廈門(mén)市同安區東塘地熱水化學(xué)特征分布規律和資源量分析評價(jià)

廈門(mén)市同安區東塘地熱水化學(xué)特征和資源量分析評價(jià)

1 概述

在能源短缺、環(huán)境污染嚴重的今天，新能源和可再生能源受到越來(lái)越多的關(guān)注，其勘探與開(kāi)發(fā)成為世界經(jīng)濟可持續發(fā)展的前提。地熱水是一種集熱能、礦物質(zhì)和水于一體的清潔能源和特殊礦產(chǎn)資源，具有分布廣泛、可再生性等特征，同時(shí)具有綠色低碳、安全穩定特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)利用地熱資源在促進(jìn)能源結構轉型升級、環(huán)境治理、節能減排等方面具有獨特優(yōu)勢。

福建地處環(huán)太平洋構造巖漿活動(dòng)帶，是中國東南沿海地熱帶的重要組成部分，地熱資源豐富。作為海峽西岸經(jīng)濟區中心城市之一的廈門(mén)，蘊含豐富的地熱資源?！?a href="http://m.keyinmall.com/t/廈門(mén)市.html" >廈門(mén)市地下熱水資源調查報告》等資料指出，廈門(mén)市共發(fā)現12處地熱點(diǎn)，具有水質(zhì)好、水溫高、分布廣等特點(diǎn)。同安區東塘地區亦具有相當規模的地熱資源，查明其地質(zhì)條件、地熱資源分布情況以及地下熱水的水量、水溫、化學(xué)成分，對于對推進(jìn)該地區地熱資源的開(kāi)發(fā)利用，對治污減霾，調整能耗結構，改善民生都具有積極的意義。

根據調查發(fā)現，目前同安區東塘地區對于熱儲研究不充分，缺乏對地熱資源的科學(xué)評價(jià)。在后期開(kāi)發(fā)利用中過(guò)量開(kāi)采，可能造成地下水位下降，勢必影響該地區地熱資源未來(lái)的綜合開(kāi)發(fā)利用。因此本文通過(guò)收集區域地質(zhì)資料，結合工作開(kāi)展的地熱地質(zhì)調查鉆探、抽水試驗及動(dòng)態(tài)監測等工作成果，詳細分析研究了同安區東塘地區地熱水的水化學(xué)特征，評價(jià)了其可采資源量，有助于提高環(huán)境質(zhì)量，為研究區今后的地熱資源可持續開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據。

2 研究區概況

東塘地熱點(diǎn)位于廈門(mén)市同安區五顯鎮西溪村東塘自然村北東約500 m處，屬同安區的五顯鎮與翔安區的新圩鎮接壤部位。為查明東塘地區內的地熱特征，對周邊10.5 km2范圍內進(jìn)行了調查，具體工作范圍如圖1所示。

2.1 地形地貌

工作區內地形總體上較平坦，地勢北部略高，中西部較低。區內地面高程19.90～67.60 m, 原始地貌屬于剝蝕地貌和堆積地貌，以剝蝕殘丘、殘積臺地和階地為主。剝蝕殘丘少量分布于北側，殘積臺地分布于南、西、北側，階地為主要的地貌單元，可分為一級和二級階地：一級階地呈條帶狀分布于多條溪流的兩側；二級階地主要分布于區內中部和東側的大部分地區。地熱異常區主要位于調查區中部的一級和二級階地上，地面高程約24～30 m。

區內地層主要為第四系殘積層(包括了坡積層),第四系上更新統沖洪積層和全新統沖洪積層等地層單元。殘積層出露于臺地、殘丘和坡地一帶，是區內的主要地層，巖性以花崗巖風(fēng)化而成的殘積砂質(zhì)粘土為主；第四系上更新統沖洪積層主要分布于二級階地，具二元結構，一般厚度約3～5 m, 最大厚度約11.50 m。巖性由灰白色、黃色的粘土、砂質(zhì)粘土和灰色、灰白色的中、粗砂層組成；第四系全新統沖洪積層，分布于溪溝兩側的一級階地，厚度一般3～5 m, 最大厚度6.50 m, 巖性為灰色、褐黃色的中細砂及砂質(zhì)粘土，夾有卵、礫石。

