辛田軍,陳錫岳,陳 丹
(1.南京大學(xué),江蘇南京210093;2.江西省勘察設(shè)計(jì)研究院,江西南昌330095)
江西省溫湯地?zé)崽锏責(zé)崴Y源可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用前景研究
辛田軍*1,2,陳錫岳2,陳丹2
(1.南京大學(xué),江蘇南京210093;2.江西省勘察設(shè)計(jì)研究院,江西南昌330095)
系統(tǒng)分析研究溫湯地?zé)崽锴捌诳碧郊伴L(zhǎng)期觀測(cè)資料,進(jìn)行地下水動(dòng)態(tài)變化特征研究,分析、預(yù)測(cè)導(dǎo)致地?zé)崴兓闹饕刂埔蛩?,并提出合理的防治方案與建議措施;在此基礎(chǔ)上,科學(xué)、系統(tǒng)地研究本地?zé)崽锏目沙掷m(xù)開(kāi)發(fā)利用前景,合理的開(kāi)采利用方式。
地?zé)崽铮坏責(zé)崴?;?dòng)態(tài)變化;可持續(xù)
1.1地?zé)岬刭|(zhì)環(huán)境背景
溫泉區(qū)處武功山復(fù)式背斜的西北翼,主要分布第四系松散土、震旦系變質(zhì)巖、燕山期和喜山期巖漿巖等(見(jiàn)圖1)。第四系厚2~5m,以殘坡積、沖洪積為主,近代堆積。震旦系松山群老虎組,巖性以片巖和變質(zhì)細(xì)砂巖為主,礦物成分以石英云母、長(zhǎng)石為主,含少量或微量絹云母、鋯石、綠泥石、磷灰石、粘土礦物為主;松山群變質(zhì)巖經(jīng)加里東期混合巖化作用形成主要由條帶狀和條痕狀混合巖構(gòu)成的混合巖帶。區(qū)內(nèi)的巖漿巖主要有燕山期酸性侵入巖(中粒斑狀二云母花崗巖、中粒白云母花崗巖)和喜山期基性脈巖(輝綠巖脈)。
區(qū)內(nèi)構(gòu)造屬華夏構(gòu)造體系,主體構(gòu)造走向北東東,與地?zé)岢缮嘘P(guān)系的主要有F1和F2兩個(gè)斷裂系統(tǒng)。F1斷裂系統(tǒng),包括F11、F12、F13、F14和一些伴生構(gòu)造,而以F11為主干;硅化破碎帶呈舒緩波狀,作雁行排列,有時(shí)有分叉現(xiàn)象;巖性堅(jiān)硬,以石英或硅質(zhì)為主要成分,含白云母、絹云母和鐵質(zhì),夾有長(zhǎng)軸與斷裂走向一致的糜棱財(cái)化的破碎巖塊和構(gòu)造透鏡體;F1斷裂的強(qiáng)烈活動(dòng)時(shí)期可能在中生代末,而脈石英與斷裂帶兩側(cè)巖石強(qiáng)烈硅化的物質(zhì)來(lái)源可能與燕山期巖漿活動(dòng)有關(guān)。F2斷裂系統(tǒng)基本為被第四系所覆蓋,為一由壓扭性主干斷裂(F21)和張扭性分支斷裂(F22)構(gòu)成的斷層系,溫泉的分布、運(yùn)動(dòng)和排泄受F2斷裂系統(tǒng)的嚴(yán)格控制;主干斷裂F21,由一組走向75°~80°的壓扭面雁行排列而成,延伸長(zhǎng)度超過(guò)3km,斷層帶寬10~40m,由于強(qiáng)烈壓扭作用,巖面極其破碎,成為淺灰色糜棱巖和角礫巖,次生片理發(fā)育,局部具流狀(帶狀)構(gòu)造;F22是以密集的、有時(shí)厚度較大的沸石脈為特征(脈厚幾毫米至0.5m,總厚幾米至幾十米,脈動(dòng)壁平整或參差不齊、兩相對(duì)應(yīng),平整脈壁幾乎都附貼著幾毫米至二、三厘米厚的含炭泥質(zhì)硅質(zhì)巖,而兩壁參差者,無(wú)先期扭性或壓扭性痕跡,呈單純的張性特征,傾角較陡,較大的沸石脈中都含有圍巖角礫,角礫棱角尖銳,大小懸殊,分布雜亂,且彼此對(duì)應(yīng)很好),一組雁行排列的張扭性斷裂;走向北西,與F21主干斷裂成40°~50°交角,傾向北東,為第四系所覆蓋,據(jù)鉆孔揭露,主要表征為一系列的張性結(jié)構(gòu)面,鉆探及水文地質(zhì)分析認(rèn)為,F(xiàn)22是一組雁行排列的張扭性斷裂,走向北西—南東,平面上與主干F21斷裂成40°~50°交角,向北東傾斜,寬100~250m。