长江三角洲浅层气地质赋存特征及其对越江隧道工程的影响.pdf
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1、第 19 卷 第 1 期2024 年 1 月Vol.19 No.1Jan.2024中 国 科 技 论 文CHINA SCIENCEPAPER长江三角洲浅层气地质赋存特征及其对越江隧道工程的影响郭鹏鹏1,2,王勇2,宋湦3,陈成2,贾鹏飞4(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院,广西桂林 541004;2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室,武汉 430071;3.自然资源部第二海洋研究所,杭州 310012;4.西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室,西安 710069)摘 要:为研究我国长江中下游沿江、沿海平原赋存的浅层气不良地质及其对工程的影响,以长江崇太隧道遭遇浅
2、层气地质为工程背景,基于长江三角洲地理地貌、沉积历史和沉积相特征,通过专项地质勘察和地球化学分析,研究区域浅层气地质的赋存特征,分析其对工程的不利影响,并提出针对性防治措施。结果表明:长江三角洲区域地层互相叠置、层序完整明显,浅海相淤泥质黏土层既是浅层气的产气层,又是封盖层,下覆厚状砂层是气体的良好储集体。隧址区具备典型的长江三角洲沉积特征,地层中赋存的浅层气属于原生甲烷型生物成因气;喷发性气体赋存于浅海相淤泥质黏土层内部的粉土、粉砂微、薄夹层中,属于未经长距离运移的自生、自储、自盖型生物成因气;隧道越江段主要穿越的厚层河口湾相细、中砂层虽具备良好的储气条件,但未见大量气体储集。从越江隧道段浅
3、层气的赋存特征出发,虽然分析认为其对工程的影响程度有限,但在工程建设中仍不容忽视,需采取针对性预防措施以避免浅层气地质造成工程危害。关键词:长江三角洲;浅层气;地质赋存;不良地质;越江隧道中图分类号:P694 文献标志码:A文章编号:2095-2783(2024)01-0014-09开放科学(资源服务)标识码(OSID):Geological occurrence characteristics of shallow gas in Yangtze River Delta and their effect on cross-river tunnelGUO Pengpeng1,2,WANG Yon
4、g2,SONG Sheng3,CHEN Cheng2,JIA Pengfei4(1.College of Civil Engineering and Architecture,Guilin University of Technology,Guilin,Guangxi 541004,China;2.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering(Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Science),Wuhan 430071,China;
5、3.Second Institute of Oceanography,Ministry of Natural Resources,Hangzhou 310012,China;4.State Key Laboratory of Continental Dynamics(Northwest University),Xi an 710069,China)Abstract:To study the unfavorable geology of the occurrence of shallow gases and their effects on the tunnel engineering in t
6、he plain areas along the middle and lower reaches of the Yangtze River,the geological occurrence characteristics of shallow gas in the region were studied by means of special geological survey and geochemical analysis.In the study,the shallow gas geology occurred in the Chongtai tunnel of Yangtze Ri
