中不明气体成因机制的认识主要有2种： 工程活动通过了可产生气体的地层；工程活动区周边地区有可产生气体的地层，气体通过断层、裂隙等通道运移至工程活动区。当前对于不明气体研究侧重于气体对于工程施工及运营的影响评价，而对于气体形成机制的研究涉及很少。

通过相关地质调查及现场勘查发现，研究区既无可产生气体的地层存在，也没有断层通过，岩石裂隙发育一般，当前对不明气体发育机制的认识不能解释该地区出现的不明气体现象。本文以现场测试与全天候监测为基础，总结分析该不明气体成分特征，采用资料收集、现场调查测试与监测、室内岩石学、地球化学试验等方法与手段，从不明气体赋存地质环境入手，探讨该不明气体的形成条件及其演化规律，研究分析一种新的不明气体成因机制，以期为研究区工程项目的进一步施工及具有相似地质条件的隧道不明气体研究提供参考。

1 工程概况

研究区隧道位于藏南谷底高山区，横洞及邻区海拔为2 800～3 800 m，山体雄厚，坡度为25°～40°，呈典型宽谷形态，如图1所示。

图1 雅鲁藏布江典型宽谷形态(镜向W)

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

隧道全长1 602 m，埋深800～900 m。隧道穿越下元古界林芝岩群八拉岩组地层，其岩性为片麻岩、变粒岩等中深变质岩。在隧道施工掘进过程中，主要的工程地质问题是横洞HDK0+200 m掌子面左拱腰附近有不明气体喷出，见图2。现场实测钻孔孔口附近不明气体风速约为59 m/s。不明气体的出现直接影响隧道施工进度，且其有害性、易燃性和腐蚀性尚不清楚。

图2 横洞工程地质纵剖面示意图

2 研究思路及流程

首先，从不明气体赋存的环境，即地质条件入手，在收集基础地质资料的基础上，深入分析该地区的地层岩性，判断该地区地层是否能形成气体；查明该地区的油气资源及煤系地层分布，结合地质构造、岩石裂隙发育情况，分析是否存在气体由其他地区运移而来的可能。

同时，基于现场气体采样和全天候监测，对气体分析测试，查明总结其成分特征及演化规律。

最后，若该地区地层不能形成气体，且不符合气体运移条件，则对气体赋存地区的岩石进行地球化学分析，判断周围岩石是否与气体成因有关。地质环境不是一成不变的，它会随着时间和环境的变化而不断发展演化，现存的岩石也是由其他状态演化而来的，在岩石的演化过程中可能形成气体。研究流程如图3所示。

3 工程地质条件

研究区分布的地层主要为下元古界林芝岩群八拉岩组(Pt1b)和第四纪覆盖层。

八拉岩组(Pt1b)岩性为一套广泛分布的片麻岩、变粒岩、斜长角闪(片)岩及片岩等中深变质岩系；第四纪覆盖层较薄，主要分布于雅鲁藏布江河谷。无煤系地层发育。

隧道通过区地下水按赋存条件分为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水。第四系孔隙潜水主要赋存于第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)、上更新统冰水堆积层(Q3fgl)卵石土、漂石土和砂层中，主要为大气降水及地表水补给；基岩裂隙水主要分布于片麻岩中，其水量大小主要受岩层分布面积及孔裂隙率大小控制。总体上看，由于受到雅鲁藏布江河谷深切作用，地下水埋深大，属弱富水性，主要接受大气降水入渗补给。

图3 研究流程图Fig. 3 Research flowchart

根据相关规范，该地区拟建场区地震动峰值加速度0.30g，地震动反应谱特征周期为0.45 s，地震基本烈度为Ⅷ度。主要工程地质问题是隧道掌子面左拱腰附近有不明气体喷出。

根据现场调查，该隧道通过区域岩石坚硬、完整，结构面发育一般，且无断层通过(见图4和图5)。

西藏地区的含油气盆地分为海相含油气盆地与陆相含油气盆地[6-8]，其分布范围见图6。

图4 隧道洞壁岩石Fig. 4 Rock in tunnel wall

图5 研究区工程地质平面图

图6 西藏地区油气资源分布示意图

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

综上可得： 1)隧道通过区煤系地层不发育，且不属于任何含油气盆地； 2)该隧道通过区无断层通过，岩石坚硬完整，结构面发育较差，气体运移通道发育很差。因此，排除了该不明气体是由其他地区运移而来的可能。

4 不明气体特征

不同成因的气体在成分上有明显的差别，有机成因的气体其主要成分一般为烃类，而无机成因的气体以二氧化碳为主，故要查明气体成因，从其成分上进行分析探讨是最直接的途径。

在该不明气体出现后，在不明气体出气口、距离掌子面5 m处与隧道洞口处，开展取样及检测工作，每测点分别测试3次，取样及检测在挖掘机、钻孔机等设备及施工均停工的情况下进行，检测项目包括气体中的总烃(甲烷)、氧含量、硫化氢和二氧化碳等组分。测试结果取3次测试的平均值，见表1。