2.2 地質(zhì)構造

廈門(mén)地區位于歐亞板塊受太平洋海洋板塊俯沖的次前緣，地處閩東燕山斷坳帶的東部。研究區的構造以斷裂為主。根據區域地質(zhì)資料分析，區內主要由北西和北東的斷裂帶構成(如圖2所示)。受區域構造的控制和影響，發(fā)育有北東向(F2)、北西向(F1)和近東西向(F3)等斷裂。根據地球物理勘查成果，北西向斷裂在地熱異常區見(jiàn)有二組，走向分別為312°、341°,傾向皆為北東，傾角分別為75°和76°。近東西向斷裂分別反映為北東東走向的二組，走向分別為64°、73°,相向而傾，傾角皆為81°;北西西走向的一組，走向277°,傾角81°。

地熱異常區位于不同期次、不同方向的斷裂交匯、復合帶。因此構成了較混亂的構造格局，產(chǎn)狀和形態(tài)也較復雜。另外，鉆孔中亦有揭露斷層破碎帶，破碎帶巖石破碎，裂隙、節理發(fā)育，見(jiàn)有閃長(cháng)玢巖脈侵入，并有綠泥石化、硅化等蝕變現象，局部有明顯的擦痕和階步。

2.3 地溫場(chǎng)特征

根據地熱異常區20 m深度地溫等值線(xiàn)圖(如圖3所示),發(fā)現地熱異常區呈現含兩個(gè)高溫中心區，長(cháng)軸軸線(xiàn)為北西320°的不規則長(cháng)橢圓狀，兩個(gè)異常中心地溫最高分別達38.4℃和40.0℃,大于27℃的軸線(xiàn)長(cháng)約800 m, 寬400 m。溫度場(chǎng)在空間變化上表現為中間溫度較高，而向兩側溫度遞減的變化趨勢，形成一個(gè)以北西向脊柱形的高溫帶。地溫等值線(xiàn)平面上以大于35℃溫度圈內等值線(xiàn)疏，而小于35℃溫度圈外的等值線(xiàn)密為特征，可能與北西向構造有關(guān)。

3 地熱水化學(xué)特征分析

3.1 地熱水賦存條件

地熱區地處沿海風(fēng)化殘積臺地地區，地勢低，其地下水除了接受大氣降水補給外，還與周邊其它水體交替補給。地熱水屬于堅硬巖類(lèi)構造脈狀裂隙水，主要賦存于燕山早期花崗巖的構造裂隙中，分布受斷裂構造控制并呈脈狀分布，富水性受構造影響較大。鉆孔單孔涌水量在500～2 000 m3/d以上，水溫一般30℃～40℃,具有承壓性。

通過(guò)鉆孔揭露﹐地下熱水主要賦存在花崗巖構造破碎裂隙帶中，2007年分別施工地熱開(kāi)采井ZK1、ZK2;ZK1井深151.05 m, 鉆進(jìn)至主要破碎帶后﹐即發(fā)生大量涌水，ZK1井資料具體如下：

井管結構：H:0～18.80 m Φ: 300 mm(玻璃鋼管)

18.80～20.35 m 168 mm(裸孔)

20.35～39.55 m 146 mm(裸孔)

39.55～63.50 m 130 mm(裸孔)

63.50～151.05 m 110 mm(裸孔)

主要含水巖段：孔深19.77～29.28 m、35.80～65.00 m、80.92～83.46 m、91.62～95.27 m、126.33～148.19 m巖芯大多呈短柱狀或碎塊狀，破碎或較破碎，為該孔的主要含水巖段。

ZK2井深151.65 m, 鉆進(jìn)至主要破碎帶后﹐即發(fā)生大量涌水，ZK2井資料具體如下：

井管結構：H:0～16.30 m Φ: 300 mm(玻璃鋼管)

16.30～41.10 m 146 mm(裸孔)

41.10～70.10 m 130 mm(裸孔)

70.10～151.65 m 110 mm(裸孔)

主要含水巖段：孔深41.20～65.45 m、69.45～92.15 m、128.50～135.20 m巖芯大多呈短柱狀或碎塊狀，破碎或較破碎，為該孔的主要含水巖段。

鉆孔揭示，地熱區基底為燕山早期第二次侵入的花崗巖(γ52(3)c),整體巖芯較破碎，節理、裂隙發(fā)育，裂面常見(jiàn)陡坎狀，硅化蝕變較強烈，局部可見(jiàn)明顯的擦痕，屬構造脈狀裂隙水熱儲特征。