7、ver was taken as an engineering background and the analysis was carried out based on the geographical,sedimentary history,sedimentary facies characteristics of the Yangtze River Delta.The adverse effects of the geological occurrence characteristics of shallow gas on engineering were pointed out,and
8、targeted prevention and control measures were proposed.The results show that the regional strata are overlap with each other,and the sequence is complete and obvious in the Yangtze River Delta.The silty clay of shallow marine facies are both gas-producing and capping layers,and the thick sand layer
9、covered below is a good reservoir of gas.In the tunnel site,there are typical sedimentary characteristics of the Yangtze River Delta,and the shallow gas in the stratum belongs to the primary methane biogenic gas.The eruptive gas store in the silt soil and silty sand micro-thin interlayers inside the
10、 muddy clay layer of shallow marine facies,and it belongs to the self-generating,self-reservoir and self-sealing biogas without long distance migration.However,the cross-river section of the tunnel in the primarily passes through thick,fine and medium sand layers of estuarine facies have good gas st
11、orage condition,but there is no evidence of large gas accumulation.Based on the occurrence characteristics of shallow gas in cross-river tunnel section,the impact of this occurrence feature of the shallow gas on tun收稿日期:2023-04-24基金项目:国家自然科学基金资助项目(51979269,52127815);武汉市应用基础前沿项目(2020010601012181)第一作者
12、:郭鹏鹏(1996),男,硕士研究生,主要研究方向为特殊土土力学与工程灾害防治通信作者:王勇,研究员,主要研究方向为特殊土土力学与工程灾害防治,郭鹏鹏,等:长江三角洲浅层气地质赋存特征及其对越江隧道工程的影响第 1 期nel engineering is limited,but it still cannot be ignored in the engineering construction,and targeted prevention measures should be taken to avoid the hazard caused by shallow gas geology.Ke
