水熱活動帶下的隧道熱害特征與成因分析

劉星辰,黃 鋒,陳樹汪,王安民,楊 冬

(1. 重慶交通大學 省部共建山區橋梁及隧道工程國家重點實驗室, 重慶 400074; 2. 重慶交通大學 土木工程學院, 重慶 400074; 3. 云南省交通規劃設計研究院有限公司,云南 昆明 650051)

0 引 言

我國幅員遼闊且地質形貌復雜,受亞歐板塊與印度洋板塊運動影響,山嶺重丘主要分布于我國的西南地區[1-3]。造山運動不僅形成了節理構造、斷層破碎帶、軟弱夾層等復雜的地質構造,而且還以高地應力、高地溫形式在深地巖層內積蓄了大量能量[4-5]。隨著我國深地工程建設的開展,地熱背景下的高溫環境逐漸成為了地下工程建設中所面臨的主要挑戰之一[6]。學界對地熱現象的認識及利用進行了大量研究,并在地熱特征與成因分析方法上進行了大量嘗試,大地熱感成像、熱泉水化學分析、氫氧同位素檢測等研究方法及結論逐漸被行業認可[7-10]。地熱溫泉是區域地熱現象的顯著特征,其補給方式、熱交換路徑、水巖反應機理均可作為揭示區域地熱背景及成因的重要依據。例如:袁偉等[11]以海螺溝溫泉區域為例,通過分析其地質構造特征、水文地質條件、地球化學現象,從水源、熱源、構造等角度闡明了溫泉成因與熱交換通道;周春景等[12]基于溫泉分布及成因等因素,反向研究了區域地熱特征與巖漿活動、地質構造、地震活動及區域深部構造的關系;胡政等[13-14]綜合考慮了隧道工程周邊的地質構造與溫泉水地球化學特征,利用氫氧同位素對隧道熱源與導熱通道進行了預測;王生仁等[15]通過地熱背景調研與鉆孔測溫方法,獲取了區域地熱的熱場分布和地溫梯度,優化了隧道選線方案。

多數隧道熱害預測是以鉆孔測溫數據作為主要依據,但深地工程及高巖溫隧道的埋深普遍較大,鉆孔難以滿足測溫要求且成本較高;基于水熱活動背景與熱泉地球化學特征,利用地熱溫標對深埋隧道熱害分析則是一種可行的思路。筆者以云南騰沖境內的騰越隧道為例,基于隧址區域內的水熱活動和熱泉地球化學特征,利用SiO2地溫溫標預測了隧道巖壁溫度,為隧道熱害防治提供參考。

1 水熱活動帶特征

1.1 構造背景

研究區域位于保山與騰沖地塊之間,如圖1。板塊構造歷史中,隨著潘基亞大陸裂解并與岡瓦納大陸匯聚,保山地塊與騰沖地塊之間的中特提斯洋消亡,兩地塊發生俯沖匯聚與碰撞后沿高黎貢山拼貼在一起,形成了怒江縫合帶,并在保山與騰沖地塊間形成了以瀘水-瑞麗大斷裂為界的瀘水-潞西微地塊。在騰沖塊體和高黎貢山帶中發育了多期新生代巖漿巖,而高黎貢山作為保山地塊與騰沖地塊之間的壓扭性構造邊界,則形成了多條韌性剪切帶,并導致高黎貢山地區的巖石地層普遍發生動力變質和韌性變形。在晚新生代至第四紀期間,因印度板塊斜向俯沖到騰沖地塊之下的板片發生拆離,導致騰沖、保山地塊轉變為張-扭構造環境,區域內廣泛發育多組活動構造,騰沖地塊發育了多期第四紀火山,巖漿熱成為了區域內水熱系統主要熱源。

圖1 板塊構造理論下研究區位置Fig. 1 Location of the study area under the theory of plate tectonics