3.2 地熱水水化學(xué)特征

研究區地熱水呈無(wú)色透明，無(wú)味，水質(zhì)類(lèi)型為Cl·SO4·HCO3-Na型水?？偟V化度0.329～0.336 g/L左右，總硬度在0.73～0.80 mmol/L、pH值8.03～8.29之間，屬偏堿性水；可溶性SiO2含量約 46.86～47.73 mg/L,F-離子含量 4.00 mg/L、無(wú)侵蝕CO2和游離CO2、耗氧量0.31～0.63 mg/L。陽(yáng)離子以Na+離子為主，含量74.10 mg/L,占陽(yáng)離子毫克當量總數的79.31%～80.70%;其次為Ca2+離子，含量14.15～15.69 mg/L,占陽(yáng)離子毫克當量總數的17.19%～19.21%;K+離子含量1.61～1.70 mg/L,占陽(yáng)離子毫克當量總數的0.99%～2.00%。此外，還含有極少量的Mg2+等微量元素。陰離子以Cl-為主，含量59.47 mg/L,占陰離子毫克當量總數的40.38%～40.78%;其次為HCO3-,含量69.34～75.49 mg/L,占陰離子毫克當量總數的27.67%～29.81%左右；SO42-含量50.93～53.69 mg/L,占陰離子毫克當量總數的25.48%～27.18%。還含F-離子4.00 mg/L和少量的NO3-、NO2-等。

通過(guò)對比不同年份不同季節地熱水的水化學(xué)指標，發(fā)現地熱水水質(zhì)無(wú)明顯變化，說(shuō)明地熱水的來(lái)源較為可靠，受外界環(huán)境影響較小。

3.3 地熱水水質(zhì)

地下熱水礦化度為 0.329～0.335 mg/L,其中F-離子含量達4.00 mg/L(飲用水標準1 mg/L)。熱水中含有大量有益于人體健康的特殊組分，可以作為景觀(guān)娛樂(lè )用水、醫療礦水直接利用，并且水溫高達40℃,所蘊含的熱量為養殖溫熱帶羅非魚(yú)類(lèi)等熱帶魚(yú)種提供良好的生態(tài)環(huán)境，可以間接利用服務(wù)于工農業(yè)生產(chǎn)、漁業(yè)養殖等。地熱水中F-高達4.00 mg/L,不能滿(mǎn)足漁業(yè)用水水質(zhì)要求，必須加以處理再利用。

熱水中可溶性SiO2含量高達46.86～47.73 mg/L, F-離子含量達4.00 mg/L,并且含有氡(222Rn)31.7 Bq/L、鐳(226Ra)0.009 Bq/L等放射性元素，對人體心血管疾病、關(guān)節炎、皮膚病等有一定的療效。根據國標(GB11615-89)有關(guān)醫療熱礦水水質(zhì)標準，可以命名為硅水、氟水。

4 地熱水資源量評價(jià)

4.1 地熱水允許開(kāi)采量

在ZK1、ZK2孔施工完成后先期分別進(jìn)行一個(gè)落程的單井定流量定降深抽水試驗，然后對兩個(gè)試驗孔進(jìn)行一個(gè)落程的干擾抽水試驗。抽水試驗資料如表2、表3所示。

從上述抽水試驗看，單井抽水水位降深小，涌水量大，而干擾抽水水位降深較大，涌水量反而減小，說(shuō)明兩個(gè)位置地下熱水水力聯(lián)系比較明顯。根據抽水試驗情況采用相應公式求得相應的水文地質(zhì)參數如表4所示。

由于ZK1、ZK2兩孔距離較近，存在水力聯(lián)系干擾，需對其干擾抽水影響系數進(jìn)行計算，從而準確獲得其實(shí)際涌水量。以ZK1、ZK2單井定流量、定降深的抽水試驗數據，推算兩個(gè)鉆孔與干擾抽水降深一致的情況下的涌水量，再與實(shí)際干擾抽水的涌水量相比較，干擾系數為α=Q?Q′Qα=Q-Q′Q,其中Q為與干擾抽水試驗降深一致的單井定流量、定降深的涌水量， Q′為干擾抽水實(shí)際的涌水量。通過(guò)計算得到ZK1、ZK2的干擾系數分別為0.514、0.322。

地下熱水可開(kāi)采量根據ZK1、ZK2單井定流量定降深抽水試驗計算出來(lái)的參數，并預定某個(gè)開(kāi)采深度計算的涌水量Q,再按公式Q′=Q(1-α)確定干擾抽水條件下的涌水量。

Q可=Q1+Q2= Q1′(1-a1)+ Q2′(1-a2) (1)