F2斷裂發(fā)生于F1斷裂帶中,而且炭質(zhì)斷層泥沒(méi)有固結(jié)成巖,由此推斷F2形成于F1之后,與喜山期輝綠巖脈的侵入在時(shí)間上和地應(yīng)力場(chǎng)上可能性一致,F(xiàn)2與F1可能存在一定的繼承關(guān)系。溫泉可能主要受晚期F2斷裂系控制。
1.2地溫場(chǎng)特征
平面上,以溫泉為中心,地溫比環(huán)境溫度高得多,100m深度范圍內(nèi),30℃地溫異常區(qū)近東西向延伸長(zhǎng)1km以上、近南北向(北北東向)寬約0.3km,面積超過(guò)0.3km2。高溫(50℃以上)等溫線圈定的地?zé)岙惓T谄矫嫔铣式鼥|西向展布的條帶狀,高溫中心帶沿F22張扭性斷裂帶呈近東西向分布,從西端溫泉露頭起,向東地溫增高,溫度62℃~67℃(見(jiàn)圖2)。
垂向上,溫度隨深度而變化,鉆孔加深,水溫漸高,至張扭性F22斷層,達(dá)到該孔最高溫度,而后測(cè)溫曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn),隨著鉆孔的加深,水溫下降;最高水溫分布于張扭性F22斷裂內(nèi),自泉眼沿張扭帶走向往東,水溫增高,溫度從64℃依次增為64.5℃和67℃,高溫帶的空間展布與F22基本一致,F(xiàn)2為溝通深部熱源和控制地?zé)岙惓7植嫉闹饕獢嗔选?/p>
圖1 溫湯地?zé)岬刭|(zhì)圖
圖2 溫湯溫泉平面地溫等值線圖
在實(shí)施開(kāi)采量10000m3/d開(kāi)采后,據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)資料表明:2008~2011年地?zé)崽锏責(zé)崴疁?、水位、化學(xué)成分穩(wěn)定。2012~2014年地?zé)崽锏責(zé)崴疁乇3衷?8℃,水位、成分相對(duì)較穩(wěn)定。
多年的開(kāi)采已經(jīng)證實(shí),地?zé)崴扇躍iO2、H2SiO3、F-、Se2+、溶解固形物、Mg2+含量將逐漸緩慢降低,其它礦物質(zhì)組份可能變化不甚明顯。與20世紀(jì)80年代地?zé)崴|(zhì)比較:主要水化學(xué)分析結(jié)果基本相近,但F-、溶解固形物、硒、偏硅酸、可溶SiO2成分含量緩慢降低。分析認(rèn)為這一變化多受近代于人工回灌增加補(bǔ)給來(lái)源的原因所致,同時(shí)表明通過(guò)回灌增大地?zé)崴砷_(kāi)采資源量后,地?zé)崴瘜W(xué)特征的動(dòng)態(tài)變化已與大氣降水的相關(guān)性不甚明顯了。
4.1預(yù)測(cè)基礎(chǔ)
4.1.1熱源分析
溫湯地?zé)崽锏膸r漿巖分屬于燕山期和喜山期。燕山期(早期)的主要是酸性侵入巖,喜山期的則為基性脈巖。但該部分條件并不能為該地區(qū)地?zé)崽锾峁嵩?,一是這些火山巖形成較早,年齡較長(zhǎng),巖漿本身所攜帶的熱量隨著時(shí)間的推移逐漸消失;二是溫湯地區(qū)新生代雖然有基性巖漿活動(dòng),但規(guī)模比較小,構(gòu)成地?zé)嵯到y(tǒng)的熱源條件并不充分。而溫湯地?zé)釤醿?chǔ)類型為構(gòu)造型熱儲(chǔ),地下水通過(guò)斷層或斷層破碎帶進(jìn)行循環(huán)對(duì)流,在徑流過(guò)程中不斷吸收圍巖的熱量,同時(shí)還有部分地下熱水補(bǔ)充,成為地?zé)崽锏闹饕獰嵩?。通過(guò)江西省大地?zé)崃鲗?duì)比,溫湯地溫場(chǎng)大地?zé)崃飨鄬?duì)較高,地溫梯度較大。因此,溫湯地?zé)岬膩?lái)源主要通過(guò)傳導(dǎo)和對(duì)流來(lái)自深部的大地?zé)崃?,與巖漿活動(dòng)已無(wú)直接關(guān)系。
