廈門市同安區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，其勘探與開發成為世界經濟可持續發展的前提。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、安全穩定特點，開發利用地熱資源在促進能源結構轉型升級、環境治理、節能減排等方面具有獨特優勢。

福建地處環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中心城市之一的廈門，蘊含豐富的地熱資源。《廈門市地下熱水資源調查報告》等資料指出，廈門市共發現12處地熱點，具有水質好、水溫高、分布廣等特點。同安區東塘地區亦具有相當規模的地熱資源，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，對于對推進該地區地熱資源的開發利用，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評價。在后期開發利用中過量開采，可能造成地下水位下降，勢必影響該地區地熱資源未來的綜合開發利用。因此本文通過收集區域地質資料，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特征，評價了其可采資源量，有助于提高環境質量，為研究區今后的地熱資源可持續開發利用提供科學依據。

2 研究區概況

東塘地熱點位于廈門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，巖性以花崗巖風化而成的殘積砂質粘土為主；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粘土，夾有卵、礫石。

2.2 地質構造

廈門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，產狀和形態也較復雜。另外，鉆孔中亦有揭露斷層破碎帶，破碎帶巖石破碎，裂隙、節理發育，見有閃長玢巖脈侵入，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 地溫場特征

根據地熱異常區20 m深度地溫等值線圖(如圖3所示),發現地熱異常區呈現含兩個高溫中心區，長軸軸線為北西320°的不規則長橢圓狀，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

地熱區地處沿海風化殘積臺地地區，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

研究區地熱水呈無色透明，無味，水質類型為Cl·SO4·HCO3-Na型水。總礦化度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-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地熱水的水化學指標，發現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類等熱帶魚種提供良好的生態環境，可以間接利用服務于工農業生產、漁業養殖等。地熱水中F-高達4.00 mg/L,不能滿足漁業用水水質要求，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、關節炎、皮膚病等有一定的療效。根據國標(GB11615-89)有關醫療熱礦水水質標準，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，開發利用較為單一。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境、社會的不良影響，后續地熱資源開發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，以實現可持續循環利用。

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，本區暫時未進行相關用地規劃。基于此，后期可考慮對該地區進行打造健康理療品牌相關的建設規劃，同時圍繞此目標打造集旅游度假、商務會展、生態休閑、溫泉療養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。可以通過空間規劃吸引周邊的村民過來集聚、休閑娛樂。

在進行相關規劃建設時，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)未來發展前景廣闊，可打造集旅游度假、商務會展、生態休閑、溫泉療養等于一體的溫泉休閑項目，吸引周邊的村民過來集聚、休閑娛樂。