13、ywords:Yangtze River Delta;shallow gas;geological occurrence;unfavorable geology;cross-river tunnel浅层气一般埋藏深度在100 m范围内,是有机质经微生物的生物化学作用产生的以甲烷为主要成分的天然气,在我国长江中下游沿江、沿海地区分布较广泛1-3。近年来,随着我国地下工程的增多,浅层气地质诱发工程灾害的问题逐渐受到工程界的重视。如:上海长江入海口排水隧道建设时,大量浅层气涌入隧道,造成其底部土层掏空,引发隧道不均匀沉降并产生断裂4;在杭州湾跨海大桥勘探期间,浅层气携带泥砂剧烈喷发,造成沉船重大安全
14、事故5;武汉地铁二号线建设过程中,发生气体溢出并燃烧,导致施工人员中毒6。由此看出,浅层气地质诱发工程灾害具有一定的区域性。事先厘清工程所在区域的浅层气地质赋存特征,是采取针对性措施预防工程灾害的前提。国内外学者已针对第四系地层中的浅层气成藏、赋存等问题开展了较多的研究7-11。例如:Fleischer等12给出了全世界近海海域已发现的浅层气分布位置,包括墨西哥湾北部13、印度西海岸14、中国东海、杭州湾1等。林春明等9、陈少平等15针对我国杭州湾地区分布的浅层气,较早地开展了区域地质沉积类型、分布特征的研究,提出了杭州湾区域浅层气的成藏条件和典型气藏类型。王勇等16进一步从浅层气成藏角度阐释
15、了杭州湾地区浅层气的形成过程,并提出了浅层气储集砂层的赋存分带特征。朱瑶宏等17结合区域浅层气地质条件,探讨了杭州湾跨海大桥桥址区的浅层气成因和赋存特征。上述学者主要从地质成因角度对浅层气成因类型、储/盖条件、成藏特征等开展研究,对工程建设的指导作用有限,为此,有学者进一步探讨了浅层气对工程建设的影响,如孔令伟等5、郭爱国等18在查明浅层气赋存特征的基础之上,深入分析了浅层气地质对工程建设的灾害性影响,并针对不同工程类型,提出了针对性的防治措施。此外,上述研究主要集中于杭州湾地区,而不同区域的地质环境和沉积相特征等存在差异,会导致浅层气的分布、赋存类型和工程危害程度等也存在较大的不同19,因此
16、开展特定地区浅层气赋存特征的研究对区域内的工程建设具有重要意义。近年来,随着长三角一体化立体交通建设的推进,长江三角洲区域内 越 来 越 多 的 工 程 建 设 遭 遇 到 浅 层 气 地 质 灾害20。Zhang 等21、林春明等22初步探讨了长江三角洲区域的浅层气成藏条件,并认为该区域地质有利于浅层气的形成。但总体而言,目前针对长江三角洲区域浅层气的研究较少,需开展更加广泛且深入的研究。本文以长江崇太隧道遭遇浅层气地质为背景,首先分析长江三角洲区域的地理地貌和沉积相特征,探讨区域浅层气的成因类型和生-储-盖条件。然后结合越江隧道浅层气地质专项勘察成果,进一步揭示隧址沿线浅层气的赋存与三角洲
17、区域浅层气赋存的联系与差异,并基于此提出针对性的工程防治建议和措施,以期为我国长江三角洲区域内的类似工程建设提供借鉴。1长江三角洲地理与地貌特征现代长江三角洲位于长江与东海海陆交汇处,是以长江持续输送沉积物为建设主导、江流与波浪等多种动力共同作用发育形成的沉积平原,由茅山向东以扬州、镇江为顶点至123E,南北处于扬运河-拼茶河与杭州湾之间的范围23,该地区总体地势平缓,高程普遍低于10 m,走向西高东低,原始坡降约为0.01%。丘陵山区在平原西侧,太湖西部、东部、东南部一带均有分布,高度大多在100200 m之间,最高达340 m24。地质资料显示,全新世以来,长江三角洲地区陆域发育面积约为2
18、.28 万km,水域部分约为2.90 万 km 25。根据海侵、海退沉积相序,以扬州、泰州、曲塘、吕泗连线为北界,长江南岸为南界,可将该地区由北至南依次划分为北翼区、下切河谷和南翼区,以最大海侵线为界,将南、北两翼划分为前缘和后缘26。南北翼和下切河谷平面位置如图1所示。其中,南北两翼主要为滨海平原地貌特征,陆上地势平缓、水系发育、海拔高度低,是以黏土、粉砂质黏土、粉砂和细砂为主要组成的第四纪疏松沉积层27;下切河谷主体自扬州-镇江,向东南方向的长江口延展,长度约为250 km,宽度由 10 km 扩展至 60 km,深度由 60 m 增加至90 m,是冰后期以来多次海侵、海退中交互叠置、填充
19、发育的巨厚第四纪沉积层25,28,下切河谷中疏松的碎屑和泥质沉积物是长江三角洲常年持续搬运沉积的成果,同时有机质的快速沉降埋藏为浅层气的发育创造了条件。2长江三角洲沉积历史与沉积相特征2.1长江三角洲沉积历史自上新世以来,长江三角洲地区经历了陆相过渡相海相的沉积演化过程,使得该地区下切河谷汇集,形成了交替发育的沉积特征29。上新世15第 19 卷 中 国 科 技 论 文早更新世时期,长江三角洲地区陆相冲积扇-河流-湖泊-三角洲沉积发育,沉积物岩性为砾石、砂砾、细砂、泥和粉砂30;早更新世晚期,发育了大套的湖泊相泥岩沉积,说明该时期湖泊面积达到了最大。中更新世晚更新世早中期,砾石、砂砾、细砂、泥