考慮到騰越隧道位于保山褶皺帶與騰沖褶皺帶的碰撞匯聚帶-怒江縫合帶附近,巖層活動斷裂及深大斷裂較發育,以怒江斷裂帶、瀘水-瑞麗斷裂帶、騰沖-梁河斷裂帶為主的南北向深大斷裂與次級斷裂組成了研究區域的地質構造基本骨架,如圖2。

圖2 研究區地形及地質構造Fig. 2 Topography and tectonics of the study area

騰越隧道橫穿高黎貢山,全長10 330 m,縱坡2.2%,沿線最大理深為1 442.88 m,區域內地勢北高南低,以侵蝕構造地貌、溶蝕地貌、侵蝕堆積地貌為主。新構造強烈運動導致地殼隆升間歇性與空間差異性突出,新生代斷陷盆地因斷裂繼承性活動頻繁而大量形成,同時形成了深厚松散堆積物并發生褶皺與斷裂,為區域內水熱系統中熱泉形成提供了循環增溫通道,如圖3。

圖3 地殼隆升與斷裂形成過程Fig. 3 Process of crustal uplift and fault formation

1.2 水熱背景

當具有一定規模并能積聚或運移地下熱水的斷裂演變成導熱斷裂時,其富水性取決于斷裂的形成時代、規模、力學性質、補給源區與地表水體聯系程度及所處地形地貌特征等。研究區域內的地表溫泉沿構造帶分布,自東至西分布于怒江沿岸、高黎貢山東、西坡溝谷內及龍川江沿岸,結合構造背景將研究區域劃分為3條南北向構造水熱活動帶,如圖4。

圖4 水熱活動構造綱要Fig. 4 Outline of hydrothermal activity structure

怒江南北向構造的水熱活動帶在區域上屬于三江縱谷區西隅,區域內為構造侵蝕-溶蝕峽谷地形,構造形態為一個被斷裂切錯的復式向斜,溫泉主要出露于怒江沿岸沖溝和陡崖下的低洼處,受南北向導熱斷裂控制;高黎貢山南北向構造水熱活動帶在區域上屬高黎貢山-三臺山弧形構造帶北段,由于該區域內縱向構造均呈近南北向展布且由變質巖構成的復式背斜組成,近南北向斷裂多為導熱斷裂系統,沿斷裂帶溫泉均出露于山間溝谷地帶;龍川江南北向構造水熱活動帶在區域上屬騰沖-梁河弧形構造帶北段,該區域縱向構造均呈近南北向展布,區域內僅有出露溫泉1處,分布于龍川江上游河谷岸坡崖壁之上。該區域內3條南北向構造水熱活動帶的斷裂構造背景、水熱活動特征、導熱性如表1。

表1 水熱活動帶特征Table 1 Characteristics of hydrothermal active zone

其差異性主要受地殼巖石類型與地質構造特征影響,在沉積巖地層中,水熱活動會受到巖層中孔隙度和滲透性影響,地質構造類型、規模、深度及裂隙透水性則關系到水熱循環深度與徑流行程,進而造成水熱活動差異。結合圖4可知:隧道洞身處于高黎貢山南北向水熱活動帶控制區域,區域構造以密集節理帶為主,大致與斷裂構造平行發育;地表出露溫泉的溫度與流量差異則與區域構造深度與展布范圍有關。受深大構造斷裂南北向展布特征、溫泉水補給區和排泄區位置差異、區域地形地貌綜合影響,高黎貢山南北向構造水熱活動帶控制范圍內溫泉溫度與流量大致呈由北向南水溫增高,流量增大的趨勢。

