青海西宁-民和盆地二氧化碳气藏研究及隧道危险性分区评价

艾秀峰

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043；2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院)，陕西 西安 710043)

1 概述

新建西宁至成都铁路海东南山特长隧道位于祁连山脉东南部的拉脊山高中山区，线路北起青海省东北部的西宁盆地，向南穿越拉脊山山脉，至贵德—化隆盆地。隧道进口位于青海省化隆县昂思多乡尕麻甫村，出口位于青海省平安县巴藏沟巴家村，隧道总长25 100 m，最大埋深1150 m[1]。海东南山隧道在定测勘探过程中，XCDCSZ-3-1号深孔钻探提浆至160 m时突然喷出不明气体，携带钻孔泥浆，喷出高度约为5 m，并伴随强烈的啸叫声。喷出气体无异常气味，稳定后喷出气体为淡蓝色(图1)，至钻孔封堵完成历时11天，未见衰减，后经孔口取样化验，气体主要成分为CO2。

图1 高压气体持续井喷Fig.1 Continuous blowout of high pressure gas

分析发现，钻探在揭穿上部第三系至侏罗系沉积岩盖层，揭露基底大理岩古风化壳后发生气体突出。判断CO2气体来源为基底大理岩分解形成，由于区域上部盖层密闭性较好，CO2气体在古风化壳内聚集形成高压。勘察过程中钻孔穿透盖层，导致古风化壳与地表连通，形成井喷。

铁路勘察阶段遇CO2井喷在我国铁路勘察史上尚属首次，可供借鉴的工程经验有限。因此，对西宁—民和盆地的地质背景进行研究，查明气体的来源、空间分布、赋存状态、运移通道，合理优化线路方案，评价其对铁路隧道工程施工和运营的影响，是西成铁路建设的基础，具有重要意义。

2 区域地质特征

2.1 盆地基底地质特征

研究区位于我国西部大地构造单元的枢纽地带，属秦祁昆复合造山带的一部分。发生高压CO2气体突出的中祁连地块南东侧与拉脊山蛇绿构造混杂岩带和南祁连地块相毗邻，南西侧以断层与西秦岭印支褶皱带隔开(图2)。

图2 研究区大地构造背景图Fig.2 Geotectonic background map of the study area

中祁连地块主要为古元古界的湟源群刘家台岩组、东岔沟岩组、蓟县系湟中群磨石沟组、青石坡组及克素尔组、高家湾组组成，为一套中—浅变质岩系。其中蓟县系多为碳酸盐岩，湟源群局部含条带状大理岩[2](图3)。碳酸盐岩、大理岩均可分解生成CO2气体。

图3 区域基底地层岩性特征Fig.3 Lithology characteristics of regional basement strata

西宁—民和盆地主要发育两组断裂，一组为北西向延伸，与主控构造一致；另一组为NE向断裂，与主控构造正交或斜交，使基底构造格局在南北分带的基础上叠加了东西分块的格局，呈现复杂的“棋盘构造”样式，为CO2气体运移、聚集提供了良好的通道。

2.2 盆地储、盖层地质特征

根据区域地质及XCDCSZ-3-1深孔、三合镇ZK-10号孔钻探揭露情况，西宁—民和盆地基底元古界碳酸盐岩地层，岩体破碎，孔隙率及渗透性均较好，是良好的含气层。此外，第三系—侏罗系砂砾岩均具有一定的孔隙、裂隙及较好的渗透性，在地下水发育处，受地层压力及地热影响，CO2可大量溶解于地下水中，以水溶离子相及水溶气相赋存。地下水不发育段则CO2直接存储于岩体孔隙及裂隙中。因此第三系—侏罗系砂砾岩具有储集层特征，如有断层构造与下部碳酸盐岩含气层联通，该砂砾岩地层局部可含气。

盆地上部覆盖的第三系至侏罗系沉积岩，含泥岩、石膏岩，厚度足够大、连续性好，且具封堵性强、分布范围大、稳定性好等特征，是天然理想的盖层结构[3](图4)。在断裂构造发育处，断裂将盖层切割，CO2或含CO2地下水沿构造裂隙上升，在地表出露，就会发生CO2活动事件。

