淺析開(kāi)采條件下地下熱水資源的演變

  摘要:地下熱水的分布可以分為埋藏型(或盆地型)和出露型(或溫泉型)。埋藏型分布于沉積盆地深處,熱儲層規模大,有較大的儲存資源,但補給資源極為有限或缺乏,開(kāi)采地下熱水主要是消耗儲存資源,可導致熱水系統水位持續下降。出露型多見(jiàn)于山區,地下熱水以溫泉的方式出露地表,其儲存資源和補給資源均有限,在溫泉附近開(kāi)采熱水可導致溫泉流量減小直至干涸,熱水系統水位、水溫也會(huì )持續下降在某些特定條件下在溫泉附近打成的自流孔可使地下熱水資源量有所增加。溫泉的自封閉作用可使其流量減少.

 

  關(guān)鍵詞:溫泉;地下熱水;地下水資源;水位持續下降;地熱資源.

 

  有關(guān)地下水資源的分類(lèi)已有多種方案,常用的有以下4種”,即將地下水資源分為:天然資源和;采資源;補給資源和儲存資源;補給量、儲存最和消耗量;?補給量、儲存量和允許開(kāi)采量一它們都關(guān)注一個(gè)地下水系統能夠獲得的補給量(包括天然條件下的補給量和開(kāi)采條件下的補給增量)和儲存量,強調地下水的開(kāi)采量一般不應超過(guò)補給量。這些分類(lèi)方案或各類(lèi)資源在地下熱水中的情形如何,在開(kāi)采條件下各類(lèi)資源量如何演變,是人們關(guān)注的問(wèn)題。本文分析不同類(lèi)型地下熱水的資源組成和最近幾十年來(lái)一些地區地下熱水資源開(kāi)采利用出現的各種變化,重點(diǎn)探討在開(kāi)采條件下地下熱水資源的演變特點(diǎn)。

 

  1地下熱水分布類(lèi)型與資源特點(diǎn).

 

  地下熱水在中國的分布尚屬廣泛,從熱水天然產(chǎn)出的角度可以分為埋藏型和出露型。前者又稱(chēng)為沉積盆地型(簡(jiǎn)稱(chēng)盆地型),主要包括斷陷盆地型和坳陷盆地型。沉積盆地型地下熱水是指地表無(wú)地熱顯示(或僅在盆地邊沿局部地區偶爾有低溫溫泉出露)而隱伏于沉積盆地深處的地下熱水,多呈層狀的熱儲層產(chǎn)出,如中國黃淮海平原中、新生代斷陷盆地中的深層地下熱水資源岡。出露型是指地下熱水以溫泉的形式出露于地表(又稱(chēng)為溫泉型),可以分為斷裂一深循環(huán)型、非斷裂型和火山一巖漿型。斷裂一深循環(huán)型地下熱水資源的分布嚴格受一定規模的斷裂控制,地下水沿斷裂帶經(jīng)深循環(huán)被加熱后上升至地表形成溫泉出露[3,4],在中國分布廣泛,在許多省份都可以見(jiàn)到,尤其是在東南部廣東、福建兩省[5],如福建福州地熱田和廣東從化溫泉。也有部分中低溫溫泉的出露沒(méi)有受斷裂明顯的控制或與斷裂無(wú)關(guān),地下熱水的分布范圍僅限于溫泉附近,與常見(jiàn)的斷裂一深循環(huán)型相對應,可以稱(chēng)為非斷裂型?；鹕揭粠r漿型地熱田與隱伏高溫巖漿或現代火山有關(guān),常有高溫溫泉或噴泉出露,如西藏羊八井地熱田和臺灣大屯火山群附近的溫泉。各類(lèi)地下熱水及其資源特點(diǎn)如表1所列。

 

  2地下熱水開(kāi)采利用舉例.