4.1.2熱儲(chǔ)溫度分析
溫湯地?zé)崽飳儆谏钛h(huán)對(duì)流型地?zé)崽?,地?zé)崽餆醿?chǔ)通過(guò)斷裂破碎帶的溝通和出露形成的溫泉與地表水力聯(lián)系密切,加之水循環(huán)過(guò)程在花崗巖、片麻巖類圍巖中進(jìn)行,隔水性良好,因此地?zé)崽锷畈繜崴谙蛏线\(yùn)移過(guò)程中,雖然有熱量釋放和冷水混入,但溫度與熱儲(chǔ)溫度一般不會(huì)相差太大。
因深部熱儲(chǔ)溫度難以直接量測(cè),根據(jù)本區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件和規(guī)范推薦溫標(biāo),選擇以下2種溫標(biāo):
據(jù)地?zé)崴腟iO2含量,采用下式進(jìn)行地?zé)崽锏臏貥?biāo)計(jì)算:
式中:t1——地?zé)崽锏臒醿?chǔ)溫度,℃;
C1——熱水的SiO2含量,mg/L。
根據(jù)鉀鈉地?zé)釡貥?biāo),根據(jù)水巖平衡和熱動(dòng)力方程推導(dǎo)的計(jì)算公式:
式中:t2——地?zé)崽锏臒醿?chǔ)溫度,℃;
C2——水中鉀的濃度,mg/L;
C4——水中鈉的濃度,mg/L。
經(jīng)通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析,區(qū)內(nèi)深部熱儲(chǔ)溫度可達(dá)157℃~183℃,熱水循環(huán)深度4246~5035m。
4.1.3地?zé)崽锟晒嘈?/p>
溫湯地?zé)崽?,?duì)單個(gè)的既定的回灌孔而言,在自然回灌的情況下,回灌量的大小直接與注入靜水位埋深、巖石的透水性和鉆孔的通徑有十分密切的關(guān)系,另外試驗(yàn)也證明,注入量的大小與回灌水的水溫關(guān)系也十分密切,但總體上說(shuō),就單孔而言回灌量總是有限的。但如果新開(kāi)鑿回灌井,尋找較為適宜的回灌井位,加大回灌量是可以做到的,這一點(diǎn)已從歷次開(kāi)采回灌試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。
4.1.4回灌冷水對(duì)地?zé)崴挠绊?/p>
雖然受隔水?dāng)鄬拥淖韪羰沟叵聼崴邢蛏狭鲃?dòng)到某一部位形成熱儲(chǔ),但向上流動(dòng)過(guò)程中以及形成熱儲(chǔ)后或地下水向地表排泄過(guò)程中,必然不同程度的受淺部冷水及地表回灌冷水的混入,按照熱交換定律,溫度不同的回灌水與地?zé)崴嗷ソ佑|后,要產(chǎn)生能量傳遞,高溫地?zé)崴虻蜏鼗毓嗟乇硭懦鰺崃浚蜏氐乇硭蚋邷氐責(zé)崴漳芰?,?dāng)達(dá)到熱平衡時(shí),|Q吸|= |Q放|,它是符合能量守恒定律的。且由于流體的混合作用,從而使地下熱水的水溫有所下降,并一定程度地改變地下熱水的化學(xué)成分。
鑒于溫湯地?zé)崽锊扇 盎毓唷_(kāi)采”的開(kāi)采模式,通過(guò)生產(chǎn)性回灌抽水試驗(yàn)→增加回灌強(qiáng)度、開(kāi)采強(qiáng)度→增加開(kāi)采量→經(jīng)數(shù)年的開(kāi)采監(jiān)測(cè)→確定可開(kāi)采量→形成良性開(kāi)發(fā)工程體系。維持地?zé)嵯到y(tǒng)質(zhì)、量的平衡,在國(guó)內(nèi)乃屬首例。
4.2地?zé)崴_(kāi)發(fā)遠(yuǎn)景分析與預(yù)測(cè)
