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川藏铁路工程有毒有害气体预测

关键词：川藏铁路，有毒有害气体，隧道，岩浆岩，变质岩，缝合区

摘要：川藏铁路地质环境复杂，其中岩浆岩、变质岩分布广泛。借鉴国内外类似地质条件下的地下工程经验，分析可知川藏铁路隧道中存在无机气体有毒有害的危险性。结合无机气体的产生条件和川藏铁路沿线的地质条件，分析并预测川藏铁路沿线中可能产生的有毒气体，其类型主要为CH₄、CO₂、H₂S、SO₂、CO、NO₂、NH₃和H₂。有毒气体主要分布在3个缝合区、3个地壳断裂带和3个以上的地下断层带、含镁铁质的超基性岩层、花岗岩层、火山岩层和接触变质岩层等区域。这些区域都是有毒有害气体向其他区域迁移和聚集的有利区域，在隧道施工中应高度重视。

1.工程介绍：

经国家发展和改革委员会讨论，川藏铁路工程已列入国家中长期建设规划。根据规划，川藏铁路将从成都出发，途经雅安、康定、理塘、作工、波密、林芝等地，开往拉萨等其他地区，全长1629公里。雅安段以后，川藏铁路沿线地质条件变得更加复杂，隧道数量多，埋藏深，隧洞长。地层岩性特征为岩浆岩和变质岩。岩浆岩和变质岩中常赋存有毒有害气体，对施工安全构成极大威胁。历史上发生过许多隧道事故(表1)[1-4]。因此，开展有毒气体预测研究，对川藏铁路隧道设计、安全施工以及川藏铁路全线的顺利建成具有重要意义。

表1 岩浆岩、变质岩隧道事故统计表

2.地质背景：

• 川藏铁路从四川成都到达西藏拉萨,途径四川板块、巴颜喀拉山板块、羌塘板块,甘地斯-尼阳板块、喜马拉雅板块，并穿过岩圈断裂层,包括金沙江、怒江、雅鲁藏布江等断层区域（以含镁超基性岩层为主）。经过的地壳断层包括甘孜里塘断层、澜沧江和博舒拉岭断层(以铁基性-超基性岩层为主),以及一些基底断裂层，包括龙门山断层,康定断层,和青泥穴-芒康断层(以花岗岩岩层为主)(图1)。
• 川藏铁路地质条件极其复杂,且构造活动十分频繁。尽管这条铁路沿线不同板块的地层岩性不同，但是除四川断裂带外，其它板块的地层岩性主要为岩浆岩和火山岩。

图1 川藏铁路沿线地质构造图

3.铁路沿线主要有毒有害气体类型：

1. 甲烷

1763年，俄罗斯科学家罗蒙诺索夫注意到油气的起源与火山活动有关，提出了非生物油气的启蒙思想，并在随后的两个世纪里发展成各种关于非生物油气的观点。它们可以概括为以下五类:宇宙理论;碳化理论;岩浆理论;原子核转化理论。近几十年来，随着现代科学技术的进步，特别是气体地球化学和同位素地球化学相关仪器的出现和研究的进展，推动了无机气体假说向以科学为基础的现代无机气体假说的发展，同时证明了无机气体的存在。无机气体已在国内外许多领域实现了工业开采。

根据地球化学可知，甲烷气体的极限赋存状态在700℃以及地下20km左右。在这种范围内，很可能存在甲烷。换句话说，甲烷很可能存在于酸性岩浆和高温热液中。无机气体主要来源于上地幔岩浆流体，其次是地壳沉积层的岩石矿物和流体。而合武铁路隧道穿越变质岩层，其变质岩母岩为酸性岩浆岩类花岗岩，施工过程中存在瓦斯泄漏的危险。川藏铁路沿线存在大量酸性岩浆岩，岩浆岩中残留的非生物气体也可能对隧道工程造成威胁。

