廣饒鹽場鹵水開采與地面沉降相關(guān)性研究

王浩，朱智勇

（山東省地勘局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊（山東省魯北地質(zhì)工程勘察院），山東 德州 253072）

1 引言

地面沉降是一種緩變型地質(zhì)災(zāi)害，發(fā)育范圍廣、難于治理，對我國經(jīng)濟建設(shè)造成很大影響[1]，尤其是高速公路、高速鐵路等對地面沉降敏感的基礎(chǔ)性建設(shè)項目，地面沉降特別是不均勻沉降極易造成運行安全隱患或事故。東營市地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)始于2002年，測量線路由59塊水準標石組成，原點組由3點組成，埋設(shè)在臨淄區(qū)齊都鎮(zhèn)北山莊南北山上，為巖層水準標石。自2003年首次進行地面沉降水準測量，而后分別于2009年、2012年、2015年及2019年共開展了5期地面水準測量，而廣饒縣為其沉降中心[2]。根據(jù)2016年以來的調(diào)查成果，在廣饒鹽場區(qū)域存在4個地面沉降漏斗，其中西側(cè)2個沉降中心區(qū)平均沉降速率超過了120 mm/a，東側(cè)2個沉降中心區(qū)平均沉降速率超過了130 mm/a，屬地面沉降強發(fā)育。

2 地質(zhì)背景條件

2.1 水文地質(zhì)條件

2.1.1 淺層鹵水水文地質(zhì)特征

廣饒鹽場淺層鹵水礦體在垂向上呈透鏡狀，底面埋深北部較淺，在40 m左右，往南逐漸變深至50 m左右。依據(jù)垂向上鹵水分布特征，可分為2個鹵水含水層，鹵水濃度由上而下逐漸降低。第I含鹵層組底界埋深18～21 m，鹵水含水層底部以粉砂為主，上部為粉土、淤泥質(zhì)粉土，厚度分別為2～4 m和7～13 m，賦存于該層的鹵水為潛水-淺層微承壓水，鹵水濃度較高，單井涌水量235.2～281 m3/d。該鹵水層水位、鹵水水質(zhì)受大氣降水和地表水影響較大，鹵水濃度在6～10°Be′。第II含鹵層組底界埋深40.6～48.4 m，鹵水含水層為粉砂和粉土，粉砂厚2.6～6.6 m，粉土厚5.6～8.2 m。該層鹵水含水層與第I含鹵層組之間有粉質(zhì)黏土或黏土相隔，鹵水濃度5～8°Be′，單井出水量168～312 m3/d[3]。

受高強度開采影響，該區(qū)域內(nèi)目前地下鹵水靜水位埋深一般在4.55～29.6 m。天然狀態(tài)下，該層鹵水的水位動態(tài)變化近海地帶受海洋潮汐作用影響較明顯，遠離海洋則主要受大氣降水影響。

2.1.2 中深層鹵水水文地質(zhì)特征

據(jù)已有鉆孔資料分析，該區(qū)200 m以下為非鹵水層，200 m以下砂層單層厚度薄，最大層厚小于5.20 m，層間距較大，一般大于20 m，礦化度較低為非鹵水層。

中深層鹵水層的埋藏厚度不穩(wěn)定，總體上埋藏于100～200 m。鹵水層巖性為細砂、粉細砂、粉砂。鹵水層的總厚度、分層厚度和層數(shù)在區(qū)域上也不盡相同。該區(qū)域鹵水層的層數(shù)為4～5層，單層厚度1.25～12.44 m不等，總厚度21.50～43.45 m。

根據(jù)《津濰（煙）高鐵東營段地面沉降專項調(diào)查報告》中Z1、Z2鉆孔資料，廣饒鹽場中西部鹵水層層數(shù)為4層，單層厚度3.9～17.1 m，總厚度38.3～45.5 m，埋藏深度為71.7～182.6 m，鹵水層巖性均為粉砂、粉細砂，單井涌水量200～260 m3/d，鹵水濃度5～7°Be′。

受持續(xù)高強度開采影響，廣饒鹽場中深層鹵水水位持續(xù)下降，并形成了范圍較大的鹵水降落漏斗，其東側(cè)漏斗中心水位埋深超過91 m，水位標高小于-90 m（2019年9月—10月）。

2.2 工程地質(zhì)條件

2.2.1 土體巖性分類

廣饒鹽場區(qū)域0～230 m深度內(nèi)的地層包括第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)及下更新統(tǒng)。其厚度在南部為180 m左右，向北增加到230 m左右[4]。其具體特征為：

下更新統(tǒng)（Q1）：以沖洪積及湖積為主，厚度60～80 m，厚度由北向南逐漸變薄，巖性以土黃-褐黃色粉土及棕黃色粉質(zhì)黏土為主，大部分區(qū)域在埋深30 m左右有中砂和中細砂分布。

中更新統(tǒng)（Q2）：以沖積為主，厚度50～60 m，巖性以黃褐色粉土及棕褐色粉質(zhì)黏土為主。分布有多層厚度1～5 m的中砂和中細砂。

上更新統(tǒng)（Q3）：以沖積為主，厚度60～80 m，巖性以黃褐色粉土及灰褐色粉質(zhì)黏土為主。分布有多層厚度2～6 m的中砂和中細砂。

全新統(tǒng)（Q4）：以沖積和海積為主，厚度18～20 m，巖性變化較大，一般為粉土、粉質(zhì)黏土及粉細砂，局部有淤泥性黏土分布。

2.2.2 土體結(jié)構(gòu)特征

廣饒鹽場0～20 m為全新統(tǒng)地層，土體結(jié)構(gòu)主要以粉土-粉質(zhì)黏土雙層結(jié)構(gòu)及粉土-粉質(zhì)黏土-粉細砂多層結(jié)構(gòu)為主，東側(cè)靠海區(qū)域分布有淤泥性黏土。