 

  眾所周知,地下熱水既是水資源又是能源,開(kāi)發(fā)利用地下熱水資源具有重要的經(jīng)濟效益、社會(huì )效益和環(huán)境效益。近幾十年來(lái),中國地下熱水被廣泛應用于采暖、洗浴、娛樂(lè )健身、旅游、醫療、礦泉水、溫室種植和水產(chǎn)養殖等,為當地的經(jīng)濟建設和環(huán)境改善發(fā)揮了重要作用。近幾年來(lái)隨著(zhù)經(jīng)濟建設的發(fā)展,特別是房地產(chǎn)業(yè)和旅游業(yè)的迅速發(fā)展,地下熱水資源的開(kāi)發(fā)利用日益受到重視,在熱田區或者溫泉區開(kāi)采井數不斷增加,地下熱水開(kāi)采量逐年增大。由于在市場(chǎng)經(jīng)濟大潮中過(guò)分注重經(jīng)濟效益,在熱田區竟相勘探和商業(yè)開(kāi)采地下熱水資源,而且勢頭越來(lái)越猛,不合理開(kāi)采(開(kāi)采井布局不合理和過(guò)量開(kāi)采)地下熱水資源和忽視環(huán)境問(wèn)題的現象在開(kāi)采中低溫地下熱水的地熱田中極為常見(jiàn),在天津市、北京市、西安市、昆明市等盆地型地熱田和福建福州、漳州,廣東從化,山東湯頭等溫泉型地熱田極為嚴重。

 

  2.

 

  1盆地型地下熱水.

 

  盆地型地下熱水多呈層狀產(chǎn)出,熱儲層的分布范圍和厚度較大,地下熱水的儲存資源較大,但由于熱儲層埋藏深、遠離補給區,地下熱水的天然補給資源極為有限,有時(shí)甚至可以忽略不計。開(kāi)發(fā)利用這種類(lèi)型的地下熱水資源的地熱田,毫無(wú)例外地都出現熱水水位逐年持續下降的現象。

 

  天津市區熱儲層有中新元古界、寒武系、奧陶系碳酸鹽巖及新近系砂巖。其中中新元古界熱儲層埋深1030一4000m,水溫72一95℃;寒武系熱儲層埋深1000一400Om,水溫68一96℃;奧陶系熱儲層埋深1000~2000m,水溫60一76℃;新近系熱儲層埋深300~600m,水溫40一65℃枷。天津市自1936年開(kāi)鑿了第一眼熱水井以來(lái),到目前已有開(kāi)采井240眼以上(其中基巖熱水井近60眼),年開(kāi)采量超過(guò)130Ox10枷3,熱水水位持續下降,奧陶系熱儲層年平均降幅1.6一Zm;霧迷山組熱儲層年平均降幅7一10m。熱水水位埋深由原來(lái)的自流狀態(tài)或埋深幾米下降到埋深幾十米不等(圖1),最大水位下降近70nl,但水溫多年來(lái)沒(méi)有下降趨勢。

 

  北京市區已探明的地熱田主要有2個(gè):一個(gè)在城區,面積117km2,熱儲層為中新元古界薊縣系鐵嶺組和霧迷山組碳酸鹽巖,埋深650~2600m,水溫40一89℃;另一個(gè)是小湯山地熱田,面積20kmZ,熱儲層主要為薊縣系鐵嶺組、霧迷山組和寒武系碳酸鹽巖,埋深3勸一1240m,水溫30一64℃。北京市地下熱水的開(kāi)采始于20世紀70年代初期,到目前已達200眼以上,地下熱水開(kāi)采量1000又10龍na/a,累計開(kāi)采量已超過(guò)13x類(lèi)型熱儲基木特點(diǎn)實(shí)例斷陷盆地型}層狀埋藏型(盆地型)空間分布范圍較大,儲存資源大,但幾乎沒(méi)有天然補給或天然補給極為有限,便于人}_回灌黃淮海平原中、新生代斷陷盆地坳陷盆地型}層狀空間分布范圍較大,儲存資源大,但沒(méi)有或幾乎沒(méi)有天然補給,也可人工回灌熱儲范圍不大,儲存資源和天然補給有限,水量熱量都不易十恢復,也不便十人工回灌四川盆地深層熱鹵水斷裂一深循環(huán)型l帶狀)”為、從化溫泉、福建福州地熱田出露型(溫泉型)非斷裂型!不規則狀!熱水分布范圍小,儲存資源和天然補給極為有限河北張家口白廟溫泉火山一巖漿型!帶狀為主地下有附加熱源,水溫高,熱儲有一定的分布范圍,儲存資源和天然補給有限,熱量易恢復西藏羊八井地熱田、臺灣大屯地熱田.天津市地質(zhì)礦產(chǎn)局,中國地質(zhì)大學(xué)(北京)天津市深部基巖地熱資源開(kāi)發(fā)潛力研究.1999484地質(zhì)通報GEOLOGICALBULLETI刀108m3ls],導致熱儲層水位大幅度持續下降,地下熱水系統水位每年平均下降25m以上,城區的開(kāi)采井動(dòng)水位埋深由原來(lái)的幾米下降到60一70m,并對地表出現地面沉降等環(huán)境負效應有重要影響。