检测结果表明，该不明气体具有如下特征：

1)不明气体与大气成分存在明显差异(根据出气口附近测试成果)。不明气体以二氧化碳含量最多，约占67%，含氧量仅约0.3%，温度为12～13 ℃。其余组分，如总烃、一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、氮氧化物与氨的含量等，约为大气含量的数十倍至百倍。

2)不明气体与大气混合后，有害气体含量迅速减小(根据距离掌子面5 m处、横洞洞口测试成果)。含氧量与隧道洞口处基本一致，总烃、一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、氮氧化物与氨的含量较出气口处明显降低，已基本接近隧道洞口的大气测试值。

3)该不明气体总烃含量高达183.3 mg/m3，约占不明气体总体积的14.22%。

无机成因的气体中烃类含量很低，而该不明气体中总烃含量高达183.3 mg/m3，明显具有有机成因的特征；戴金星等[9]研究认为二氧化碳含量大于60%均与无机成因有关，而该隧道中出现的不明气体中二氧化碳约占67%，因此，该气体又具有无机成因的特征。

综上气体成分分析结果表明，该不明气体具有有机成因和无机成因气体的双重特点。

表1 不明气体成分测试结果Table 1 Test results of unknown gas compositions

5 不明气体成因机制

因该不明气体具有有机成因和无机成因的双重特点，故探究其成因机制首先要弄清楚气体中不同组分的来源。

5.1 气体有机成分来源

有机成因气体根据其成因一般分为煤型气与油型气，由其他地区运移而来或原地产生。由以上分析可知，该气体不是由其他地区运移而来，且研究区不存在煤系地层和油气资源分布。因此，在研究区采集一定数量的岩石样品，对其进行岩石化学分析试验，以期通过试验数据分析，结合DF判别式法[10]、西蒙南(al+fm)-(c+alk)～Si图解[11]和变质岩的等化学系列类型及亚类判断图[12-13]3种方法进行原岩恢复和校核，探讨研究区是否具有生产有机气体的源岩。前人研究表明，有机成因的气体源岩主要是泥质岩源岩、碳酸盐岩源岩和煤系源岩。

对试验的岩石样品进行编号，其中，1～4号岩石样品为出气口附近5 m范围内的岩石，5～20号岩石样品采样地点为距出气口5 m范围以外。

5.1.1 DF判别式法

DF函数判别式是由D.M.Shaw于1972年提出，用于确定变质岩属性(D.M.Shaw，1972)。检验结果见表2。

从表2可以看出： 出气口附近岩石样品1、2、3和4为副变质岩，即由沉积岩经过变质作用形成的岩石；而其他位置岩样为正变质岩，即由岩浆岩经过变质作用形成的岩石。

5.1.2 西蒙南(al+fm)-(c+alk)～Si图解

为表示不同类型变质岩的化学特征及其相互间差别，西蒙南提出了(al+fm)-(c+alk)～Si图解，其中al、fm、c、alk和Si均为尼格里值。通过geokit软件计算，得出岩石样品的尼格里指数，投点结果见图7。

表2 DF检验计算值

A—钙质沉积岩； B—火山岩； C—泥质沉积岩； D—砂质沉积岩。

图7变质岩(al+fm)-(c+alk)～Si图
Fig. 7 Diagram of metamorphic rock (al+fm)-(c+alk) ～Si

图中1～4号点为出气口附近位置的岩石样品投点结果，5～20号点为研究区其他位置的岩石样品投点结果。投点结果显示，出气口周围岩样投点于泥质沉积岩区，其他位置岩样投点于火山岩区。

5.1.3 变质岩的等化学系列类型及亚类判断图

该判别图是谢缅年科于1966年提出，被广泛应用于变质岩原岩成分研究。为了表示各种主要造岩组分之间的比例关系，作者提出了铝质系数(A)、钙质系数(C)、铁质系数(F)和镁质系数(M)4个系数，它们的计算公式及通过对岩石主量元素含量数据分析计算处理后的计算结果如下：

Σ=Al2O3+CaO+FeO+Fe2O3+MgO。

A、C、F、M、Σ的系数投点如图8所示。

Ⅰ—纯泥质岩； Ⅱ—铁质泥质岩； Ⅲ—中—酸性火山岩； Ⅳ—钙质泥质岩； Ⅴ—胶体化学沉积及泥质岩； Ⅵ—胶体化学沉积； Ⅶ—原岩为超基性岩； Ⅷ—超基性火山岩及部分白云质岩石； Ⅸ—基性火山岩及部分泥灰质岩石； Ⅹ—碳酸盐沉积岩； Ⅺ—泥灰质沉积岩。

图8测区变质岩等化学系列类型及亚类判断图

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

由图8可知： 1～4号岩石样点的投点结果位于图解Ⅴ区，表明其原岩为泥质岩及部分胶体化学沉积，生成环境均为构造稳定的盆地环境；5～16号岩石样点投点结果位于图解Ⅸ区，表明其原岩为基性火山岩及部分泥灰质岩石；17～20号岩石样点投点结果位于图解Ⅲ区，表明其原岩为中—酸性火山岩。