图4 钻探揭示的完整的白垩系泥岩夹砂岩Fig.4 Complete Cretaceous mudstone intercalated with sandstone revealed by drilling hole

3 西宁盆地CO2出露情况

3.1 西宁盆地CO2出露情况

区域调查和查阅相关资料后发现盆地靠近拉脊山附近出现过很多与CO2活动相关的事件(图5)，包括窑街煤矿开采CO2突出[4-5]、平安三合镇地热井勘探揭示CO2间歇自喷[6]、本次在下营附近进行的钻孔揭示含CO2高压气体。以及本区域水文地质调查中发现的三合镇、上洛麻、老虎沟、沙沟、下尧庄、药水滩、七里寺含CO2泉水，并且大多出露伴生的钙华。

图5 CO2喷(冒)出分布Fig.5 CO2 spray(emission)distribution map(spring in blue，drilling encounter in red)1—第四系 2—新近系中新统 3—古近系渐新统 4—古近系始新统 5—古近系古新统 6—上白垩统 7—下白垩统 8—下奥陶统 9—下寒武统 10—下震旦统 11—古元古界 12—闪长岩 13—线路方案 14—鼻状隆起构造 15—含CO2泉 16—钻井揭示CO2 17—钻孔及编号

从地理位置上看，CO2活动相关的事件出露于湟水河以南，拉脊山以北，田家寨以东，下营藏族乡以西的广大范围内，说明西宁—民和盆地地层中普遍含CO2，气体来源一致，都是来自深部壳源，并通过深大断裂泄露到浅层成藏[7-9]。

CO2泉及伴生钙华主要出露于几条大型冲沟边缘地带，从规模上看，上洛麻—田家寨大，下尧庄、三合镇和冰岭山规模中等，老虎沟较小，沙沟很小，石沟沿非常小。出露的CO2泉西侧规模明显大于东侧，靠近拉脊山(南部)的规模大于远离拉脊山(北部)的规模，反映了由补给区往排泄区CO2的减小趋势[10]。

3.2 西宁盆地CO2出露机制

盆地内冰岭山、尧庄村、上洛麻村、马场沟等地发现的CO2泉基本都出露于冲沟的白垩系砂砾岩地层中，并且附近都有断层。这主要是因为白垩系砂砾岩地层为区域性储层，CO2通过深大断裂自底部基底运移到砂砾岩裂隙、孔隙中与水混合，以水溶离子相、水溶气相、连续气相形式赋存。其中水溶离子相、水溶气相为CO2溶解于水中或以HCO3-形式随地下水一起运移。当含气层被冲沟或断裂切割，压力降低，水中HCO3-及溶解的CO2，就从水中游离出来呈气相存在，就形成了含CO2泉[11]。区域调查发现的含CO2泉水及伴生出露的钙华就是富含HCO3-的地下水与碳酸盐围岩进行能量与物质交换的结果(图6)。

图6 下尧庄CO2矿泉Fig.6 CO2 mineral spring of Xiayaozhuang

在盆地东部白垩系地层被第三系泥质岩、石膏岩地层覆盖，第三系地层具厚度大、连续性好、封堵性强的特点。CO2被封盖在第三系地层之下，容易在此区域聚集形成高压，加之该区域存在古隆起构造，基底大理岩地层埋深较浅，因此在钻探或采煤过程揭示到底部积聚的高压CO2气体储层时就会发生井喷(高压水或/气)(图7)。本次XCDCSZ-3-1号孔和20世纪80年代在红土庄勘探钻遇的高压水气井是最好的证据。

图7 典型CO2运移成藏模式Fig.7 Typical CO2 migration and accumulation model

4 喷(冒)出CO2气体研究

4.1 喷(冒)出气体成分研究

为研究喷出气体成分，本次勘察采用国际通用的“预真空采样法”，采集XCDCSZ-3-1深孔喷出气体样本进行色谱分析。实验结果显示，气体主要成分为CO2、O2、N2，由于样品采集于孔口，采集过程中会混入一定量的空气，扣除O2，归一化处理后，CO2气体含量占总量的51.96%～69.10%，因此判定为CO2气体突出(表1)。

表1 XCDCSZ-3-1气体归一化处理后成分Table 1 List of components of XCDCSZ-3-1 gas after normalization treatment