2 溫泉水地球化學特征

隧道沿線地表出露溫泉分布位置如圖5。該區域內溫泉分布廣、數量多,沿南北向構造帶呈“線狀”分布。

圖5 隧道沿線地表出露溫泉分布Fig. 5 Distribution of hot springs along the tunnel

表2 溫泉水化學分析Table 2 Chemical analysis of hot spring water

將水熱活動帶控制范圍內的9處溫泉水樣、6處地表水水樣與云南騰沖地區大氣降水水線(δD=8.62δ18O+18.31)所揭示的氫氧同位素線性關系進行擬合對比,如圖6。由圖6可知:研究區域內的溫泉、地表水及雨水的δD-δ18O同位素大致呈線性關系,這說明隧道沿線的地表出露溫泉水主要來源于大氣降水。值得注意的是,相對于地表水,溫泉水存在著輕微的氧同位素漂移現象,即溫泉水中氧同位素的含量均比地表水中氧同位素含量更高。通常認為這是地熱水中氧同位素與含氧巖石中的氧同位素交換結果。此外,可觀察到研究區域內溫泉水δD含量均比地表水δD含量低,根據氫氧同位素高程效應可推測出研究區域內溫泉補給并不是由該區域的垂直空間降水所補給,而是由海拔相對較高的周邊山區降水通過滲流通道進行補給。

圖6 水體的δD-δ18O分析Fig. 6 Analysis of aquatic δD-δ18O

3 隧址區水熱系統特征

3.1 熱儲特征

研究區域內溫泉水的Na-K-Mg三角圖如圖7。

圖7 溫泉水的Na-K-Mg三角圖Fig. 7 Na-K-Mg triangle of hot spring water

該區域內的熱水均屬于“未成熟水”,即水-巖之間尚未達到離子平衡狀態,溶解作用仍在進行,或熱水與冷水混合。故陽離子地熱溫標不適用于估算該區域的熱儲溫度,故采用SiO2地熱溫標對區域內的熱儲溫度進行估算,如式(1)、 式(2)。

考慮大氣降水補給所形成的出露溫泉會經歷深層循環增溫過程,地熱水最小熱循環深度可根據熱儲溫度與區域地溫梯度來確定,如式(3)。

石英溫標:

(1)

(2)

熱儲埋深:

S=T×G0+Z0=T× dT/dZ+Z0

(3)

式中:T為熱儲溫度,℃;CSiO2為水體內SiO2濃度,mg/L;S為熱儲深度,m;G0為地溫梯度,℃/m;dT為實測溫度與恒溫帶溫度之差,℃;dZ為實測溫度對應深度與恒溫帶底部對應深度的差值,m;Z0為恒溫帶底部深度,取23 m。

分別在怒江水熱活動帶、高黎貢山水熱活動帶及龍川江水熱活動帶控制區進行了深度為500 ～ 600 m的鉆孔測溫工作,如圖8。由圖8可知:井溫隨深度的增加而升高,但變化梯度并非一致;結合巖心質量分析可知,局部巖層地溫梯度增大與局部斷層、破碎及夾層軟弱破碎程度、透水性有關,破碎程度越高、透水性越好,局部地溫梯度變化越明顯,上述3個水熱活動帶的地溫梯度分別為2.11、 3.31、 3.78 ℃/100 m。

圖8 地質鉆探與地溫測試Fig. 8 Geological drilling and ground temperature test

根據規定[17]:隧道沿線地熱系統以中、低溫地熱系統為主,其中碳酸鹽巖熱儲層埋深(4～5 km)大致為變質巖熱儲層埋深(1.8～3.1 km)的2倍。為檢驗SiO2地熱溫標在該區域的適用性,與文獻[16]預測結果的對比如圖9。

圖9 高黎貢山地區熱儲預測結果對照Fig. 9 Comparison of thermal storage prediction results in Gaoligong Mountain area

由于所測試溫泉樣本存在差異,在對溫泉統一編號后顯示熱儲預測結果曲線存在明顯波動,通過進一步計算顯示:本文中石英溫標與玉髓溫標預測溫度平均值分別為100.04、109.14 ℃;而文獻[16]中石英溫標與玉髓溫標預測溫度平均值分別為100.15、109.9 ℃,熱儲預測溫度相近,這說明故采用SiO2溫標對該地區熱儲溫度進行預測具有一定參考價值。區域熱儲預測結果如表3。