根據(jù)本地?zé)崽锏目晒醿?chǔ)總量、回灌擴(kuò)儲(chǔ)機(jī)理與試驗(yàn)結(jié)果數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方面作些前瞻性分析。
4.2.1地?zé)豳Y源儲(chǔ)存量分析
根據(jù)本區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件和規(guī)范推薦方法,計(jì)算熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的熱量,估計(jì)熱田地?zé)豳Y源的潛力,按下列公式估算,25℃溫度等值線邊界熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的熱量3.33× 1015MJ,58℃溫度等值線邊界熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的熱量5.70× 1014MJ。
式中:Q——熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的熱量,J;
Qr——巖石中儲(chǔ)存的熱量,J;
QL——熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的水量,m3;
Q1——截止到計(jì)算時(shí)刻,熱儲(chǔ)孔隙中熱水的靜儲(chǔ)量,m3;
Q2——水位降低到目前取水能力極限深度時(shí)熱儲(chǔ)所釋放的水量,m3;
Qw——水中儲(chǔ)存的熱量,J;
A——計(jì)算區(qū)面積,m2;
d——熱儲(chǔ)厚度,m;
ρr——熱儲(chǔ)巖石密度,kg/m3;
cr——熱儲(chǔ)巖石比熱,J/kg·℃;
φ——熱儲(chǔ)巖石的空隙度,無(wú)量綱;
tr——熱儲(chǔ)溫度,℃;
t0——當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?,℃?/p>
ρw——地?zé)崴芏?,kg/m3;
S——導(dǎo)水系數(shù),無(wú)量綱;
H——計(jì)算起始點(diǎn)以上高度,m;
cw——水的比熱,J/kg·℃。
4.2.2可采地?zé)崴款A(yù)測(cè)
(1)熱儲(chǔ)可轉(zhuǎn)換的地?zé)崴糠治?。依?jù)地?zé)崃黧w可開(kāi)采量所采出的熱量,按下式(9、10)計(jì)算本地?zé)崽镒蚤_(kāi)發(fā)至今已開(kāi)采的熱能。
式中:Wt——熱功率,kW;
Q——地?zé)崃黧w可開(kāi)采量,L/s;
t——地?zé)崃黧w溫度,℃;
t0——當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?,℃?/p>
4.1868——單位換算系數(shù)。
地?zé)崃黧w開(kāi)采累計(jì)的熱能量按(10)式估算:
式中:∑Wt——開(kāi)采的熱能,106J;
D——開(kāi)采日數(shù)(按24h換算的總?cè)諗?shù)),d;
Wt——(7)式計(jì)算得出的熱功率值,kW;
86.4——單位換算系數(shù)。
雖然溫湯地?zé)釤醿?chǔ)類型為構(gòu)造型熱儲(chǔ),地下水通過(guò)斷層或斷層破碎帶進(jìn)行循環(huán)對(duì)流,在徑流過(guò)程中不斷吸收圍巖的熱量,同時(shí)還有部分地下熱水補(bǔ)充,成為地?zé)崽锏闹饕獰嵩?。溫湯地?zé)岬膩?lái)源主要通過(guò)傳導(dǎo)和對(duì)流來(lái)自深部的大地?zé)崃?。根?jù)以上類比計(jì)算結(jié)果對(duì)比,地?zé)崽餆醿?chǔ)存量極為豐富,到目前為止,所采出的熱能僅為本地?zé)崽?8℃熱儲(chǔ)范圍內(nèi)儲(chǔ)存總熱量的十萬(wàn)分之2.26。簡(jiǎn)單測(cè)算表明,如果存在一定的熱能交換條件與水循環(huán)通道,采用人工回灌的方式,本地?zé)崽锏牡責(zé)崴刹闪烤哂邢鄳?yīng)的保障。