DF判别式法结果显示，测区变质岩为正变质岩和副变质岩2种，即测区岩石原岩中包括沉积岩；根据西蒙南(al+fm)-(c+alk)～Si图解和变质岩的等化学系列类型及亚类判断图的结果，将测区原岩进行进一步区分，出气口附近岩石的原岩为沉积成因的泥质沉积岩，而在测区其他位置则火山岩分布广泛。

由岩石地球化学分析结果得到，在出气口处岩石的原岩为泥质沉积岩，泥质沉积岩是有机成因气体的源岩，这就解释了该不明气体中高含量的烃类气体来源。

5.2 气体无机成分来源

沉积物在沉积成岩的各阶段均有可能形成气体，其核心是有机质在微生物或者适当温度条件下经过生物化学作用或化学作用生成以烃类气体为主，含有少量H2S、CO2的气体；而在该不明气体中CO2含量最多，约占67%。根据前人研究，气体中高含量的CO2是其无机成因的明显标志，故查明CO2的来源对该不明气体成因机制的解释至关重要。

通过现场勘查发现： 出气口为直径约80 cm的近圆形洞口，出气口8～10 cm宽度内的岩石与该界线以外的岩石明显不同(见图9)。不同位置岩样地球化学分析统计如表4所示。

图9 出气口及附近岩石

表4 不同位置岩样地球化学分析统计表

从表4可以看出，随着距离出气口由远到近，岩石地球化学特征具有以下特点：

1)除SiO2、K2O和CaO外，其余氧化物含量均随距出气口距离由远到近含量减小。

2)SiO2和K2O的含量随距出气口距离由远到近先增大、后减小，在距离出气口周围一定距离处达到最大值，在出气口处为最小值，低于远离出气口位置岩石中SiO2和K2O的平均值。

3)CaO的含量随距出气口距离由远到近先减小、后增大，在出气口周围一定距离处达到最小值，在出气口位置达到最大值，且高于远离出气口位置岩石中CaO的平均值。

上述研究区岩石地球化学特征表明，出气口中的物质与其周围一定范围内的岩石进行了一定的岩石地球化学反应，使得出气口及其周围一定范围内的元素发生了迁移，与测区较大范围的岩石元素地球化学平均值有明显的变化。

通过对研究区不同位置岩石进行薄片鉴定观察，得到出气口处的变质岩岩石中方解石含量高达70%以上，这与岩石的岩石地球化学特征相互对应，并且是对该不明气体中CO2含量偏高的有力解释。

出气口中前期储集的气体不断与围岩发生反应，使得方解石在出气口位置不断富集，而与其相邻的围岩中CaO含量不断减少。

后期的岩浆活动为岩石化学反应的发生提供了适宜的高温环境，出气口岩石中高含量的碳酸钙岩浆在高温烘烤作用下，可以发生如下反应：

出气口中前期储集的气体不断与围岩发生反应，发生元素的迁移和富集，后期在岩浆作用和区域变质作用中富集的碳酸盐矿物不断反应释放出以CO2为主的气体，从而改变了原来气体的成分，使得不明气体中CO2含量不断升高。由此，揭示了不明气体的无机成因演化过程。

6 结论与体会

本文从川藏铁路某隧道不明气体喷出现象入手，在总结该不明气体特征和区域地质特征的基础上，通过对气体成分和研究区岩石地球化学特征的分析，对研究区变质岩原岩进行了恢复，对比分析隧道区域工程地质条件和不明气体特征，探讨该隧道不明气体形成机制，提出研究隧道不明气体的新思路，得到主要结论与体会如下。

1)不明气体赋存围岩为副变质岩，且变质岩原岩为可生成有机气体的源岩——泥质岩；距离气体赋存位置较远的岩石为正变质岩。

2)周边地区无油气资源和煤系地层分布，隧道通过区无断层通过，岩石坚硬完整，结构面发育一般，气体运移通道不发育。

3)该不明气体同时含有有机成因的烃类气体和无机成因的CO2气体，且含量均很高。不明气体的形成机制包含了有机成因和无机成因2个过程。在有机成因过程中，由有机成因气体源岩形成了以烃类气体为主的有机成因气体并储存下来；在无机成因阶段，气体不断与围岩发生反应，使岩石中的某些元素发生迁移，在气体储集位置发生富集，后期岩浆活动和区域变质作用中，富集在此的矿物发生岩石化学反应释放出大量CO2，使气体成分发生巨大改变。

4)在此类地质条件及形成机制下形成的不明气体储量有限，喷发现象随时间不断减弱，直至停止，对隧道运营危险性不大。

5)本研究拓展了对复杂地质条件地区不明气体成因机制的认识，对具有相似地质条件地区的隧道工程不明气体研究具有参考价值，为后续隧道工程建设中不明气体的研究提供了新思路。

6)本研究以川藏铁路某隧道出现不明气体为切入点，随着隧道工程建设不断向地质环境更加复杂的地区扩展，下一步还需要结合区域地质演化历史对不明气体成因机制进行更深入的研究。在隧道建设前需要加强勘查与地质预报，并且对隧道通过区域的地质演化历史要有所了解，不同的地质演化历史，可能会出现不同的工程地质问题，了解地质演化历史则有助于把握工程中可能出现的工程地质问题。

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