厦门市同安区东塘地热水化学特征和资源量分析评价

2024-03-08周世玲

地下水 2024年1期

周世玲

(福建省厦门地质工程勘察院,福建厦门 361008)

1 概述

在能源短缺、环境污染严重的今天,新能源和可再生能源受到越来越多的关注,其勘探与开发成为世界经济可持续发展的前提。地热水是一种集热能、矿物质和水于一体的清洁能源和特殊矿产资源,具有分布广泛、可再生性等特征,同时具有绿色低碳、安全稳定特点,开发利用地热资源在促进能源结构转型升级、环境治理、节能减排等方面具有独特优势。

福建地处环太平洋构造岩浆活动带,是中国东南沿海地热带的重要组成部分,地热资源丰富。作为海峡西岸经济区中心城市之一的厦门,蕴含丰富的地热资源。《厦门市地下热水资源调查报告》等资料指出,厦门市共发现12处地热点,具有水质好、水温高、分布广等特点。同安区东塘地区亦具有相当规模的地热资源,查明其地质条件、地热资源分布情况以及地下热水的水量、水温、化学成分,对于对推进该地区地热资源的开发利用,对治污减霾,调整能耗结构,改善民生都具有积极的意义。

根据调查发现,目前同安区东塘地区对于热储研究不充分,缺乏对地热资源的科学评价。在后期开发利用中过量开采,可能造成地下水位下降,势必影响该地区地热资源未来的综合开发利用。因此本文通过收集区域地质资料,结合工作开展的地热地质调查钻探、抽水试验及动态监测等工作成果,详细分析研究了同安区东塘地区地热水的水化学特征,评价了其可采资源量,有助于提高环境质量,为研究区今后的地热资源可持续开发利用提供科学依据。

2 研究区概况

东塘地热点位于厦门市同安区五显镇西溪村东塘自然村北东约500 m处,属同安区的五显镇与翔安区的新圩镇接壤部位。为查明东塘地区内的地热特征,对周边10.5 km2范围内进行了调查,具体工作范围如图1所示。

2.1 地形地貌

工作区内地形总体上较平坦,地势北部略高,中西部较低。区内地面高程19.90～67.60 m,原始地貌属于剥蚀地貌和堆积地貌,以剥蚀残丘、残积台地和阶地为主。剥蚀残丘少量分布于北侧,残积台地分布于南、西、北侧,阶地为主要的地貌单元,可分为一级和二级阶地:一级阶地呈条带状分布于多条溪流的两侧;二级阶地主要分布于区内中部和东侧的大部分地区。地热异常区主要位于调查区中部的一级和二级阶地上,地面高程约24～30 m。

区内地层主要为第四系残积层(包括了坡积层),第四系上更新统冲洪积层和全新统冲洪积层等地层单元。残积层出露于台地、残丘和坡地一带,是区内的主要地层,岩性以花岗岩风化而成的残积砂质粘土为主;第四系上更新统冲洪积层主要分布于二级阶地,具二元结构,一般厚度约3～5 m,最大厚度约11.50 m。岩性由灰白色、黄色的粘土、砂质粘土和灰色、灰白色的中、粗砂层组成;第四系全新统冲洪积层,分布于溪沟两侧的一级阶地,厚度一般3～5 m,最大厚度6.50 m,岩性为灰色、褐黄色的中细砂及砂质粘土,夹有卵、砾石。

2.2 地质构造

厦门地区位于欧亚板块受太平洋海洋板块俯冲的次前缘,地处闽东燕山断坳带的东部。研究区的构造以断裂为主。根据区域地质资料分析,区内主要由北西和北东的断裂带构成(如图2所示)。受区域构造的控制和影响,发育有北东向(F2)、北西向(F1)和近东西向(F3)等断裂。根据地球物理勘查成果,北西向断裂在地热异常区见有二组,走向分别为312°、341°,倾向皆为北东,倾角分别为75°和76°。近东西向断裂分别反映为北东东走向的二组,走向分别为64°、73°,相向而倾,倾角皆为81°;北西西走向的一组,走向277°,倾角81°。

图2 工作区地热田构造略图

地热异常区位于不同期次、不同方向的断裂交汇、复合带。因此构成了较混乱的构造格局,产状和形态也较复杂。另外,钻孔中亦有揭露断层破碎带,破碎带岩石破碎,裂隙、节理发育,见有闪长玢岩脉侵入,并有绿泥石化、硅化等蚀变现象,局部有明显的擦痕和阶步。

