緬甸其培電站壩址斷裂帶氣體地球化學(xué)特征及工程應(yīng)用

李 曉 付 梅 李生紅 楊在文 舒勤峰

（地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），成都610059）

緬甸其培電站壩址在工程地質(zhì)勘察中，部分鉆孔施工過程中遇伴隨承壓水逸出的氣體，左岸部分平硐施工也同樣遇到氣體逸出情況。由于勘察區(qū)位于恩梅開江斷裂帶，其中伴隨承壓水逸出的氣體量較大，對大壩工程具有一定的影響；因此，查明氣體的成分、來源和成因是壩址地質(zhì)勘察需要查清和解決的地質(zhì)問題。另外，氣體的化學(xué)組分和同位素組成還反映了氣體不同的來源問題。從地球深部溢出的氣體，攜帶著豐富的深部地質(zhì)過程信息。通過對其培電站壩址區(qū)氣體地球化學(xué)特征的研究來探討氣體的來源和遷移具有重要的意義，也是認(rèn)識(shí)斷裂活動(dòng)性的重要參考之一。本文根據(jù)采集的氣體樣品分析結(jié)果、結(jié)合勘察區(qū)地質(zhì)環(huán)境和水文地質(zhì)條件分析氣體的地球化學(xué)特征及形成條件，探討氣體逸出對工程的影響。

1 地質(zhì)環(huán)境及氣體出露特征

其培電站位于緬甸恩梅開江中游，屬緬甸北部高山區(qū)克欽邦，北接中國西藏，東接中國云南。該區(qū)在構(gòu)造上位于全球著名的喜馬拉雅—特提斯造山系（帶）東段的東緣，斷裂發(fā)育（圖1）。研究區(qū)的恩梅開江斷裂為區(qū)域上“獅泉河—申扎—嘉黎—易貢藏布—韋拉丹斷裂帶”的西支，發(fā)育于念青唐古拉群變質(zhì)巖中（圖1）。

其培壩址區(qū)河段呈NNE向，河谷基本順直，兩岸坡角多在35°～45°，屬較為對稱的“V”字形峽谷。研究區(qū)地層區(qū)劃上屬滇藏地層大區(qū)岡底斯—騰沖地層區(qū)的拉薩—察隅地層分區(qū)，邁立開江—恩梅開江—伊洛瓦底江變質(zhì)巖帶，主要出露中上元古界變質(zhì)地層（Pt2－3）和新生界第四系（Q4）。變質(zhì)巖地層主要由片麻巖、片巖、變粒巖、斜長角閃巖、石英巖、大理巖和條帶狀混合巖組成，并構(gòu)成結(jié)晶基底。

其培電站河床發(fā)育有3條河床斷層（F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3；圖2），屬形成于喜馬拉雅早期的韌性剪切構(gòu)造（F4）基礎(chǔ)上發(fā)育的小規(guī)模斷裂。斷層帶順河偏左側(cè)展布，走向 N7°～19°E，傾向近東，傾角65°～85°；斷層帶寬幾米至十余米，以發(fā)育相對弱變形構(gòu)造巖為主。

圖1 其培電站構(gòu)造位置圖Fig.1 Structural location of the Chipwi hydropower station

圖2 其培水電站下壩址主要斷裂及采樣點(diǎn)分布圖Fig.2 Main fractures of the dam site and the sample point distribution in the Chipwi hydropower station

其培電站壩址區(qū)淺層地下水為基巖裂隙水和第四系松散沉積孔隙水，裂隙、節(jié)理對淺層地下水的賦存和運(yùn)動(dòng)起控制作用。在壩址地質(zhì)勘察過程中發(fā)現(xiàn)，壩址區(qū)斷裂帶發(fā)育低溫承壓水，承壓水發(fā)育受斷裂控制。部分鉆孔、平硐發(fā)現(xiàn)有較大量的氣體逸出，氣體逸出為3種形式，一是在河床通過鉆孔伴隨承壓水逸出，二是左岸從鉆孔逸出，三是沿平硐壁逸出。本文在勘察期間采集了6件代表性氣體樣品進(jìn)行研究，取樣點(diǎn)氣體出露特征、地質(zhì)環(huán)境見表1。

2 樣品采集及分析

根據(jù)氣體的出露特征，為保證收集氣體的質(zhì)量，對不同狀況的氣體分別采用排水取氣法和氣罩直接取氣法進(jìn)行采氣。對于承壓水噴出的氣體主要采用排水取氣法采樣。采集的氣體樣品送至中國石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了 He，H2，N2，CO2，H2S和 CH4等氣體項(xiàng)目檢測；同位素分析的氣樣送至中國科學(xué)院貴陽地球化學(xué)研究所做碳、氧、氮同位素測試，結(jié)果見表2。