 

  西安地區熱儲層為新近系砂巖和第四系下部砂層,埋深約311、2400m,水溫40一104℃。自20世紀80年代開(kāi)采地下熱水,初期熱水鉆井能自流,90年代以來(lái)熱水開(kāi)采利用迅速發(fā)展,現有熱水井130余眼,年開(kāi)采量超過(guò)300x10腸”,熱水水位呈持續下降趨勢,且下降迅速,年均下降約1于27m,最大水位下降約68一120mrg‘川。

 

  昆明地熱田熱儲層主要有震旦系燈影組硅質(zhì)白云巖和寒武系滄浪鋪組石英砂巖、龍王廟組泥質(zhì)白云巖,埋深約470、2000m,水溫38一74℃。20世紀70年代開(kāi)始開(kāi)采地下熱水,初期部分熱水井可以自流,90年代以來(lái)熱水開(kāi)采利用進(jìn)展迅速,現有熱水井近100眼,年開(kāi)采量超過(guò)700X104n護,年均水位下降約1.3一4.6m,最大水位下降約30m,水溫也有逐漸下降趨勢111調。

 

  可見(jiàn),開(kāi)采埋藏型地下熱水,由于消耗的是熱水系統的儲存資源,其共同特點(diǎn)是熱水系統水位持續下降,但水溫沒(méi)有顯著(zhù)下降。就資源的屬性而言,這類(lèi)地下熱水已具有礦產(chǎn)資源的屬性,即不具備可再生性。雖然每年在非采暖期停采或減少開(kāi)采量使水位有所恢復,但一般已恢復不到上一年的水平。水位的大幅度持續下降可造成地表采暖設施效率下降,并對地表出現地面沉降等環(huán)境負效應及誘發(fā)地震等有重要影響。只有人工回灌才能使地下熱水資源獲得部分恢復。

 

  22溫泉型地下熱水溫泉型地下熱水一般只分布在溫泉附近的有限范圍內,可以獲得補給,但補給資源和儲存資源有限。其天然補給量通常等于溫泉流量。在已開(kāi)發(fā)利用的大多數溫泉中,由于熱水實(shí)際開(kāi)采量總是大于溫泉流量,幾乎都出現溫泉流量減小直至干涸的現象。

 

  福建福州地熱田地下熱水賦存在中生代花崗巖斷裂帶和上覆第四系卵礫石層中,水溫多為50一85℃。由于長(cháng)期開(kāi)采地下熱水,原有的天然溫泉群(流量大于20L/s)在20世紀60年代前期已干涸。隨著(zhù)開(kāi)采量的增加,熱水水位持續下降,形成馬鞍狀的南、北2個(gè)水位降落漏斗。1983一1990年為開(kāi)采量高峰期(超過(guò)36Ox10如扮。),隨后熱水開(kāi)采得到了有效控制,但在每年冬季開(kāi)采量還超過(guò)98oom扮d。年均水位下降約1.0~1.5m,最大水位下降近40。。導致周邊冷水侵入,第四系熱儲層水溫以1.14討38℃/a的速率下降,并導致水位漏斗區出現地面沉降,在90年代沉降速率達到40111111/a以尸1‘·1,。

 

  廣東從化溫泉在地質(zhì)構造上位于粵中坳陷帶的北東向廣(州)一從(化)深大斷裂的東北段、東西向佛岡復式花崗巖體東南緣,泉區巖石為燕山期第三期中粒一細粒斑狀黑云母花崗巖和燕山期第四期細粒黑云母花崗巖,發(fā)育有北東向、東西向和北西向斷裂。溫泉出露在斷裂交會(huì )處,泉水流量約16夕ZL/s,水溫40~63℃,最高達72℃,為優(yōu)質(zhì)熱礦泉水,泉區已成為著(zhù)名的醫療旅游度假勝地。2D世紀8D年代初期以前,泉水尚能自涌,此后由于開(kāi)采井增多、開(kāi)采量增大,泉水自涌景觀(guān)逐漸消失,原先自涌高于地面1一gm的鉆井水位在90年代中后期下降到地面以下20一30m,水溫下降2一10℃11卜181。最近幾年由于其他新的溫泉旅游度假地點(diǎn)的開(kāi)發(fā)利用,分流了從化溫泉的客源,熱水開(kāi)采量減少,使熱水系統的水位得到了顯著(zhù)的恢復。

