天津地热开发的影响与对策

天津地热开发的影响与对策

地热资源是一种清洁能源，具有多种使用价值。它可以广泛应用于生活供暖、旅游、水产养殖、生产等领域。它具有广阔的经济和社会基础。天津地区的地热资源丰富,可利用量很大,有很大的开发潜力。地热水的开发有着有利的方面,但不合理的开发会引起环境地质问题。本文根据天津地热田的特点,对地热资源开发可能造成的结果进行了分析。1地质背景及地热资源天津地区地处I级构造单元华北地台北缘,以宁河断裂和宝坻断裂为界分为北区和南区,见图1。北区属II级构造单元燕山台褶带的次一级(III级)构造单元蓟宝隆褶皱,其构造线呈东西(EW)向,断裂以东西(EW)向为主导,其次有北西(NW)向、北东(NE)向及北北东(NNE)向三组断裂,断裂将地层分割成许多块体,并控制着地层的发育和构造形态。南区属II级构造单元华北断拗区,是中、新生代断陷、拗陷盆地,区内隆起、拗陷及次一级(IV级)凸起、凹陷的延伸方向和较大断裂的走向均呈NNE向,形成雁行式相间排列的构造格局。区域大地构造处于欧亚大陆边缘活动带,是一级构造单元中朝准地台的组成部分。太行山东缘断裂、宁河—宝坻断裂将区域分成三大地质单元:西部和北部分别是太行山隆起和燕山褶皱带,剩下的为华北断拗。天津地区的诸地热田都位于华北断拗范围内,地面均为第四系松散沉积物覆盖,厚度可达数百米。其下是巨厚的第三系陆相碎屑岩沉积,是一套半胶结的砂岩和泥岩地层,沉积厚度在沧县隆起相对较薄,在冀中拗陷和黄骅拗陷较厚,最大厚度可达近万米。在新生界的巨大不整合覆盖之下,主要是古生界和中上元古界的基底地层,在拗陷中还有局部中生界分布。天津地区除了宝坻断裂以北的山麓地带外,其他地区地壳浅部地温的分布状况主要受凹凸相间的地质构造格局的控制。总的特点是呈现出高低相间的带状展布,相对高温区与基岩隆起区对应,相对低温区与基岩凹陷区对应。该地热资源属于断陷盆地型中低温地热资源,基本特点有:呈面状分布,分布面积广;宏观上,整个南区8700km2范围内都赋存有地热资源,以平均地温梯度3.5℃/100m为界线,天津地区共圈出9个地热异常区;垂向上多个热储层叠置分布,不同的热储层温度随着埋深的减小而减小,并且温度的递减幅度差异很大,见表1。2天津地热资源现状天津市位于华北断陷盆地,地下蕴育着丰富的地热资源。天津是我国最早利用地热资源的城市之一,从20世纪70年代起,已经开始大规模地开发利用地热水资源。地下热水赋存在第四系、第三系、古生界和中上元古界的地层之中。天津地热资源按其赋存特征划分为孔隙型热储和基岩岩溶裂隙型热储,顶板埋深一般在1～2km以下。天津目前地热探采深度已达4041m,井口流体温度最高达102℃,至今已经成功地勘察开发了王兰庄、山岭子、塘沽、武清、大港及周良庄等地热田资源。据统计,截止2005年底,天津市共有地热井269眼,其中回灌井14眼。地热水年开采量达2564万m3,回灌量为177.6万m3,占开采总量的6.93%,见表2。由于天津市经济的快速发展,地热资源开采量与日俱增,在促进社会可持续发展的同时,随之而来带来了一系列的环境地质问题,围绕着各种地质状况发生的原因,进行论述。3天津热开发对环境地质的影响3.1天津地热水的水化学特征天津地区地热水中氟、偏硼酸、矿化度、总硬度等含量较高,均超过饮用水、灌溉水水质标准,盐类含量偏高。当含有这些成分较高的废水被排放到地表水体中时,就会造成一定的污染,甚至会渗入地下水体,直接或间接地对地下水资源造成污染。地热尾水中的大量盐类排入农田也会造成严重的土壤板结和盐碱化。天津地热水的水化学特征主要以钾、钙、氯、硫酸根、碳酸氢根为主,从图2可以看出,同一口井中其他金属离子和其他阴离子的含量都不是很高,只有上述五种占主要成分。其他有害的化学成分和放射性物质含量较少,主要用于生活用水、温泉、养殖、旅游等各行业,属于清洁能源,不会造成排放时的水污染、大气污染和放射性元素污染。但是,由于天津的热储层分布比较复杂,相对温差大,热利用效率比较低,使地热尾水的排放温度过高,直接使较高温度的热废水进入排水管网,这样会导致细菌病毒等有害微生物的大量繁殖,排入河流湖泊后就会造成地表水体的污染。3.2地热水有上覆压力上升一般认为,单井开采地热水,不会对地面沉降、地裂缝产生直接影响;但有的学者认为,从任何热储层中进行长期开采几乎都会导致可以检知的地面沉降和地面变形。天津地区各开采单位虽然多数以单井形式开采地热水,但在整个城区范围,已形成一定的开采井网密度,且大多数处在同一开采层段,井间具有一定的连通性。