1. 二氧化碳

二氧化碳存在的临界温度是2000℃，等同于地幔顶部和底部连接处的温度。岩浆是地幔中非生物气体的产气区和赋存区，所以岩浆的活动期是二氧化碳等非生物气体的释放期。通过对岩浆岩成分的研究可知，岩浆岩中赋存了大量的可挥发气体，如CH₄、CO₂、CO、、H₂O、H₂。当岩浆上升时，CH₄、CO₂等可挥发物会因温度下降而从岩浆中飘逸出来，扩散到围岩中，并在有利的地质构造区域中聚集。而在岩浆侵入和喷发的时，碳酸岩可能由于高温岩浆的煅烧作用而发生变质分解反应，由此产生了岩石化学成因的气体CO₂。因此，CO₂有可能在岩浆岩和变质岩中富集。所以当隧道穿越这些区域时，容易发生安全事故。前苏联的Alpa-Xiewan隧道穿越岩浆岩地区时就发生了突发性的CO₂喷涌事故，可以有力地证明这一点。

同时，当隧道中的二氧化碳含量达到1%-2%时，人就会感到不适:当二氧化碳含量达到3%-4%时，人的血压就会升高，并伴有头痛现象;当含量达到6%时，人就会呼吸困难;当含量达到7%时，人就可能会在几分钟内死亡(见表2)。因此，在二氧化碳浓度较低时，我们也应当注意防治二氧化碳的突然喷涌，避免对身体造成伤害。

1. 二氧化硫

地壳中存在的含硫气体主要是硫化氢(H₂S)和二氧化硫(SO₂)。在自然界中，H₂S有两种产生方式:生物(有机)方式，包括生物降解和生物化学;无机热化学方式，包括热降解、热化学还原和温度合成。世界上几乎所有的天然气池中都赋存含硫气体。

（4）其他气体

岩浆岩的活动可释放多种有害气体，如甲烷、二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮、氨、氢和一些有害的稀有气体。在地表浅层约4km处，变质作用参与了无机气体的产生过程:顶部岩浆向上侵入并与碳酸盐、碳酸盐岩(石灰岩、白云岩、大理岩)或碳块接触，在高温流体的作用下进行脱碳及变质反应，进而产生有害气体。接触变质型生物成因气体可产生于中、新时代剧烈的构造活动中，也可产生于中酸性岩浆广泛分布的地区。

一氧化碳(CO)是碳燃烧过程中的一种中间产物，并且所有的碳在燃烧刚开始时都变成了CO。根据费特板块构造合成理论，CO也是生物成因气体生成前的半成品。而在含煤地层和碳酸盐岩地层中，由于高温或深部变质作用，也可能赋存CO。隧道中CO含量超过300ppm时，就会对人体健康造成危害(表2)。

含氮岩石中可产生二氧化氮(NO₂)和氨(NH₃)，中层变质煤层中可产生氢气（H₂）。

上文提到的这些气体可以燃烧和爆炸，对施工人员的安全形成间接的威胁。另一方面，这其中的一些气体可以直接损害施工人员的健康，甚至导致死亡。

表2 主要有害气体的含量及其对人体健康的影响之间的关系

4.有毒有害气体分布特征预测：

无机成因的有害气体主要来源于地幔源岩浆和由于地壳、地幔的变质作用产生的气体。通过不同规模的断层、低速体、易延伸的剪切带等纵向组合连接形成的运移系统，赋存于深部地壳-地幔气源区的天然气可以运移到不同的浅层圈闭地层中，从而使无机成因气在俯冲带、碰撞带，高温流体带，蛇绿岩深部断层带、构造板块上的地震带等区域扩散开来。

（1）不同规模的断层带：

岩浆是幔源无机成因气的来源。由于深部断裂带蔓延至地球内部气源的赋存位置，导致气体涌出，岩浆上涌，气体沿断层向上溢流，并使岩浆在地表附近聚集，最后扩散到上覆岩层上。川藏铁路穿越多个不同规模的断层。例如，将整个岩石圈切割成软流圈的断层:拉祖龙-金沙江缝合带、班贡湖-怒江缝合带和雅鲁藏布江缝合带。它们都属于岩石圈断裂，是含镁超基性岩层的出露部位；切割地壳到莫霍的断层:甘孜里塘断层、澜沧江断层、博舒拉岭断层等。它们属于铁基-超基性岩层的地壳断层；单个断层将花岗岩基底切割成康纳德不连续面，包括该地区盆地与山脊之间的几条断裂，如康定断裂、青泥穴-芒康断裂以及弧形褶皱带中的一些断裂均为单个，以花岗岩的出露为主要特征。这些断层规模较大，切割层较深，深

资料编号：[4531]