 

  北京小湯山溫泉位于北京市昌平區小湯山鎮療養院內,溫泉主要由西泉和東泉組成。泉水直接從第四系蓋層中涌出,19弓9年時(shí)溫泉最高水溫50℃,涌水量44L/s,為HCO廠(chǎng)Na一C。型水,含F、Rn、R。等放射性元素,療養價(jià)值較高!’”劃隨著(zhù)小湯山地熱田的勘查與開(kāi)發(fā)利用,泉水在80年代中期已斷流,現在小湯山療養院及附近單位所需的熱水全部靠打井抽吸。由于開(kāi)采量過(guò)大,熱水水位持續下降,年均降速約為Zm,泉眼附近熱水水位埋深約4Om。最近測得泉池附近熱水井的出水溫度為52℃。

 

  山東省湯頭溫泉位于臨沂市東北25km湯頭鎮湯河東岸,地處沂沐斷裂的沂河地塹蘇村凹陷中部,流量449L/s,水溫66、70℃。20世紀70年代以前流量和水溫穩定,主要利用其天然流量,后來(lái)隨著(zhù)人工開(kāi)采量增加,泉流量逐漸減小直至枯竭,并且導致河水和第四系孔隙水下滲,水溫明顯下降,先后鑿井20余眼,目前僅2眼井水溫保持在50℃左右,但熱水醫療效果較之以往明顯降低lzl]。

 

  河北省遵化縣的湯泉溫泉原流量約3L/S,水溫56℃,由于附近有鉆井斷續開(kāi)采地下熱水,溫泉流量減少,泉眼還有熱水涌出但已流不出泉池,溫泉接近干涸。第25卷第4期周訓等:淺析開(kāi)采條件下地下熱水資源的演變485河北省赤城溫泉由湯泉、胃泉、平泉和眼泉組成,水溫犯.5一68℃,流量約86~24.08L//s,因其中的湯泉流量較大而且出露位置高,依靠天然流量就可以滿(mǎn)足用水需求,且泉水順坡而下極易利用而不必人工抽吸,因而赤城溫泉能維持其天然狀態(tài)至今。

 

  從以上例子可以看出,在已開(kāi)發(fā)利用地下熱水的溫泉區,大多數呈現過(guò)量開(kāi)采,即總開(kāi)采量遠大于熱水系統的天然補給,導致溫泉干涸和地下熱水系統水位大幅度持續下降,有些達數十米之多,有些水位降落漏斗擴展到冷水區,致使熱田區水溫下降。只有那些流量較大或位置有利、無(wú)須打井抽水的溫泉還基本上保持其天然狀態(tài)。

 

  3開(kāi)采條件下地下熱水資源的增加有部分溫泉在特定條件下,例如溫泉出露處與其補給區高差較大,地下存在導水性較好的破碎帶,在溫泉附近打成的鉆井能自流時(shí),其自流量(加上溫泉的流量)常大于溫泉的原流量,使地下水資源量有所增加。如北京延慶縣的松山(佛峪口)溫泉,位于北京市延慶縣松山森林公園內。據北魏哪道元《水經(jīng)注》記載,“上有廟則次仲廟也,右出溫湯,治療百病”。泉口處海拔約749m,泉眼位于半山腰,附近為花崗巖山區,最高海拔達20O0m左右。溫泉現流量約0.11L/S,水溫38℃,pH值為9.33,電導率為798卜s/cm,氧化還原電位為209mV,溶解氧濃度為1.60mg/1。熱水主要供應賓館和浴池洗浴之用,對治療風(fēng)濕病、皮膚病有療效。泉水出露于燕山期花崗巖中,巖體裂隙較發(fā)育。有地震部門(mén)常年在此觀(guān)測泉水中Rn、Hg等元素的含量。為滿(mǎn)足當地熱水使用需求,1995年在泉眼東南側打有1眼鉆井,熱水可以自流,自流量約6.98L/S,水溫45oC,至今依然自流。松山溫泉1956年測得流量。,3O4L/s,最近幾年為0.11L/s,基本趨于穩定,水溫也沒(méi)有變化,10年前在泉附近打成的自流熱水井的流量由當時(shí)的6.98L/、降到最近的ZL/s左右,水溫一直保持45℃。自流井雖然一直自流,但對于溫泉流量影響不大。在該溫泉附近打成自流井,揭露地下破碎帶,可以加速地下熱水的循環(huán),使熱水資源量總體上有所增加。

 

  4天然條件下地下熱水資源的減少.