在含气的泉处，采用排水法收集水气样进行分析。气体测试结果见表2，可以看到，除了上洛麻，气体组分CO2超过90%。上洛麻CO2气体比例为65.82%，主要原因是该泉处于断层带上，垂直裂隙发育，CO2上升过程中在浅表与大气发生对流混合作用，混入部分空气，使样品中CO2占比下降。

表2 含气泉水的气体成分测试Table 2 Gas composition test of spring water

气体成分测试结果表明，西宁—民和盆地喷(冒)出的气体组成基本一致，主要成分均为CO2，占比一般超过90%，除三合镇、上洛麻、沙沟及下尧庄处检测出少量H2S外，未见煤系地层常见的CH4等烷烃类有害气体。

4.2 喷(冒)出气体来源分析

自然界CO2气体来源可分为有机和无机两类[12]。为了判断整个西宁—民和盆地区域内的CO2是否具有同源性，根据戴金星等[13]提出的判识CO2成因的稳定碳同位素组成标准(表3)，对XCDCSZ-3-1深孔喷出及泉水冒出的气体取样进行碳同位素测定。实验结果(表4)表明，区域内CO2气体碳同位素(δ13CCO2)值为-3.1‰～-0.4‰，基本介于-3.0‰～3.0‰之间。判定域内CO2气体为碳酸盐岩变质形成。

表3 碳同位素判识CO2成因标准Table 3 Standard of carbon isotope identification for CO2 genesis

表4 西宁—民和盆地二氧化碳碳同位素测试结果Table 4 Analysis data of carbon isotope of carbon dioxide in Xining-Minhe Basin

气体成分及碳同位素实验结果表明西宁—民和盆地内CO2来源是完全一致的，属无机成因，为基底深部碳酸盐、大理岩变质分解形成，化学反应式如下：

5 研究方案危险性分区评价

5.1 地表通量测试

本阶段经综合比选，共研究三条越岭隧道方案，分别为经田家寨方案、经古城方案及经高店方案。为了进一步查明研究区内CO2的情况，为各方案气体影响评价提供支持，现场利用便携式红外线二氧化碳测试仪，对地表一定深度内的钻孔(约1 m)，采用密闭气室法，即利用逸出气体的累计浓度随时间的变化测定气体释放通量的一种方法，记录不同时间钻孔内CO2浓度数据。

根据区域CO2“生、储、运、藏、盖”特点及研究方案分布，地表通量测试测点一般按照以下几个原则布置：①断层出露区域；②沟谷切穿地层区域或是泉点附近；③特殊构造区域，比如背斜核部；④地层岩性变化区域；⑤铁路选线附近；⑥滑坡体附近。

获得数据后，根据通量定义可得计算公式(1)：

(1)

式中：f为CO2通量；Xt是某一时刻CO2的体积分数；ρCO2为测量温压条件下CO2的密度；V为集气装置总体积；S为土壤与集气装置之间能够流通CO2的面积；t为测试时刻。

各方案地表通量测试异常点测试结果见表5。

表5 地表通量测试异常点位测试结果Table 5 List of surface flux testing data in abnormal points

5.2 各方案危险性分区评价

根据地表通量测试异常点位分布特征，结合区域地层情况、断层分布特征、CO2气泉分布特征及区域气体“生、储、运、藏、盖”规律，对拟研究的三个方案进行危险性分区评价(图8)，指导后续勘察工作有针对性的进行，具体结果如下：

1) 经田家寨方案(图8a)：该路线附近可以划为3个高风险区，高风险区TJ-1主要特征是靠近断层附近，并且喷出岩已经出露地表，岩层近乎直立，该区垂直构造裂隙发育，为CO2的泄露提供了通道，该区没有明显的盖层，CO2可能主要以水溶气的形成存在，聚集形成高压的可能性较小；高风险区TJ-2主要特征是靠近断层，在地表已形成CO2泉，规模大，并且CO2气体中含有相当比例的空气，证明下部的连通性很好，CO2可能主要以水溶气的形成，并有一定规模的气体聚集，但难于形成高压；高风险区TJ-3为断层侵没区，具备盖层—储层结构，CO2容易聚集形成高压气体。