(2)回灌機(jī)理分析。關(guān)于回灌機(jī)理尚有許多未知,為確保地?zé)嵯到y(tǒng)的質(zhì)、量平衡,適當(dāng)減少回灌量,調(diào)整采灌比,加大開(kāi)采降深,開(kāi)采量有在目前基礎(chǔ)有所提高的可能。其可能性可從以下各方面予以論證。
①增大降深可適當(dāng)提高開(kāi)采量。根據(jù)大量的開(kāi)采回灌試驗(yàn)得出的結(jié)論是,Q=f(s)基本上是一條直線,生產(chǎn)井的涌水量決定于最大降深值和單位涌水量的積。以此作為依據(jù),如果適當(dāng)加大降深的情況下,開(kāi)采量有適當(dāng)提高的前景。
②調(diào)整采灌比可適當(dāng)提高開(kāi)采量。通過(guò)多期次的回灌——開(kāi)采試驗(yàn)可以得出,減少回灌量,調(diào)整采灌比再進(jìn)行試驗(yàn),可開(kāi)采量可能還有提升的空間,但再試驗(yàn)時(shí)不宜超越“臨界”,必須進(jìn)一步通過(guò)循序漸進(jìn)的回灌試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證,方可實(shí)施。
(3)回灌試驗(yàn)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)生產(chǎn)性回灌技術(shù)進(jìn)行深入研究,使之成為一個(gè)可循環(huán)利用的開(kāi)發(fā)與保護(hù)并舉的良性循環(huán)。保護(hù)地?zé)崽铮ǖ責(zé)嵯到y(tǒng))在人為開(kāi)采條件下的能量平衡,建立科學(xué)的良性的開(kāi)發(fā)工程體系。
回灌機(jī)制雖然比較明晰,但長(zhǎng)期回灌開(kāi)發(fā)情況下的變化和預(yù)測(cè),仍存許多未知。按照熱交換定律,假定熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的熱量及熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的水量保持恒定。通過(guò)不同回灌冷水量與地?zé)崴臒峤粨Q估算結(jié)果,進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析,可以求出如下回歸方程的關(guān)系:
T=-12.83lnQ灌+185.28(R2=0.9988)(10804≤Q灌≤20181)
綜合上述3方面分析,初步認(rèn)為本地?zé)崽锞哂型ㄟ^(guò)回灌擴(kuò)儲(chǔ)的可能性,理想條件下,其水溫的一般可保持在58℃~64℃,但水化學(xué)成分的變幅情況目前仍難以做出較為明確的分析。最終其可持續(xù)開(kāi)發(fā)的地?zé)崴绾?,尚需通過(guò)進(jìn)一步的試驗(yàn)與開(kāi)采監(jiān)測(cè)進(jìn)行分析。
4.3地?zé)崃黧w水化學(xué)變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)