3 氣體化學(xué)組分和同位素組成特征及成因

3.1 氣體化學(xué)組分特征

根據(jù)其培電站壩址氣樣CO2和N2的摩爾分?jǐn)?shù)（表2），可分為CO2型氣體和N2型氣體2種類型。結(jié)合氣體產(chǎn)出狀況、氣體產(chǎn)量對氣體的化學(xué)組成特征進(jìn)行分析，不同出露條件下氣體化學(xué)組成具有以下特征。

（1）鉆孔CHK2和CHK19的氣體化學(xué)組成以CO2為主，CO2的摩爾分?jǐn)?shù)為97.33%～98.83%，N2的摩爾分?jǐn)?shù)為0.7%～2.64%；含有微量的甲烷，摩爾分?jǐn)?shù)為0.2%～0.47%。這2個(gè)鉆孔位于河床部位，氣體隨承壓水噴出，產(chǎn)氣量相對較大，達(dá)到6～30L／s。

表1 氣體采樣點(diǎn)地質(zhì)特征及氣體逸出情況表Table 1 Geological characteristics of the gas sampling points and gas escaping situation

表2 其培水電站壩址區(qū)氣體組成和碳、氧、氮同位素組成Table 2 The gas and isotopic compositions of the emanative gases fromthe dam site of the Chipwi hydropower station

（2）鉆孔CZK41和CZK43的氣體化學(xué)組成以CO2為主，CO2的摩爾分?jǐn)?shù)為89.37%～94.96%，N2的摩爾分?jǐn)?shù)為4.93%～10.42%；含有微量的甲烷，摩爾分?jǐn)?shù)為0.08%～0.32%。并含微量的氦、氫，其中氦的摩爾分?jǐn)?shù)為0.03%～0.13%，氫的摩爾分?jǐn)?shù)為0.01%～0.02%。鉆孔CZK41和CZK43位于河流左岸，氣體在鉆遇裂隙帶時(shí)，從鉆孔中逸出，氣體產(chǎn)量為2～3L／s。

對鉆孔CHK2，CHK19，CZK41和CZK43氣體化學(xué)組成進(jìn)行比較，4個(gè)鉆孔氣體化學(xué)組成以CO2為主，但左岸直接從CZK41和CZK43中逸出的氣體含微量氦、氫，而河床鉆孔CHK2和CHK19隨承壓水逸出的氣體不含氦、氫。

（3）鉆孔CHK34和平硐CPD1的氣體化學(xué)組成以N2為主，其中CHK34鉆孔逸出氣體主要成分為N2，摩爾分?jǐn)?shù)為99.49%，另含極少量的CO2及CH4。CPD1平硐氣體組成中N2的摩爾分?jǐn)?shù)為70.91%，CO2的摩爾分?jǐn)?shù)為29.08%，含少量的稀有氣體He。CHK34和CPD1氣體產(chǎn)出量均很小，均為＜0.1L／s。

3.2 氣體中CO2的碳氧同位素和N2的氮同位素組成特征

3.2.1 CO2碳氧同位素組成特征及成因由鉆孔CHK2，CHK19，CZK41和CZK43氣體CO2的碳氧同位素、N2的同位素分析結(jié)果（表2）可知，其培壩址區(qū)氣體碳、氧、氮同位素有以下特征：鉆孔CHK2，CHK19，CZK41和CZK43氣體CO2的δ13CV－PDB為 －4.947‰ ～ －5.387‰，δ18OV－PDB為3.364‰～3.613‰。根據(jù)有機(jī)和無機(jī)成因CO2的鑒別標(biāo)準(zhǔn)，無機(jī)成因CO2的δ13C值主要在＋7‰～－8‰之間［2］。從其培氣樣CO2氣體的δ13C值可以看出，其培水電站壩址區(qū)CO2大部分為無機(jī)成因。根據(jù)戴金星等［1－8］土壤生物成因的CO2的δ13C＝－25‰（變化范圍－16‰～－28‰），大氣CO2的δ13C＝－7‰，地幔成因的CO2的δ13C＝－4‰～－11‰，石灰?guī)r變質(zhì)成因的CO2的δ13C＝±3‰，其培氣樣CO2氣體δ13C變化范圍為－4.947‰～－5.387‰，應(yīng)該為深部地幔成因；因此，其培電站壩址CO2氣體為深部地幔無機(jī)成因。根據(jù)4個(gè)樣品的同位素組成十分相近，推測CO2具有同源成因。

3.2.2 N2的氮同位素組成特征及成因

鉆孔 CHK2，CHK19，CZK41和 CZK43的δ15N值在－0.082‰～7.263‰之間，變化范圍較大；CHK2和CHK19的δ15N值為（－0.82‰±0.022‰）～（1.056‰±0.016‰）。根據(jù)朱岳年、張子樞對天然氣中氮?dú)鈦碓吹耐凰罔b別特征［9，10］，可知其培的 CHK2和CHK19氣樣 N2同位素組成落在地殼超深部和地幔源的原生N2（δ15N≈－2‰～＋1‰）的范圍內(nèi)，顯示二者N2具同源特征。