2.3 地温场特征

根据地热异常区20 m深度地温等值线图(如图3所示),发现地热异常区呈现含两个高温中心区,长轴轴线为北西320°的不规则长椭圆状,两个异常中心地温最高分别达38.4℃和40.0℃,大于27℃的轴线长约800 m,宽400 m。温度场在空间变化上表现为中间温度较高,而向两侧温度递减的变化趋势,形成一个以北西向脊柱形的高温带。地温等值线平面上以大于35℃温度圈内等值线疏,而小于35℃温度圈外的等值线密为特征,可能与北西向构造有关。

图3 工作区地热田20 m深度温度等值线图

图4 工作区地热水水化学类型 Piper 三线图

3 地热水化学特征分析

3.1 地热水赋存条件

地热区地处沿海风化残积台地地区,地势低,其地下水除了接受大气降水补给外,还与周边其它水体交替补给。地热水属于坚硬岩类构造脉状裂隙水,主要赋存于燕山早期花岗岩的构造裂隙中,分布受断裂构造控制并呈脉状分布,富水性受构造影响较大。钻孔单孔涌水量在500～2 000 m3/d以上,水温一般30℃～40℃,具有承压性。

通过钻孔揭露﹐地下热水主要赋存在花岗岩构造破碎裂隙带中,2007年分别施工地热开采井ZK1、ZK2;ZK1井深151.05 m,钻进至主要破碎带后﹐即发生大量涌水,ZK1井资料具体如下:

井管结构:H:0～18.80 m Φ: 300 mm(玻璃钢管)

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)

主要含水岩段: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岩芯大多呈短柱状或碎块状,破碎或较破碎,为该孔的主要含水岩段。

ZK2井深151.65 m,钻进至主要破碎带后﹐即发生大量涌水,ZK2井资料具体如下:

井管结构:H:0～16.30 m Φ: 300 mm(玻璃钢管)

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)

主要含水岩段:孔深41.20～65.45 m、69.45～92.15 m、128.50～135.20 m岩芯大多呈短柱状或碎块状,破碎或较破碎,为该孔的主要含水岩段。

钻孔揭示,地热区基底为燕山早期第二次侵入的花岗岩(γ52(3)c),整体岩芯较破碎,节理、裂隙发育,裂面常见陡坎状,硅化蚀变较强烈,局部可见明显的擦痕,属构造脉状裂隙水热储特征。

3.2 地热水水化学特征

研究区地热水呈无色透明,无味,水质类型为Cl·SO4·HCO3-Na型水。总矿化度0.329～0.336 g/L左右,总硬度在0.73～0.80 mmol/L、pH值8.03～8.29之间,属偏碱性水;可溶性SiO2含量约 46.86～47.73 mg/L,F-离子含量 4.00 mg/L、无侵蚀CO2和游离CO2、耗氧量0.31～0.63 mg/L。阳离子以Na+离子为主,含量74.10 mg/L,占阳离子毫克当量总数的79.31%～80.70%;其次为Ca2+离子,含量14.15～15.69 mg/L,占阳离子毫克当量总数的17.19%～19.21%;K+离子含量1.61～1.70 mg/L,占阳离子毫克当量总数的0.99%～2.00%。此外,还含有极少量的Mg2+等微量元素。阴离子以Cl-为主,含量59.47 mg/L,占阴离子毫克当量总数的40.38%～40.78%;其次为HCO3-,含量69.34～75.49 mg/L,占阴离子毫克当量总数的27.67%～29.81%左右;SO42-含量50.93～53.69 mg/L,占阴离子毫克当量总数的25.48%～27.18%。还含F-离子4.00 mg/L和少量的NO3-、NO2-等。

通过对比不同年份不同季节地热水的水化学指标,发现地热水水质无明显变化,说明地热水的来源较为可靠,受外界环境影响较小。

表1 医疗热矿水水质标准

3.3 地热水水质

地下热水矿化度为 0.329～0.335 mg/L,其中F-离子含量达4.00 mg/L(饮用水标准1 mg/L)。热水中含有大量有益于人体健康的特殊组分,可以作为景观娱乐用水、医疗矿水直接利用,并且水温高达40℃,所蕴含的热量为养殖温热带罗非鱼类等热带鱼种提供良好的生态环境,可以间接利用服务于工农业生产、渔业养殖等。地热水中F-高达4.00 mg/L,不能满足渔业用水水质要求,必须加以处理再利用。