表3 區域熱儲預測結果Table 3 Prediction results of regional thermal storage

3.2 水熱系統

熱儲層基巖風化殼以下巖層的滲透性差且富水性弱,地熱水形成后的上升通道與儲存空間以斷裂構造、復合型巖層裂隙及密集節理發育帶為主。隧址區水熱系統概念模式如圖10。地表出露溫泉的水源補給主要來自于構造水熱活動帶范圍內的大氣降水,通過破碎帶及構造斷裂向深部熱儲層入滲并在熱儲層基巖進行熱交換?；谘芯繀^域構造歷史與騰沖地塊多期第四紀火山發育背景,確定研究區域熱儲層熱源以巖漿余熱為主,即地下巖漿房或地殼內高溫侵入體冷卻過程中散熱,為近地表水熱系統提供熱源。大氣降水在熱儲層完成熱交換并升溫后,通過徑流、循環、上升,途徑巖層次要構造帶與節理裂隙繼續發生水巖相互作用與熱交換,最終上升出露形成溫泉,而溫泉口水溫受地熱水循環深度和淺層徑流冷水混入比例影響而存在差異。

圖10 隧址區水熱系統概念Fig. 10 Conceptual schema of water and heat system in tunnel site area

基于高黎貢山地區地質構造背景所揭示的斷裂構造走向以及研究區溫泉水地球化學特征所揭示的溫泉水補給來源,確定了隧址區出露溫泉形成均具有沿近南北向構造循環徑流的特征。其中:隧址區出露的黃竹河溫泉和黃竹河硝塘水化學成分相似,這二者具有相同的補給、徑流和排泄條件;補給區位于北側白風坡一帶山脊,地下水在補給區沿密集節理帶的裂隙迅速下滲,吸收圍巖熱量,地下水把淺部圍巖熱量傳遞至到深部,使補給區成為相對的低溫帶;地下水下滲至深部后沿貫通節理裂隙以水平運動為主,并在徑流過程中不斷吸收圍巖熱量,將熱量帶至排泄區;到達排泄區后,地熱水以垂直向上運動為主,將深部熱量傳遞至淺部,儲集在滲透性良好的巖層中形成熱儲,溢出地表則形成溫泉,如圖11(a)。這兩處溫泉的補給區較廣,徑流途徑短,循環深度相對較淺,故其熱儲及出露溫泉溫度均相對較低。

隧址區出露的百花嶺溫泉、金廠河溫泉及旱龍熱水塘補給區位于該區域以北高黎貢山山脊大腦子一帶,地下水在補給區下滲后,在徑流過程中遇到不同構造(包括斷裂及密集節理帶),在不同的構造條件下形成不同性質的地熱水(百花嶺溫泉與其它兩處溫泉水質存在明顯差異),徑流區的地熱水仍然以水平運動為主,當遇到構造交切的有利部位時,就以垂向上升運動為主,如圖11(b)、圖11(c)。這3處溫泉徑流途徑遠,循環深度大,故其熱儲及出露溫泉溫度均相對較高。

4 騰越隧道熱害分析

4.1 地熱熱流與地溫帶劃分

熱量傳遞方式可分為熱傳導和熱對流。一般而言,地殼中熱量傳遞方式以熱傳導為主,亦即溫度從高向低均一化傳遞過程;熱對流是受熱物體發生相對位移而進行熱量傳遞的介質運動。對地熱而言,地下熱水垂向運動是熱對流的主要原因,局部地區地下熱水的熱對流所傳遞熱量是熱傳導熱量的幾倍甚至幾十倍,極易形成局部熱對流高溫異常區。

假定地殼中熱量傳導符合傅里葉定律,則傳導熱流值可按式(4)計算。由此可得出保山地塊與騰沖地塊大地熱流值分別為70.8、 108.25 mW/m2,高于我國大陸平均熱流值63～68 mW/m2。

q=-λ(dT/dZ)

(4)

