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北京延庆地区地热开发对水文地质条件的影响
来源:地大热能 2015-03-18
  摘要:本文结合延庆盆地地热地质条件,从地热尾水的回灌、地面沉降原因、地震发生的机理等方面,全面、客观地分析了地热开发不会造成地表环境污染,也不会诱发地面沉降、地震等一系列的地质灾害问题,解除了人们对地热开发的顾虑,坚定了延庆地区利用地热供暖替代燃煤供暖的决心,为建立延庆生态模范县寻找到一种可利用的新能源。
 
  关键词:地热开发;水文地质;地面沉降;地震
 
  1 引言。
 
  地下热水作为一种宝贵的可再生能源,现今越来越引起政府部门的重视,一方面地热水可取代燃煤进行集中供热,不但可减少大气污染,保护生态环境,另一方面,地下热水含有对人体有益的微量元素和组分,具有一定的医疗保健作用,可间接地促进当地旅游业的发展,同时也可利用采暖之后地热尾水的余热发展温室种植、养殖业,发展特色农业,所以地热作为一种清洁资源,其应用越来越广泛。
 
  地热水的开发利用有它有利的一面,同时是否也会诱发一系列环境地质问题,一直是人们谈论的焦点,为此,结合延庆地热田的特点,围绕地质灾害形成的原因进行了论述分析。
 
  2 区域地质特征。
 
  延庆盆地受北东向构造的影响,形成了北东长、北西短长条形的延庆新断陷盆地。地貌上为平原区,四周为山区。新生界以第四系为主,岩性多为松散的冲积、洪积和风积物,颗粒相对较粗,其厚度变化较大,在东卓家营和官厅水库一带形成第四系的沉降中心区,最大沉积厚度可达1 000m以上。在两个沉降中心的中部延庆县城一带形成了弱沉降区,基岩埋深相对较浅,最浅处第四系厚度仅400m左右。
 
  延庆盆地新生界的基底以白垩系、侏罗系为主,四周山区均见有大面积出露。基岩地层自上而下发育有:白垩系、侏罗系、蓟县系、长城系及太古界密云群,地层组合特征相对较为简单;岩浆岩在北部及南部山区见有大面积的出露,盆地内主要隐伏于盆地的北部,岩性以燕山中晚期的中酸性花岗岩为主,深部的太古界构成了基岩的结晶基底。
 
  延庆盆地内断裂构造复杂,但规律性较强,以北东向和近南北向构造为主,其中北东向的断裂,规模均相对较大,且均为正断层,从南东至北西依次发育有:康庄)沈家营断裂(F1)、西桑园)谷家营断裂(F2)、五里营)古城断裂(F3)及佛峪口)黄柏寺断裂(F4),它们形成于燕山期,至喜山期异常活跃,控制了1)构造;2)基岩埋深;3)白垩)侏罗系;4)蓟县系;5)岩浆岩体水文地质工程地质2007年第1期 延庆盆地总体形态;南北向的断裂从西向东依次分布有:张山营断裂(F5)、路家河断裂(F6)、靳家堡断裂(F7)、古城)苏庄断裂(F8)、旧县断裂(F9),均表现了先逆后张的地质特征,与北东向断裂共同作用,形成了延庆盆地的现今构造格局。
 
  3 地热地质条件。
 
  延庆地区的地热田属于沉积盆地型,地热田的温度不但与导热、导水通道有关,还与盖层的厚度有直接关系。据已知钻孔来看,第四系,白垩系及侏罗系的增温率均较高,共同构成该区的盖层。蓟县系雾迷山组的岩性以硅质白云岩为主,岩性较为单一,加之盆地内构造较为复杂,使得该系岩石较为破碎,岩溶、裂隙发育,形成该区良好的热储层,实际已证明该系地层富水性较好,出水量较大。
 
  延庆地区北东向正断层形成时期较晚,规模较大,与深部地热场形成了很好的连通,形成了该区的导热、导水通道;近南北向的断裂均为先逆后张断层,喜山期张性活动较为明显,物探显示对北东向的断裂具有明显错动的迹象,即与北东向断裂形成了网格状的连通,并使深部热流在整个延庆盆地内得以传导、扩散,说明该区导热、导水通道良好,地热开发较为有利。
 
  4 地热开发与水文地质条件。
 
  地热水具有较高的温度、特殊的化学成分、气体成分、少量生物活性离子及放射性物质等,如果要直接将地热水排放到地表会造成地表水的污染。
 
  延庆地热属于水热型,热水是热能的传递载体,该区的地热开采均采用了对井(异井)回灌技术,将换热尾水全部回灌到同一热储层内,可再生循环利用的资源,保持了水量平衡,提高了地热能的利用率,同时减少了热水和气体在地表和空气中排放,避免地热水的高热能对环境的热污染。对于少量洗井或回扬用的地热尾水可通过专用管道排入地下公共污水管网,避免了对地表水系的污染,所以地热水合理、科学化的开发利用不会对地表环境造成任何污染。
 