鉆孔CZK41和CZK43氣樣N2的δ15N值在（6.947‰±0.020‰）～（7.263‰±0.024‰），同位素組成落在成熟沉積有機(jī)質(zhì)裂解產(chǎn)生的N2（＋5‰～＋20‰）的成因范圍內(nèi)。CZK41和CZK43的N2具有同源特征。

4 氣體地球化學(xué)的工程應(yīng)用

4.1 深部成因的CO2與斷裂活動(dòng)性

其培壩址斷裂帶CO2氣體為深部地幔無機(jī)成因，氣體的產(chǎn)生量高達(dá)30L／s，這是恩梅開江大斷裂在該區(qū)域地質(zhì)活躍性顯示的證據(jù)之一，應(yīng)引起關(guān)注，需進(jìn)一步研究恩梅開江大斷裂在該段的性質(zhì)、活動(dòng)性及對壩址安全的影響。

4.2 CO2氣體逸出與斷裂和地下水活動(dòng)的關(guān)系

根據(jù)其培壩址斷裂帶氣體組分和同位素分析，CO2氣體主要來源于深部無機(jī)成因，N2有無機(jī)成因和有機(jī)成因。氣體伴隨承壓水逸出或從鉆孔直接逸出與斷裂、地下水活動(dòng)有關(guān)，模式如圖3所示。

圖3 其培水電站CO2成因模式圖Fig.3 Genetic model of CO2from the Chipwi hydropower station

深部來源的CO2沿?cái)嗔眩‵1，F(xiàn)2，F(xiàn)3）向上運(yùn)移，在一定深度深部氣體與承壓水混合（據(jù)承壓水溫標(biāo)計(jì)算，承壓水循環(huán)深度在600m左右），在接近地表受斷裂影響，分成多支。一部分與承壓水混合，在河床斷裂帶與伴隨承壓水噴出；另一部分沿卸荷裂隙、分支小斷層運(yùn)移，當(dāng)左岸平硐或鉆孔揭露這些含氣裂隙時(shí)逸出。地表淺層混雜部分起源于大氣或生物有機(jī)成因的N2，形成多種成因的N2隨地下水淺循環(huán)進(jìn)入裂隙，并隨鉆孔揭露逸出。不同鉆孔氣體組分的差異與近地表地下水的混合作用有關(guān)，鉆孔CHK2，CHK19，CZK41和CZK43的氣體以CO2為主，同位素組成相似，顯示同源特征。但鉆孔CZK41和CZK43氣體含微量氦、氫，而鉆孔CHK2和CHK19隨承壓水逸出的氣體不含氦、氫，表明地下水作用影響的差異。

因此，恩梅開江斷裂帶中的CO2型氣體形成于深部，在運(yùn)移過程中受地下水活動(dòng)的影響，以不同的方式在壩址區(qū)出露，氣體的地球化學(xué)組成也發(fā)生變化。其中河床是氣體逸出的主要部位，氣體組成以CO2為主，產(chǎn)出量大，對壩址工程處置有較大影響。氣體直接對人體健康影響不大，但在平硐中因CO2氣體大量聚集，對人體健康有較大影響，應(yīng)加強(qiáng)對平硐排風(fēng)通氣的工程處理。

5 結(jié)論

a.其培電站鉆孔和平硐勘探揭露的氣體有CO2型和N2型2類，以CO2為主的氣體，CO2的摩爾分?jǐn)?shù)為89.37%～98.83%，N2的摩爾分?jǐn)?shù)為0.7%～10.42%；含有微量的甲烷，摩爾分?jǐn)?shù)為0.2%～0.47%。左岸鉆孔氣體含微量氦、氫，而伴隨承壓水逸出的氣體不含氦、氫。以N2為主的氣體，N2的摩爾分?jǐn)?shù)為70.91%～99.49%，含少量的CO2及CH4，不含氦、氫。

b.以 CO2為主的氣樣，CO2的δ13CV－PDB為－4.947‰～－5.387‰，δ18OV－PDB為3.364‰～3.613‰，顯示具有同源成因，屬于深部幔源無機(jī)成因。δ15N值在－0.082‰～7.263‰之間，變化范圍較大，鉆孔CHK2和CHK19的δ15N值在－0.082‰～（1.056‰±0.016‰），具同源特征；鉆孔CZK41和CZK43的δ15N值在（6.947‰±0.020‰）～（7.263‰±0.024‰），具同源特征。

c.壩址區(qū)以CO2為主的氣體形成于深部，沿?cái)嗔褞н\(yùn)移，部分在淺部與承壓水混合，伴隨承壓水噴發(fā)，部分進(jìn)入左岸裂隙系統(tǒng)，當(dāng)鉆孔、平硐揭露斷裂時(shí)逸出。

d.起源于深部的CO2氣體是恩梅開江大斷裂部分地段的地質(zhì)活躍性顯示之一，應(yīng)重視對斷裂活動(dòng)性及對工程影響的研究。河床是氣體逸出的主要部位，氣體組成以CO2為主，氣體產(chǎn)出量大，對壩址工程處置有較大影響。

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