热水中可溶性SiO2含量高达46.86～47.73 mg/L, F-离子含量达4.00 mg/L,并且含有氡(222Rn)31.7 Bq/L、镭(226Ra)0.009 Bq/L等放射性元素,对人体心血管疾病、关节炎、皮肤病等有一定的疗效。根据国标(GB11615-89)有关医疗热矿水水质标准,可以命名为硅水、氟水。

4 地热水资源量评价

4.1 地热水允许开采量

在ZK1、ZK2孔施工完成后先期分别进行一个落程的单井定流量定降深抽水试验,然后对两个试验孔进行一个落程的干扰抽水试验。抽水试验资料如表2、表3所示。

表2 ZK1、ZK2单井定流量定降深抽水试验成果表

表3 ZK1、ZK2多孔干扰抽水试验成果表

从上述抽水试验看,单井抽水水位降深小,涌水量大,而干扰抽水水位降深较大,涌水量反而减小,说明两个位置地下热水水力联系比较明显。根据抽水试验情况采用相应公式求得相应的水文地质参数如表4所示。

表4 ZK1、ZK2的单井定流量定降深抽水试验成果表

地下热水可开采量根据ZK1、ZK2单井定流量定降深抽水试验计算出来的参数,并预定某个开采深度计算的涌水量Q,再按公式Q′=Q(1-α)确定干扰抽水条件下的涌水量。

Q可=Q1+Q2= Q1′(1-a1)+ Q2′(1-a2)

(1)

Q1′=S1q1,Q2′=S2q2

(2)

式中:Q可为地热区开采量(L/s);Q1、Q2分别为ZK1、ZK2干扰抽水的涌水量;Q1′、Q2′分别为与干扰抽水降深一致的ZK1、ZK2单井定流量、定降深的涌水量;a1、a2分别为ZK1、ZK2干扰抽水影响系数;S1、S2分别为ZK1、ZK2干扰抽水降深;q1、q2分别为ZK1、ZK2单井定流量定降深抽水的单位涌水量。

不同降深条件下各孔开采量计算结果见表5。

表5 不同降深条件下ZK1、ZK2干扰抽水涌水量计算成果表

据地热区两个地热管井抽水试验资料的情况,用最大降深法计算其允许开采量。预测单井最大降深按6 m计,查阅上表可知开采量为6 380 m3/d,据此确定东塘地下热水允许开采量为6 380 m3/d。

4.2 地热能计算

地热能评价按照下列公式进行计算:

Qw=Q·Cw·(Tw-To)

(3)

式中:Qw为地热田每天所排放的总热量;Q为地热水日开采量(m3/d);Cw为热水平均热容量(kcal/m3·℃),按1 L水上升1℃所需热量1 000 cal计,Cw=1 000 kcal/m3·℃;Tw为地热水平均温度(℃)Tw=40℃;To为地层常温带温度(℃)To=25℃。

Qw=6 380×1 000×(40-25)=9.57×107kcal

折算热能为4.63×103kw。

5 开发利用建议

根据出水口温度,本区地热水主要是中-低温地热水,将地热水资源全部用于地热供暖和洗浴,开发利用较为单一。为了避免或减弱地热水“消耗型”“粗放型”开采方式所带来的环境、社会的不良影响,后续地热资源开发将对地热流体进行梯级利用,逐级提热,充分利用地热流体的热能,对经梯级利用、降至较低温度的地热流体进行回灌处理,以实现可持续循环利用。

项目区附近目前还都是村庄和农田,根据同安区的空间规划,本区暂时未进行相关用地规划。基于此,后期可考虑对该地区进行打造健康理疗品牌相关的建设规划,同时围绕此目标打造集旅游度假、商务会展、生态休闲、温泉疗养等于一体的温泉休闲项目,同时可考虑建设有室外温泉泡池和别墅温泉泡池的休闲居住区。可以通过空间规划吸引周边的村民过来集聚、休闲娱乐。

在进行相关规划建设时,充分利用地热水资源修建多种不同功能的温泉浴池,比如普通泡池、特色泡池、VIP泡池以及游泳泡池等,同时可考虑建设亲子娱乐项目,如星空摩天轮滑道、休闲池、儿童水寨池、摩天轮滑梯池、无边际泳池池、水疗池、造浪池等,各个年龄段的儿童都能找到自己喜爱的项目。在建筑设计中可对主馆设计海洋球池、小型水寨、滑水设施等戏水项目,充分发挥沿海城市水上娱乐特色。