廈門市同安區(qū)東塘地熱水化學特征和資源量分析評價

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越多的關注，其勘探與開發(fā)成為世界經濟可持續(xù)發(fā)展的前提。地熱水是一種集熱能、礦物質和水于一體的清潔能源和特殊礦產資源，具有分布廣泛、可再生性等特征，同時具有綠色低碳、安全穩(wěn)定特點，開發(fā)利用地熱資源在促進能源結構轉型升級、環(huán)境治理、節(jié)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。作為海峽西岸經濟區(qū)中心城市之一的廈門，蘊含豐富的地熱資源?！?a href="http://www.622810.cn/t/廈門市.html" >廈門市地下熱水資源調查報告》等資料指出，廈門市共發(fā)現(xiàn)12處地熱點，具有水質好、水溫高、分布廣等特點。同安區(qū)東塘地區(qū)亦具有相當規(guī)模的地熱資源，查明其地質條件、地熱資源分布情況以及地下熱水的水量、水溫、化學成分，對于對推進該地區(qū)地熱資源的開發(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(xiàn)，目前同安區(qū)東塘地區(qū)對于熱儲研究不充分，缺乏對地熱資源的科學評價。在后期開發(fā)利用中過量開采，可能造成地下水位下降，勢必影響該地區(qū)地熱資源未來的綜合開發(fā)利用。因此本文通過收集區(qū)域地質資料，結合工作開展的地熱地質調查鉆探、抽水試驗及動態(tài)監(jiān)測等工作成果，詳細分析研究了同安區(qū)東塘地區(qū)地熱水的水化學特征，評價了其可采資源量，有助于提高環(huán)境質量，為研究區(qū)今后的地熱資源可持續(xù)開發(fā)利用提供科學依據。

2 研究區(qū)概況

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

2.1 地形地貌

工作區(qū)內地形總體上較平坦，地勢北部略高，中西部較低。區(qū)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(qū)內中部和東側的大部分地區(qū)。地熱異常區(qū)主要位于調查區(qū)中部的一級和二級階地上，地面高程約24～30 m。

區(qū)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(tǒng)沖洪積層和全新統(tǒng)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(qū)內的主要地層，巖性以花崗巖風化而成的殘積砂質粘土為主；第四系上更新統(tǒng)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、砂質粘土和灰色、灰白色的中、粗砂層組成；第四系全新統(tǒng)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粘土，夾有卵、礫石。

2.2 地質構造

廈門地區(qū)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(qū)的構造以斷裂為主。根據區(qū)域地質資料分析，區(qū)內主要由北西和北東的斷裂帶構成(如圖2所示)。受區(qū)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(qū)見有二組，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(qū)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(jié)理發(fā)育，見有閃長玢巖脈侵入，并有綠泥石化、硅化等蝕變現(xiàn)象，局部有明顯的擦痕和階步。

2.3 地溫場特征

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

3 地熱水化學特征分析

3.1 地熱水賦存條件

地熱區(qū)地處沿海風化殘積臺地地區(qū)，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年分別施工地熱開采井ZK1、ZK2;ZK1井深151.05 m, 鉆進至主要破碎帶后﹐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(qū)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(jié)理、裂隙發(fā)育，裂面常見陡坎狀，硅化蝕變較強烈，局部可見明顯的擦痕，屬構造脈狀裂隙水熱儲特征。

3.2 地熱水水化學特征

研究區(qū)地熱水呈無色透明，無味，水質類型為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、無侵蝕CO2和游離CO2、耗氧量0.31～0.63 mg/L。陽離子以Na+離子為主，含量74.10 mg/L,占陽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(xiàn)-離子4.00 mg/L和少量的NO3-、NO2-等。

通過對比不同年份不同季節(jié)地熱水的水化學指標，發(fā)現(xiàn)地熱水水質無明顯變化，說明地熱水的來源較為可靠，受外界環(huán)境影響較小。

3.3 地熱水水質

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，可以作為景觀娛樂用水、醫(yī)療礦水直接利用，并且水溫高達40℃,所蘊含的熱量為養(yǎng)殖溫熱帶羅非魚類等熱帶魚種提供良好的生態(tài)環(huán)境，可以間接利用服務于工農業(yè)生產、漁業(yè)養(yǎng)殖等。地熱水中F-高達4.00 mg/L,不能滿足漁業(yè)用水水質要求，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、關節(jié)炎、皮膚病等有一定的療效。根據國標(GB11615-89)有關醫(yī)療熱礦水水質標準，可以命名為硅水、氟水。

4 地熱水資源量評價

4.1 地熱水允許開采量

在ZK1、ZK2孔施工完成后先期分別進行一個落程的單井定流量定降深抽水試驗，然后對兩個試驗孔進行一個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，說明兩個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行計算，從而準確獲得其實際涌水量。以ZK1、ZK2單井定流量、定降深的抽水試驗數據，推算兩個鉆孔與干擾抽水降深一致的情況下的涌水量，再與實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′為干擾抽水實際的涌水量。通過計算得到ZK1、ZK2的干擾系數分別為0.514、0.322。

地下熱水可開采量根據ZK1、ZK2單井定流量定降深抽水試驗計算出來的參數，并預定某個開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(qū)開采量(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采量計算結果見表5。

據地熱區(qū)兩個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采量。預測單井最大降深按6 m計，查閱上表可知開采量為6 380 m3/d, 據此確定東塘地下熱水允許開采量為6 380 m3/d。

4.2 地熱能計算

地熱能評價按照下列公式進行計算：

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 開發(fā)利用建議

根據出水口溫度，本區(qū)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”開采方式所帶來的環(huán)境、社會的不良影響，后續(xù)地熱資源開發(fā)將對地熱流體進行梯級利用，逐級提熱，充分利用地熱流體的熱能，對經梯級利用、降至較低溫度的地熱流體進行回灌處理，以實現(xiàn)可持續(xù)循環(huán)利用。

項目區(qū)附近目前還都是村莊和農田，根據同安區(qū)的空間規(guī)劃，本區(qū)暫時未進行相關用地規(guī)劃?；诖耍笃诳煽紤]對該地區(qū)進行打造健康理療品牌相關的建設規(guī)劃，同時圍繞此目標打造集旅游度假、商務會展、生態(tài)休閑、溫泉療養(yǎng)等于一體的溫泉休閑項目，同時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(qū)。可以通過空間規(guī)劃吸引周邊的村民過來集聚、休閑娛樂。

在進行相關規(guī)劃建設時，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，同時可考慮建設親子娛樂項目，如星空摩天輪滑道、休閑池、兒童水寨池、摩天輪滑梯池、無邊際泳池池、水療池、造浪池等，各個年齡段的兒童都能找到自己喜愛的項目。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特色。

6 結語

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

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

(4)未來發(fā)展前景廣闊，可打造集旅游度假、商務會展、生態(tài)休閑、溫泉療養(yǎng)等于一體的溫泉休閑項目，吸引周邊的村民過來集聚、休閑娛樂。