长期过量开采,原先饱和状态下对上部或上覆岩层的顶托作用(力)减弱,使地层压缩、致密而造成或加剧地面沉降,而地面的不均匀沉降将直接导致地裂缝的发生。天津开采利用地热水的历史悠久,由于长期地下热水的过量开采,部分地区已经破坏了地层之间原有的应力平衡,地层孔隙内流体的减少造成了压力下降,根据总应力平衡原理,有效的上覆压力就会增加,当有效应力增加到一定程度超过平衡边界值时,则会出现地面沉降。对天津地区地热储层的过度开采造成了天津部分地区含水砂层的疏干或者减压以及粘性土层的不可逆释水,产生了地面沉降。尤其是天津塘沽地区属于典型的上第三系空隙型地热水,粘性土释水量在开采量中所占的比例很大,引起的地面沉降量很大,极容易引起地面塌陷的危险。图3为地下水开采量和地面沉降量曲线图。根据天津市地热水开采量和地面沉降的监测资料,初步计算分析,开采馆陶组热储层热水在目前开采量350～450万m3/a时,引起的地面沉降量约5～6mm/a左右。天津地区地热资源有一部分为深部蓟县系雾迷山组。雾迷山组热储层在区域上分布广、厚度大,北至宝坻断裂,东达沧东断裂,西到天津断裂及大口屯断裂,热储面积约为4083km2。雾迷山组地层岩溶、裂隙、空隙较发育,富水性强,岩性以灰色、深灰色白云岩为主,有泥质夹层。岩性较致密坚硬,抗荷载能力较强,厚度大于1000m,上覆地层主要为第四系。该系底层能够共同对上部底层自身重力起到一定的顶压、支撑作用,有较好的应变能力,而且该组的回灌对井较多,短时间内的热水抽取虽然会造成局部地应力的变化,但及时的回灌则会让水体以运移补给的方式对抽水点加以补充,达到新的动态平衡,因此对该组的地热水开采一般不会引发地面沉降。3.3大地构造环境与地震的关系地热水具有缓冲地基岩石板块应力的作用,并承受和分散地表压力。在山脉地区和城市高层建筑密集区域,地表压力尤为巨大,因此该区域的地下热水资源受破坏程度,将直接威胁到此类地带的地理稳定性。地下热水在被人类强行钻透深部岩层采集抽吸后,因自然水难以进入地下热水库存,不能被循环补充,当地热水体被过量开采后,不可避免地产生岩层内及岩层下的水体空缺,导致大地的稳定性受到破坏,这将诱发地震。天津地区的地热主要赋存在明化镇组、馆陶组和雾迷山组中,其顶板埋深在大约0.6～3km左右,而大多数地震发生的部位相对比较深,一般震源位置都在10～20km左右,可见与震源易发生的位置相距比较远,不符合抽水诱发地震的特征,所以地热的开发不会对深部地应力产生很大的影响。地震主要以蠕动和粘滑的活动方式为主,地震的形成主要与断层性质、断层两侧岩石结构及围岩压力的变化有关。天津地区绝大多数覆盖白云岩,透水性差,与深部地热沟通只可能发生在断层带附近,如宁河—宝坻断裂,天津断裂和沧东断裂,但这些规模较大的主干断裂现在已经少有强烈的活动,减少了与深部地热相联系的渠道,不足以产生断裂两盘发生蠕动和粘滑的条件,与地震活动联系甚微。天津目前所发生过的地震与地热开采从原理上来说都没有直接的关系,但是地热流体是对地壳介质应力-应变变化反应灵敏的组分之一,在地震前可以表现出较好的映震能力,因此天津市地震局利用地下水动态观测项目对天津及临近地区、周边地区进行观测判断,利用水位井压的异常状态进行推断,成功地预测了多次中等、中强地震。主要原理是水井压异常形态为突跳型变化,这种异常与地震的对应率较高,大约为80%,映震能力很好。如利用王4井水汞异常曲线图(图4)来预测地震,收到了良好的效果。地热开发还可以有效地减少应力累积,起到及时释放地应力,减少大的破坏性地震发生的效果。4采用人工的排水管网,使之健康利用天津地热田资源很适合取代其他的不可再生资源,能够保护天津地区的生态环境,减少空气污染,是一种良好的自然资源。虽然地热开发会有尾水污染,但是现在地热回灌技术已经在一定程度上解决了这个问题,尾水能够回灌到同一热储层,天津地区已经打了很多眼地热回灌井,今后会越来越多。对于含有少量污染物的废水,采用专用的排水管网排入指定的公共污水管道可以解决这一问题。明化镇组和馆陶组属于上第三系孔隙水,结构松散,回灌起来难度较大,属于这两层热储的回灌量少,造成力学性质的变化最大,引起的地面沉降最为明显,因此,可采用多含水层组分散开采,调整最佳开采层位集中开采的办法,稳定开采量,达到控制地面沉降的目的。而奥陶系、寒武系以及雾迷山组的热储层为基岩裂隙水,发育有隔水性和持力性较好的白云岩,该三组热储层的回灌相对容易,回灌效率高,