  5 地热开发与地面沉降关系分析。
 
  511 地面沉降形成的原因。
 
  地面沉降主要是由于长期地下水的过量开采,造成含水砂层疏干或减压及粘性土层不可逆释水压缩所形成的。当发生规模较大的不均匀沉降时,可出现岩土体开裂,形成地裂缝,更为严重的可形成地面塌陷,会对地表建筑物造成一定的破坏作用。造成地面沉降的原因有很多,分为自然因素和人为因素。自然因素主要指由构造、天然地震及地层重力等活动所引起的地面形变;人为因素主要指地下水的过量开采所诱发的地面沉降。
 
  512 热储层上覆地层抗载荷能力分析。
 
  延庆地热田的热水储层为深部的蓟县系雾迷山组,顶板埋深在1 000~1 800m之间变化,上覆地层为白垩系及侏罗系,尤其侏罗系在延庆地区发育较为稳定,几乎遍布延庆盆地区,岩性以上侏罗统髫髻山组的安山岩、英安岩及流纹岩为主,在经漫长的地质演化过程,岩层已变得非常的致密、坚硬,抗载荷能力较强。
 
  该系在延庆县城周边地区厚度相对较大,在500~1 000m之间变化。白垩系的岩性以中酸性火山岩为主,岩层也相对较为坚硬,在延庆县城周边,厚度为300~500m,该系地层与侏罗系共同对上部地层自身重力起到一定的顶压、支撑作用,所以钻取深层蓟县系地下热水不会引发地面沉降。
 
  513 地热开采与现有的地面沉降区的关系分析。
 
  从现今北京地面沉降区的位置来看,地面沉降区主要分布在本市的东郊八里庄)大郊亭、东北郊来广营、昌平沙河)八仙庄、大兴榆垡)礼贤、顺义平各庄等地,已经形成了五个较大的地面沉降区,沉降中心累计沉降量分别达到72mm、565mm、688mm、661mm和250mm。
 
  北京地热井主要集中在小汤山和城区地区,并未包括在北京五大地面沉降区之内,说明深层地热水的开发与北京现有的地面沉降区关系不大,不是造成地面沉降的主要原因。从北京地面沉降的调查结果来看,沉降的原因主要由于浅层第四系孔隙水的过量开采所造成的,与地热取水关系不大。
 
  综上所述,延庆盆地的地热水属于基岩裂隙承压水,埋深较大,储量丰富,加之地热尾水回灌技术的应用,在地热开发过程中,循环利用地下热水,水位的变化应较为平稳,不会影响岩层抗压强度的变化,也不会出现地下水抽空现象;同时由于取水层(蓟县系)上发育有厚度相对较大、较为坚硬的侏罗系及白垩系作为持力层和隔水层,所以在该区合理开发利用地热资源不会引起第四系水位的变化和地层的压缩变形,更不会引起地裂缝等地质灾害的发生,开发利用地热是可行的。
 
  6 地热开发与地震关系分析。
 
  611 地震形成的原因。
 
  地壳中的岩层在地应力的长期作用下,会发生倾斜和弯曲,当积累的地应力超过岩层所能承受的限度时,岩层会发生断裂和错位,使长期积累的能量急剧地释放出来,并以地震波的形式向四周传播,形成地震。
 
  按地震的成因,可以把地震分为构造地震、塌陷地震、诱发地震等,其中构造地震发生的次数最多,破坏力最大,约占全世界地震的90%以上,它是主要由构造活动造成地下深层岩层错动、破裂形成的地震。其中诱发地震是人们最关心的。诱发地震主要由水库、山坡的岩体或土体崩塌、石灰岩洞穴和其它煤矿采空区顶板塌落所引起的。地下热水的开采是否会诱发的地震,一直也是人们关注的焦点,分析如下:
 
  612 从地震活动周期分析。
 
  从地震活动周期来看,每个地区的地震活动均具有一定的频度和强度,分布是不均匀,但均具有一定的周期性,说明地震的发生是由大洋板块之间的相对碰撞或火山活动造成深部地应力的聚集和释放的过程,不是人力所能为的。例如美国1971年/坎尾金0核爆炸是至今为止最大的一次,它在1 790m深处进行500@105t级TNT核爆炸试验,诱发的人工地震只相当于419级。地热水的抽取与回灌对地应力的影响,与/坎尾金0核爆炸相比,不及九牛一毛,不可能诱发地震。
 