 

  天然條件下溫泉的自封閉作用也會(huì )使地下熱水資源減少。例如塘子廟溫泉位于河北省赤城縣東萬(wàn)口鄉,地處小湯山下黑河東岸。泉區巖石為太古宙混合巖,發(fā)育有裂隙,未見(jiàn)有明顯的斷裂。該溫泉泉眼分散,據說(shuō)有72處之多,有記錄的水溫最高的泉眼為68℃,1974年調查有泉眼30處.,單個(gè)泉眼流量住01~0,巧SL/S,現有出水泉眼不足20處,水溫295一60.3℃。由于泉眼分散,無(wú)法測得總流量。塘子廟溫泉各泉眼的出露位置都比較高,高于黑河河谷及療養院,無(wú)需打井抽水。因為地理位置偏僻,療養和旅游業(yè)都欠發(fā)達,只有部分泉眼用于洗浴和療養,對皮膚病、風(fēng)濕病、關(guān)節炎有療效。該溫泉受人為影響很小,基本上處于天然狀態(tài)。但泉眼個(gè)數和總流量都有明顯減小,其原因除了區域性降雨量的減少外,還由于溫泉泉眼出露于混合花崗巖或者變質(zhì)巖地層中,裂隙是地下熱水的運移通道,在排泄區壓力和溫度降低導致沉積物析出形成鈣華或硅華等,阻塞裂隙通道,可以降低水循環(huán)速度,使泉流量減小。又如美國黃石公園中的Ma~oth溫泉,出露于前寒武系的片麻巖和片巖山坡上,泉眼眾多,水溫70一72℃網(wǎng),以順坡而下沉積大量的泉華(以鈣華和硅華為主)聞名于世,個(gè)別泉華錐高出地面10余米。由于泉華的沉積,有些泉眼(甚至位置較低的泉眼)已不再涌出熱水。

 

  5主要認識.

 

  (1)地下熱水資源是特殊的地下水資源,也具有礦產(chǎn)資源的屬性,即不具備可再生性(如埋藏型地下熱水),或者可再生性較差(如溫泉型熱水)。這是許多地熱田或溫泉區出現熱水水位持續下降的主要原因。開(kāi)發(fā)利用地下熱水必須重視其資源特點(diǎn)。在地下熱水分布區,只注重經(jīng)濟效益、過(guò)度開(kāi)發(fā)利用地下熱水資源是不可取的。

 

  (2)地下熱水的分布可以分為埋藏型(或盆地型)和出露型(或溫泉型)。前者包括斷陷盆地型和坳陷盆地型,分布于沉積盆地深處,熱儲層規模大;后者包括斷裂一深循環(huán)型、非斷裂型和火山一巖漿型,多見(jiàn)于山區,地下熱水以溫泉的方式出露地表,熱水的分布范圍有限。

 

  (3)盆地型地下熱水幾乎沒(méi)有補給資源,有較大的儲存資源,開(kāi)采地下熱水會(huì )導致水位大幅度持續下降,水溫則變化不大。對于這種類(lèi)型的地下熱水的開(kāi)發(fā)利用,開(kāi)采井宜分散布置,嚴格限制開(kāi)采量,且應加強人工回灌補給。

 

  (4)溫泉型地下熱水有一定的補給資源(約等于溫泉的天然流量),儲存資源有限,開(kāi)采地下熱水會(huì )導致溫泉流量衰減直至干涸,水位持續下降,水溫也會(huì )有所降低。因此,開(kāi)采量一般不宜超過(guò)溫泉的天然流量。若開(kāi)采量略大于溫泉的天然流量,也應采取采、停交替的方式,以利于熱水的恢復。

 

  (5)當溫泉泉眼與其補給區高差較大、人工開(kāi)采溫泉型地下熱水的鉆孔呈自流狀態(tài)時(shí),可加速地下熱水的循環(huán),使地下熱水的開(kāi)采資源量有所增加。說(shuō)明在這種情形下人為‘地適當揭露地下熱水是有利的。但這種情形畢竟屬于少數。

 

  (6)在溫泉區壓力和溫度降低致使沉積物自熱水中析出而堵塞裂隙通道,溫泉的這種自封閉作用可在一定程度上減少溫泉的排泄量。