溫度和壓力是控制地?zé)崴瘜W(xué)體系平衡的重要物理因素,在深部高溫高壓環(huán)境,有利于地?zé)崴c圍巖之間的各種化學(xué)平衡,當(dāng)溫度降低,平衡條件發(fā)生變化。按照質(zhì)量平衡定律,礦物鹽類溶解度隨溫度的降低而減少。氟在天然水中大多以氟氫酸形式存在,它對(duì)硅質(zhì)有溶解作用。氟氫酸越多,溶解的硅質(zhì)也越多,其溶解度與水溫成正比。并根據(jù)地?zé)崴毓鄺l件下,熱水與冷水混合作用后主要元素歷時(shí)變化趨勢(shì)分析。初步預(yù)測(cè)在嚴(yán)格控制回灌量不超過(guò)回灌臨界,減小回灌量提高采灌比的模式下,地?zé)崴闹饕瘜W(xué)元素不會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化,均在可變范圍內(nèi)震蕩變化。
(1)結(jié)合多期試驗(yàn)結(jié)果及各年開(kāi)采峰值月份的日均開(kāi)采量考量,在現(xiàn)有回灌系統(tǒng)設(shè)置狀態(tài)下,地?zé)崴_(kāi)采量具有一定的保障程度。地?zé)崴械V水指標(biāo)H2SiO3含量略呈緩慢下降趨勢(shì),但其含量為規(guī)范礦水濃度的2.5倍以上,F(xiàn)-、Se等礦水指標(biāo)含量上下波動(dòng)變化,其它礦物質(zhì)組份變化不甚明顯。在現(xiàn)有回灌開(kāi)采狀態(tài)下,水質(zhì)也仍具有相應(yīng)的保障程度。
(2)通過(guò)熱儲(chǔ)轉(zhuǎn)化分析、回灌機(jī)理分析和回灌試驗(yàn)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析,初步認(rèn)為本地?zé)崽锞哂型ㄟ^(guò)回灌擴(kuò)儲(chǔ)的可能性,理想條件下,其水溫一般可保持在58℃~64℃,但水化學(xué)成份的變幅情況目前仍難以作出較為明確的分析。最終其可持續(xù)開(kāi)發(fā)的地?zé)崴颗c水質(zhì)變化如何,尚需通過(guò)進(jìn)一步的回灌試驗(yàn)與試驗(yàn)性開(kāi)采進(jìn)行驗(yàn)證。
(3)提高熱利用率,必須控制尾水排放溫度,改造地?zé)崂孟到y(tǒng),目前熱利用率還十分低,主要原因是利用結(jié)構(gòu)單一、地?zé)豳Y源消耗量大,應(yīng)有計(jì)劃地對(duì)不合理、不規(guī)范的進(jìn)行改造。
(4)地?zé)崽餆醿?chǔ)中的熱量與地?zé)崴g的轉(zhuǎn)換是受諸多因素控制,包括水循環(huán)通道、熱源平面與深度分布特征、儲(chǔ)熱地層的熱傳導(dǎo)性能、地下礦物質(zhì)溶解特性等等,這些因素不僅制約了可轉(zhuǎn)化熱能總量,也同時(shí)制約了單一時(shí)段內(nèi)的可轉(zhuǎn)換熱量,而有關(guān)于這方面的實(shí)例研究,目前在國(guó)內(nèi)仍無(wú)成功的實(shí)例,尚無(wú)足夠的資料進(jìn)行論證,有待后期進(jìn)行該方面的研究工作。
(5)地?zé)崴_(kāi)采回灌的過(guò)程較為復(fù)雜,牽涉諸多的因素,針對(duì)進(jìn)一步調(diào)整回灌量及開(kāi)采降深,以期提高地?zé)崴刹闪康姆治鲱A(yù)測(cè),需通過(guò)進(jìn)一步的試驗(yàn)工作,進(jìn)一步查清地質(zhì)構(gòu)造,地?zé)崴吔鐥l件,注入冷水的去向和途徑,同時(shí)了解更深部位地?zé)崴疁囟仍黾拥目赡苄浴?/p>
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A
1004-5716(2016)08-0157-05
2015-07-29
2015-08-02
辛田軍(1982-),男(漢族),寧夏隆德人,高級(jí)工程師,研究方向:礦床學(xué)。