式中:dT/dZ為地溫梯度,℃/100 m,根據鉆孔測溫數據,隧址區域內地溫梯度為2.11～3.78 ℃/100 m,計算時取大值,即3.78 ℃/100 m;λ為測溫井圍巖中巖石熱導率(導熱系數),實測片麻巖熱導率平均值λ=1.733 W/(m· ℃),花崗巖熱導率平均值λ=1.924 W/(m· ℃),計算時取平均值為λ=1.829 W/(m· ℃)。

熱水在排泄區的垂向上升運動必然會將深部熱量傳遞到淺部,這種熱量傳遞主要取決于地下水流量。通過簡化熱傳導和熱對流之間的相互影響,采用隧址區溫泉釋放熱量與熱異常面積之比對對流熱流值進行估算。隧址區及周邊分布的5處地熱異常區對流熱流值計算結果見表4。由表4可見:溫泉出露區域對流熱流值普遍高于傳導熱流值,且局部水熱活動區對流熱流值為該區大地傳導熱流值的30倍,故地熱水在排泄區的熱傳遞以對流為主,在無對流介質條件的區段則以熱傳導為主。

表4 隧址區域對流熱流值統計Table 4 Statistics of convective heat flux values in the tunnel site area

根據對地溫帶劃分標準[18],利用隧址區11個鉆孔實測溫度及各水熱區泉水溫度,結合構造、地層、地形地貌等條件共圈定了高溫帶(Ⅲ)3個,中高溫帶(Ⅱ2)5個,中高溫帶(Ⅱ1)8個,低高溫帶(Ⅰ)8個,如圖12。

圖12 隧址區域地溫帶劃分Fig. 12 Division of geothermal zone in the tunnel site area

4.2 隧道巖壁溫度估算

區域水熱活動帶的形成主要受到大氣降水與斷裂構造影響。與此同時,深部巖層受深部熱源的傳導熱流影響也處于高溫環境中,隧道穿越高溫巖層則必然面臨高巖溫挑戰,而高溫隧道內熱量來源以圍巖發熱為主,僅在隧道與水熱活動帶交叉處受熱泉外泄影響。因此在已知地層恒溫帶溫度、區域溫度梯度、隧道埋深前提下,可根據式(5)對隧道巖壁溫度進行粗略推算。結合水熱活動帶導熱斷裂與隧道位置關系對隧道熱害進行分析,如表5。由表5可知:高黎貢山騰越隧道主洞全長10.54 km;無熱害段長約1.338 km,占全隧道的12.7%;輕微熱害段長約0.292 km,占2.8%;中等熱害段長2.894 km,占27.5%;較嚴重熱害段長2.292 km,占21.7%;嚴重熱害段長3.724 km,占35.3%。

表5 騰越隧道熱害特征Table 5 Thermal damage characteristics of Tengyue Tunnel

T=T0+G(H-Z0)

(5)

式中:T為隧道預測溫度,℃;T0為地層恒溫帶溫度,℃,取年平均溫度加2 ℃,即東側坡面溫度為18.2 ℃,西側坡面溫度為16.7 ℃;G為地溫梯度,℃/100 m;H為隧道埋深,m。

5 結 論

筆者基于水熱活動帶區域內構造背景與地球化學分析確定了該區域的水熱系統特征,并結合騰越隧道選址背景開展了隧道熱害預測,得出如下結論:

1)受地質構造影響,區域水熱活動帶的熱源主要來自騰沖地塊火山巖漿,水熱循環增溫通道以褶皺、斷裂、節理為主;高黎貢山南北向構造水熱活動帶內的溫泉溫度與流量分布規律為:自北向南水溫增高,流量增大;

2)區域內溫泉水相較于地表水存在δ18O漂移現象,這表明其補給主要來自大氣降雨,高程效應推測降雨補給位置與溫泉出露位置不一致,熱水在斷裂構造通道內徑流期間的水巖反應導致了水體富Ca2+特征顯著;

3)區域內大地熱的熱量傳遞方式以熱傳導為主,騰越隧道沿線處于中、低溫地熱系統中,隧道全線熱害占比高達87.3%,需在施工建設期間充分考慮熱害防治措施。