深圳湾海岸带沉积物中有害气体生成潜势与致灾机制：基于地球化学特征与沉积环境的启示

《Applied Geochemistry》：Harmful gas generation potential and disaster mechanisms in coastal sediments of Shenzhen Bay, China: Insights from geochemical characteristics and depositional environment

　　

有害气体的可燃性与毒性在地下工程施工期间构成显著安全风险。然而，针对海岸带浅层生物成因有害气体生成潜势与危害机制的早期勘察理论框架仍不充分。研究人员选取中国深圳湾海岸带三处地下施工区作为研究场地，集成有机与无机地球化学分析，系统重建隧道施工区沉积环境特征，评价生物成因有害气体生成潜势，并探讨其潜在致灾机制。结果表明，研究区沉积物含有较高丰度的有机质，具陆海混合来源且处于低成熟阶段，为生物气生成提供了有利条件。在珠江口—前海湾隧道施工点，(Mo/U)EF与总硫（TS）的正相关关系暗示施工深度存在微弱但间歇性的硫化条件，可能与较强水动力活动和较低沉积速率促进硫酸盐下渗有关，指示较高的CH4-H2S复合危害潜势。相反，深湾隧道点表现为弱水动力、高沉积速率和强还原条件，(Mo/U)EF与TS弱相关表明产甲烷作用占主导，暗示以甲烷为主的危害潜势。最后，研究人员提出海岸带地下工程生物成因有害气体概念性勘察框架，以支持早期风险识别与防控。

研究背景方面，地下工程施工中常遇有害气体，其可燃性与毒性对施工安全与运营构成重大威胁。低温还原条件下有机质经厌氧微生物降解可生成甲烷（CH₄）及在硫酸盐还原活跃时生成硫化氢（H₂S），此类含CH₄与H₂S沉积物在隧道开挖中可能演变为潜在有害气害。海岸带细粒富含有机质沉积物广布，为生物气形成提供场所，但现有研究多聚焦浅层气对海洋基础设施影响，隧道工程因封闭半封闭空间使气体释放聚集具爆炸中毒双重风险。既有早期勘察框架多针对热成因或深部油气迁移气，难以直接用于受沉积与微生物强控制的生物气系统，且常规CPTu、气体探测器与声学剖面多反映已成型游离相或水力学行为，无法在开挖前识别溶解态气体与硫化物循环潜势。为此，研究人员以深圳湾珠江口—前海湾与深湾三处隧道场地为对象，开展生物气潜势与致灾机制的早期地球化学评价。

主要关键技术方法方面，研究人员采集深圳湾海岸带29个钻孔15至20米深度粉质黏土样品，其中前海湾—珠江口区（含宝安机场与前海某工程）17个、深湾地铁13号线南延段12个，属全新世海—冲积层（Q₄^mc）。在此基础上开展岩芯有机无机集成分析：利用LECO碳硫仪测总有机碳（TOC）与总硫（TS），Rock-Eval热解获S1、S2、T_max评价成熟度；对11个代表样进行索氏抽提、硅胶柱分离及气相色谱（GC）与气相色谱—质谱（GC-MS）分析正构烷烃与Pr/Ph等生物标志化合物；元素地球化学涵盖主量、微量及稀土（REE）PAAS标准化，辅以δ¹³C_org同位素质谱、粒度激光衍射分析，并以Mo/U富集因子（(Mo/U)_EF）、Cu/Zn、V/(V+Ni)、Ce异常等多指标重建氧化还原、盐度、气候与沉积速率。

研究结果部分，3.1节TOC、TS与Rock-Eval热解显示，前海湾TOC 0.28%—0.77%、TS 0.45%—1.38%，深湾TOC 0.59%—1.78%、TS 0.16%—0.53%，两区T_max均低于425℃证实有机质未成熟，具生物气物质基底。3.2节元素地球化学中主微量元素示前海湾Fe₂O₃、MnO偏高、深湾MgO、Na₂O偏高；REE配分模式相近具轻微分异；3.3节正构烷烃nC₁₄—nC₃₅奇碳优势，C₂₁^?/C₂₂⁺均值0.48、陆地水生比（TAR）均值1.78、Pr/Ph 0.25—0.84，指示未成熟、还原、陆海混合源以陆源为主；3.4节δ¹³C_org前海湾—珠江口区A点?22.33‰、B/C点?24.65‰与?24.42‰，印证陆源信号强度空间差异；3.5节粒度上前海湾泥质偏低、砂质偏高、中位径大，深湾细粒富集，暗示深湾水动力弱、沉积快。

讨论部分，4.1节确认两区TOC超陆源生气下限、T_max低，生气以生化过程主导；4.2节由TAR、1/Pmar-aq、δ¹³C_org判定前海湾更强陆源输入、深湾水生贡献增加；4.3节古环境重建中，Pr/Ph、Cu/Zn、Ce_anom、V/(V+Ni)一致表明两区长期缺氧、深湾还原性更强；Sr/Ba 0.17—0.43指淡—微咸水；Sr/Cu深湾均值4.50属暖湿—热湿；基于Co表观沉积速率深湾726.30 m/Ma高于前海湾485.58 m/Ma，结合Th/K与(La/Yb)_N及粒度，论证深湾弱水动力高堆积、前海湾强水动力低堆积且硫酸盐更易下渗。4.4节气体潜势与致灾机制指出，深湾强还原弱硫化、U富集Mo亏损、(Mo/U)_EF与TS弱相关，产甲烷主导；前海湾(Mo/U)_EF与TS正相关、Mo-TS共变且TS:TOC高于Berner线，指示间歇性硫化与甲烷—硫酸盐耦合还原（AOM-SR）可能，具CH₄-H₂S复合害；研究人员进一步将气体演化分为自然溶解扩散、开挖扰动孔压释放、溶解气脱溶聚集、封闭空间燃爆中毒四阶段，并提出海岸带生物气概念性勘察框架。

研究结论部分翻译总结为：深圳湾两隧道场地沉积物富含有机质、低成熟、陆海混源，具备生物气生成基础；珠江口—前海湾因较强水动力与较低沉积速率致硫酸盐下渗，发育微弱间歇性硫化，(Mo/U)_EF—TS正相关支持CH₄-H₂S复合危害潜势；深湾弱水动力高沉积速率与强还原条件抑制持续硫化，产甲烷占优，以CH₄单一致害为主；基于沉积—地球化学指标替代传统点状气压监测，研究人员建立海岸带地下工程生物成因有害气体早期识别概念框架，为施工前风险分级与防控提供依据。该文发表于《Applied Geochemistry》。