20、和粉砂是该时期沉积相的主要组成;中更新世发育湖泊-辫状河冲积平原沉积环境,直至晚更新世早中期,受海平面上升影响,沉积环境进入海陆过渡相。晚更新世晚期早全新世时期,海平面不断上升,长江口向内陆退积,长江三角洲地区进入海相沉积环境,发育有滨浅海-浅海、海湾、潮坪等沉积层。自晚全新世后,长江三角洲不断向海进积,形成大面积分布的滨岸三角洲沉积,广泛发育三角洲平原、河口沙坝、三角洲前缘和浅海陆架沉积,并受潮汐作用的不断改造,形成潮坪浅滩和水下台地沉积31。中更新世晚更新世早中期以来,长江三角洲地区海陆交互更替,使得大量水生和陆源有机质沉积,这为该地区浅层气的产生奠定了物源基础。2.2长江三角洲沉积相特征
21、晚更新世后期以来,长江河道开始发育,古地理单元继承性明显,同类地层相互叠置。由于后期河谷对已有的下切河谷不断侵蚀、改造,使得不同时期河床堆叠形成厚砂层27,并以同时期形成的下切河谷底与河间地古土壤顶邻接面作为沉积层底界面标志32。对钻井资料C5、C49、C4、C31、C85、T23、T22进行连井剖面分析,如图2所示。可看出:长江三角洲南翼区主要为泥质沉积,基底为硬泥层;下切河谷主体底部受较强冲刷作用,部分硬泥层缺失,底部以粗粒砂层为主要沉积且厚度较大。末次冰期以来,长江三角洲地区沉积层序表现较为完整,以砂层-黏土层-砂层交替叠加为主要特征,自下而上依次发育有河流沉积相、河口湾相、浅海相和三角
22、洲相33。2.2.1 河流沉积相河流沉积相包括河道沉积和河漫滩沉积。河道底部滞留沉积主要为砂砾沉积物,该层沉积以石英岩为主要成分,受较强水动力作用,分选中等,磨圆度较好,点砂坝沉积以细砂和中细砂质沉积物为主,有平行层理和板状交错层理,洪泛平原(河漫滩)以灰色粉砂、泥质粉砂、黏土为主,夹薄层细砂。整个河流沉积层序由下向上粒度逐渐变细,构成完整的正粒序。河流沉积在长江三角洲下切河谷区发育较为广泛,经历多次旋回沉积,不同时期河道互相叠置,具有典型的河流沉积正粒序特征(图2(a),图2(l)。河漫滩沉积以粉砂质黏土层为主,夹薄层细砂岩、粉砂岩,发育水平层理,未见明显孔虫壳体,表明基本未受海洋环境的影响
23、(图2(b)。2.2.2 河口湾相河口湾相沉积物以灰色粉砂质黏土和青灰色砾质粗砂不等互层为主要构成,其间夹有砂质透镜体,发育有水平层理、波状层理及透镜状层理,泥、砂纹层交错更替,有机质含量较丰富,潮汐沉积特征表现较强。随着海平面的上升,沉积环境变化较大,沉积物中有机质丰度增加,灰色黏土层内可见植物碎屑、植物根茎和海相生物化石,且海洋生物丰度较高,为河口湾相沉积特征(图2(d),图2(j)。2.2.3 浅海相浅海相沉积物以深灰色淤泥质黏土为主要构成,其间夹有薄粉细砂层,多数情况下夹层厚度为0.12.0 cm,局部厚度可达1030 cm。深灰色淤泥质黏土中,发育水平层理和块状层理,且有机质含量丰富
24、,可见以浅海底栖种为主的海洋生物贝壳体和较 多 虫 孔(图 2(c),图 2(f),图 2(h),图 2(k),图2(m)。2.2.4 三角洲相三角洲相沉积物以灰色细砂、粉质细砂、黏土质粉砂、粉砂质黏土为主要构成。沉积构造复杂多样,普遍发育水平层理、交错层理、透镜状层理和波状层理等,且有时为“千层饼状”构造。沉积序列由下至上逐渐变粗,由粉质细砂转变为以灰色细砂为主的沉积物,沉积层中富含孔虫生物体且局部存在贝壳体,表现出较强水动力作用下的沉积特征,另外可见部分区域的三角洲相上覆有潮坪沉积(图2(e),图2(i),图2(n)。下切河谷;三角洲北翼,1北翼前缘,2北翼后缘;三角洲南翼,1南翼前缘,2
25、南翼后缘。图1长江三角洲分区(据李从先等26,有修改)Fig.1Subdivision of the Yangtze River Delta area16郭鹏鹏,等:长江三角洲浅层气地质赋存特征及其对越江隧道工程的影响第 1 期3长江三角洲区域浅层气成因与类型长江三角洲多属于亚热带季风气候,全新世以来,湿润温暖的气候条件和近乎中性的水介质为浅层气的形成提供了良好的外部条件。地质历史进程中持续的构造沉降、快速沉积以及持续更替的海退、海侵,形成了河漫滩和河口湾灰色粉砂质黏土层、浅海相深灰色淤泥质黏土层,二者富含以草本腐殖型、草本腐泥腐殖型为主的有机质34,同时姥鲛烷/植烷(Pr/Ph)比值在 0.
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