Q1′=S1q1,Q2′=S2q2 (2)

式中：Q可為地熱區開(kāi)采量(L/s);Q1、Q2分別為ZK1、ZK2干擾抽水的涌水量；Q1′、Q2′分別為與干擾抽水降深一致的ZK1、ZK2單井定流量、定降深的涌水量；a1、a2分別為ZK1、ZK2干擾抽水影響系數；S1、S2分別為ZK1、ZK2干擾抽水降深；q1、q2分別為ZK1、ZK2單井定流量定降深抽水的單位涌水量。

不同降深條件下各孔開(kāi)采量計算結果見(jiàn)表5。

據地熱區兩個(gè)地熱管井抽水試驗資料的情況，用最大降深法計算其允許開(kāi)采量。預測單井最大降深按6 m計，查閱上表可知開(kāi)采量為6 380 m3/d, 據此確定東塘地下熱水允許開(kāi)采量為6 380 m3/d。

4.2 地熱能計算

地熱能評價(jià)按照下列公式進(jìn)行計算：

Qw=Q·Cw·(Tw-To) (3)

式中：Qw為地熱田每天所排放的總熱量；Q為地熱水日開(kāi)采量(m3/d);Cw為熱水平均熱容量(kcal/m3·℃),按1 L水上升1℃所需熱量1 000 cal計，Cw=1 000 kcal/m3·℃;Tw為地熱水平均溫度(℃)Tw=40℃;To為地層常溫帶溫度(℃)To=25℃。

Qw=6 380×1 000×(40-25)=9.57×107 kcal

折算熱能為4.63×103 kw。

5 開(kāi)發(fā)利用建議

根據出水口溫度，本區地熱水主要是中-低溫地熱水，將地熱水資源全部用于地熱供暖和洗浴，開(kāi)發(fā)利用較為單一。為了避免或減弱地熱水“消耗型”“粗放型”開(kāi)采方式所帶來(lái)的環(huán)境、社會(huì )的不良影響，后續地熱資源開(kāi)發(fā)將對地熱流體進(jìn)行梯級利用，逐級提熱，充分利用地熱流體的熱能，對經(jīng)梯級利用、降至較低溫度的地熱流體進(jìn)行回灌處理，以實(shí)現可持續循環(huán)利用。

項目區附近目前還都是村莊和農田，根據同安區的空間規劃，本區暫時(shí)未進(jìn)行相關(guān)用地規劃?；诖?，后期可考慮對該地區進(jìn)行打造健康理療品牌相關(guān)的建設規劃，同時(shí)圍繞此目標打造集旅游度假、商務(wù)會(huì )展、生態(tài)休閑、溫泉療養等于一體的溫泉休閑項目，同時(shí)可考慮建設有室外溫泉泡池和別墅溫泉泡池的休閑居住區?？梢酝ㄟ^(guò)空間規劃吸引周邊的村民過(guò)來(lái)集聚、休閑娛樂(lè )。

在進(jìn)行相關(guān)規劃建設時(shí)，充分利用地熱水資源修建多種不同功能的溫泉浴池，比如普通泡池、特色泡池、VIP泡池以及游泳泡池等，同時(shí)可考慮建設親子娛樂(lè )項目，如星空摩天輪滑道、休閑池、兒童水寨池、摩天輪滑梯池、無(wú)邊際泳池池、水療池、造浪池等，各個(gè)年齡段的兒童都能找到自己喜愛(ài)的項目。在建筑設計中可對主館設計海洋球池、小型水寨、滑水設施等戲水項目，充分發(fā)揮沿海城市水上娛樂(lè )特色。

6 結語(yǔ)

(1)地熱水主要賦存于燕山早期花崗巖的構造裂隙中，分布受斷裂構造控制并呈脈狀分布，富水性受構造影響較大。

(2)地熱水水質(zhì)類(lèi)型為Cl·SO4·HCO3-Na型，總礦化度和總硬度較低，屬偏堿性水，來(lái)源較為可靠，受外界環(huán)境影響較小。

(3)通過(guò)計算確定東塘地下熱水允許開(kāi)采量為6 380 m3/d, 換算每日放熱量9.57×107 kcal、或熱能4.63×103 kw。

(4)未來(lái)發(fā)展前景廣闊，可打造集旅游度假、商務(wù)會(huì )展、生態(tài)休閑、溫泉療養等于一體的溫泉休閑項目，吸引周邊的村民過(guò)來(lái)集聚、休閑娛樂(lè )。