2)经古城方案(图8b)：该路线附近可以划为3个高风险区，高风险区GC-1主要特征是地表已发现含有CO2的泉水，但泉水中的CO2气泡量非常小，可能是由于此处的CO2来源于水溶气，并且迁移距离较远所致，此区主要以水溶气为主，较难形成高压气体；高风险区GC-2距沙沟CO2泉直线距离3 km，此区可能存在水溶气；高风险区GC-3靠近拉脊山北缘断层带，有气体运移通道，但上部地层为砂岩、砾岩，封盖条件差，此区域可能存在水溶气，但形成高压气体的概率较小。

3)高店路线(图8c)：该路线附近可以划为5个高风险区，高风险区GD-1和高风险区GD-2靠近断层附近，高风险区GD-2的南部存在高压气体的可能性较高；高风险区GD-3靠近隐伏断裂先锋断裂带上，该处以断层形成单斜构造，基底埋深约900 m，存在高压气体的可能性非常高；高风险区GD-4已经确定为背斜高压聚集区，地表通量测试也证明此区存在高CO2通量；高风险区GD-5靠近拉脊山北缘大断裂，并且处于高风险区GD-4的背斜影响区域，满足高压气体聚集的基本条件。

图8 CO2气体危险性分区Fig.8 CO2 gas risk zoning(a)田家寨方案 (b)古城方案 (c)高店方案1—第四系全新统 2—第四系上—中新统 3—新近系上新统 4—新近系中新统 5—古近系 6—下白垩统 7—寒武系 8—侵入闪长岩 9—断层 10—推测断层 11—通量测试异常点 12—含CO2泉出露点 13—遇CO2钻孔 14—线路方案 15—高风险区及编号

5.3 CO2气体应对原则

拟研究的3个越岭隧道方案，经古城方案遇高压气体的可能较经田家寨方案、经高店方案小，但仍不能完全排除可能，且有较大的概率存在CO2水溶气。在隧道施工阶段，一旦发生CO2突出事件，高压气体喷出过程中会在掌子面附近引起强烈的温度下降，CO2浓度急剧升高，还可能携带破碎岩体，威胁人员及机具安全。含水气地层中，由于CO2使水酸化，会腐蚀水泥混凝土衬砌。因此需采取相应措施，确保工程安全。

1)隧道在选线阶段应避免与断层、褶皱构造直接相交[14]，尤其是贯通沉积基底的深大构造。勘察阶段应利用综合勘察手段加强探察，尤其是已划分的高风险区，查明地层岩性、地质构造、地下水发育情况及基底地层与线路空间关系，隧道应尽量远离基底大理岩地层，并留足安全厚度；

2)在隧道施工阶段，应加强勘察期间判定的高风险段落的超前地质预报工作，必要时应采取高压预注浆加固围岩，封堵孔隙。对隧道内CO2气体浓度监测进行专门研究，建立防突监测系统，特别注意在揭穿断层时可能会发生CO2突出事件。加强隧道内通风，避免CO2气体汇集，造成人员窒息。注意掌子面附近仪器设备的保护，避免结冰损坏仪器设备。在含水气地层中，由于CO2使水酸化，会腐蚀水泥衬砌，因此隧道外围需使用抗CO2的水泥[15-17]；

3)隧道运营阶段，应建立隧道长期监测系统、运营通风系统，必要时进行地层长期监测，确保运营安全。

6 结论

本文在分析区域资料的基础上，通过地表调查、钻探、室内试验、浅表通量测试的方法分析盆地CO2气体的赋存、运移规律、划分CO2气体危险性分区，得到结论如下：

1)西宁—民和盆地湟水以南区域地层中普遍含气，主要成分为CO2，占比一般超过90%。主要以含CO2泉的形式出露，部分区域CO2在地下聚集易形成高压，工程通过会造成CO2气体突出，威胁工程安全。

2)西宁—民和盆地CO2气体碳同位素测定值为-3.1‰～-0.4‰，为基底中祁连地块碳酸盐、大理岩分解而成，属无机成因。盆地内CO2以水溶离子相、水溶气相、连续气相形式赋存于基底及上覆砂砾岩地层中，通过断裂运移。

3)揭露CO2气体会对隧道工程造成极大的安全隐患，通过研究区域CO2气体生产、赋存、运移特点，进行危险性分区评价，在勘察、施工阶段有针对性的采取应对措施可有效确保工程安全。