  613 从地应力场分析。
 
  断裂的活动是造成地震发生的直接因素,活动方式主要有两种,一种表现形式为相对缓慢的稳定滑动,即蠕动;另一种表现为断层两盘互相粘住,使滑动受阻,当应力积累到等于或大于摩擦力时,断层两盘便发生突然相对滑动,称之为粘滑。当突然大距离的粘滑,则以地震方式较为集中地释放积累的应力。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。延庆地区自上而下发育有第四系、白垩系、侏罗系、蓟县系、长城系、太古界及花岗岩体,热水取水层位为蓟县系岩溶裂隙水。地热属于流体矿藏的一种,在岩层裂隙中流动性较强,地热水的抽取与回灌会造成局部地应力的变化,但在短时间内,水体很快会以运移补给方式对抽水点加以补充,达到一种新的动态平衡,不会造成局部地应力变化,所以即使钻孔布设在断裂附近,也不会造成断层两盘应力场不均匀的变化,更不会造成断层深部地应力的聚集与释放,更谈不上诱发地震。
 
  614 从地温场的变化分析。
 
  延庆地区属于中低温盆地型地热田,地热的成形主要与地层的自然增温率有关,是来自地壳深部的热传导。延庆盆地深部发育着较为致密的太古界片麻岩或花岗岩体,透水性较差,与深部进行地热沟通只发生在断层附近,而且只有现今仍在活动的大型断裂才有可能发生与深部地热沟通的条件。这种热对流的条件非常局限。但总的强度很小。这些都不足以使断裂两盘发生粘滑,更不会诱发地震。
 
  615 从震源深度分析。
 
  大多数地震发生的部位相对较深(一般为10~20km),延庆地区的地热主要赋存在蓟县系中,其顶板埋深约1.5km左右,成井深度最大不超3km,故与地震易发生震源的位置相距较远,所以地热的开发只造成浅部地应力的微弱变化,对深部地应力的影响不大。
 
  616 小汤山地热开发与地震的关系分析。
 
  从目前地热开发的现状来看,小汤山地区的地热井分布较多(地热井在70口以上),且近靠黄庄)高丽营断裂与南口)孙河断裂的接合部位,这两条断裂为北京地区的大型活动断裂,与延庆盆地所发育的断裂相比,其规模较大,一直是地震工作者密切关注的对象。小汤山地热的开发,未引起地应力场及地温场的明显变化,且地震发生的频度也未发生明显的增加迹象,又如天津市供暖面积800@104km2,年地热水开采量2000多万方,也未诱发明显的地震,进一步证明地热的开发诱发地震的可能性不大。
 
  617 地热开发作用分析。
 
  地热的开发不仅不会引起大地震的发生,可能还会有效地减少地应力积累,起到即时释放地应力,减少破坏性地震的发生的作用。曾有地震工作者设想,在可能孕育大地震的活动断层带上打一系列的深井,进行抽水和注水,达到触发小震的作用,以逐渐释放积累的应力,将大震化为小震,避免破坏性地震的发生。延庆盆地地区主干断裂为靠近山前的康庄)沈家营断裂(F1)和佛峪口)黄柏寺断裂(F4),这两条断裂均为北东向展布,分别控制着延庆盆地的东南和西北边界,处于延庆地热田的两侧,两条断裂的倾向正好相反,使得地热田分布区均位于断裂的上盘。由于地热水主要赋存于这两条主干断裂上盘,该区地热的开发会使地层静压力适当下降,即会减缓断层上盘的地层压应力,使深部地应力缓慢释放,断层活动减弱,所以延庆地区地热水的开发可能具有减震、防灾的作用。
 
  7 结论。
 
  (1)延庆盆地中部蓟县系地层中蕴藏着丰富的地热资源,为此,在此地区利用地热资源取代燃煤进行供水文地质工程地质2007年第1期 暖是非常适宜的。一方面地热能属于清洁能源,能够减少燃煤造成的大气污染,保护延庆县的生态环境。
 
  另一方面,地热水中含有对人体有益的微量元素,它的开发可带动餐饮、娱乐、旅游等相关产业的发展,具有较大的经济效益和社会效益。
 
  (2)延庆盆地地区热储层为深部基岩中的蓟县系,上覆发育有厚度较大侏罗系及白垩系作为持力层,对浅部地层具有一定的顶托作用及隔水作用,所以该区利用回灌技术进行地热开发不会造成第四系松散层力学性质的变化,也不会影响第四系浅层地下水的变化,更不会导致地面沉降发生。
 
  (3)从地震发生的机理入手,分析认为延庆地区的地热开发不会诱发地震。一方面,地热开发只发生在地层浅部,不会造成深部地应力的聚集与释放,进而诱发地震;另一方面,地热作为一种流体矿藏,不会造成局部应力场、地温场的变化,尽而影响到深大断裂深部两侧地温场及地应力的不均匀变化。
 
  (4)由于延庆地区地热的开发拟采用地热对井密闭回灌技术间接供暖,尾水全部回灌到地下同一储层,专用排放的尾水很少;对于少量的废水,可通过专用管道,排入市政公共污水管网,所以地热水的合理开发不会造地表环境的污染。

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