20～120m為上更新統(tǒng)地層，土體結(jié)構(gòu)主要以粉土-粉質(zhì)黏土雙層結(jié)構(gòu)及粉土-粉質(zhì)黏土-中砂和中細砂多層結(jié)構(gòu)為主。

120～200m為中更新統(tǒng)，土體一般為多層結(jié)構(gòu)類型，主要有粉土、粉質(zhì)黏土、黏土及粉砂（粉細砂）構(gòu)成，地層較穩(wěn)定。

2.2.3 土體工程地質(zhì)特性

根據(jù)山東省魯北地質(zhì)工程勘察院2019年提交的《津濰（煙）高鐵東營段地面沉降專項調(diào)查報告》，該區(qū)200 m以上地層可劃分為4個含水層及5個壓縮層（見表2）[5]。

表1 主要壓縮層物理力學(xué)參數(shù)一覽表

3 地面沉降現(xiàn)狀

2011年6月—2013年3月，東營市勘查測繪院先后3次對新區(qū)內(nèi)的水準控制點進行復(fù)測，發(fā)現(xiàn)均出現(xiàn)了不同程度的沉降。其中，最具代表性的兩個控制點：一是位于東八路以東、支脈河南岸的漁港村G9控制點，高程由4.276m變?yōu)?.017 m，下沉25.9 cm，二是位于管委會駐地東側(cè)的G8控制點，高程由2.708 m變?yōu)?.514 m，下沉19.4 cm。

根據(jù)2017年3月—2019年5月INSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，在廣饒鹽場區(qū)域存在4個地面沉降漏斗，其中，西側(cè)2個沉降中心區(qū)平均沉降速率超過了120 mm/a，東側(cè)2個沉降中心區(qū)平均沉降速率超過了130 mm/a（見圖1）。

圖1 廣饒鹽場鹵水開采區(qū)地面沉降速率圖

4 鹵水開發(fā)利用現(xiàn)狀

4.1 鹵水井分布

廣饒鹽場歷史悠久，自20世紀60年代開始開采地下鹵水，2010年之前鹵水井成井井深多在60～80 m，隨著區(qū)內(nèi)溴素企業(yè)的逐漸增加，鹵水需求量不斷加大，造成水位持續(xù)下降，后續(xù)施工的鹵水開采井多在200～260 m，井徑基本都在370 mm左右。2008年年底，內(nèi)有淺層鹵水井約500眼，至2014年淺層鹵水井增加至800余眼，截至2019年9月，廣饒鹽場區(qū)域共有鹵水井1 600余眼。

在空間分布上，鹵水井具有區(qū)域集中的特點，這與鹵水產(chǎn)鹽的工藝有關(guān)。廣饒鹽場鹵水一般開采出來后先匯集到廠內(nèi)溴素廠提溴，提溴后的尾水再分流到鹽田制鹵，為生產(chǎn)方便，施工的鹵水井一般分布于鹽田之間的“橫崗”上及鹽場場內(nèi)道路兩側(cè)，開采后匯集到鹽田邊上的匯水溝渠，因此，鹵水井非常密集，井間距一般在80～100 m。隨著開采量不斷增加，水位持續(xù)下降，原有淺井不能滿足生產(chǎn)的需要，后續(xù)施工的深井一般在原有淺井附近布井，造成了開采井的進一步集中。

4.2 鹵水開采量

根據(jù)2019年《津濰（煙）高鐵東營段地面沉降專項調(diào)查報告》中調(diào)查資料，截至2019年10月，廣饒鹽場區(qū)域有大小鹵水開采企業(yè)7家，鹵水開采井1 600余眼，單井開采量在100 m3/d，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及各企業(yè)原鹽產(chǎn)量與鹵度推算，廣饒鹽場年開采量約3.2×107m3。

5 地面沉降影響因素分析

地面沉降形成的原因復(fù)雜，目前認為，主要包括地殼的構(gòu)造運動、土的自然壓實等自然原因，或大量開采地下水、石油、天然氣和人類工程建設(shè)等人為原因而產(chǎn)生。

5.1 自然因素

東營市全新世的地層沉積較晚，大部分沉積時間小于150年。根據(jù)區(qū)內(nèi)大量工程勘察資料分析，區(qū)內(nèi)全新世地層巖性以粉土為主，其次為粉質(zhì)黏土、粉砂、黏土，另外在黃河以北大部分區(qū)域埋深30 m以上有軟土分布，為欠固結(jié)土。在自重壓力下，會產(chǎn)生自然沉降。根據(jù)1955—1988年的地面垂直形變圖表明，在30多年內(nèi)，黃河三角洲仍以下降為主，東營地區(qū)地面沉降速率為3～4 mm/a。依據(jù)1951—1987年華北地區(qū)垂直變形速率圖，廣饒鹽場區(qū)域因構(gòu)造運動引起的地面沉降速率在2～3 mm/a，因此，構(gòu)造運動及土的自然固結(jié)等自然因素引發(fā)的區(qū)域地面沉降不可忽視，但與廣饒鹽場區(qū)域目前地面沉降量相比，貢獻甚微，其不是引發(fā)該區(qū)域地面沉降的主要原因[6]。

5.2 人為因素

廣饒鹽場區(qū)域現(xiàn)有油氣開采井約160余眼，主要分布于廣饒鹽化集團南部區(qū)域，東部沉降區(qū)無油井，開采區(qū)與沉降圈閉中心不吻合。另外就東營市來看，油氣資源的開采在區(qū)域上分布不均、時間上也差別很大，最早的石油開采是20世紀60年代中期東營區(qū)一帶，與東營市地面沉降的發(fā)生歷史、范圍并不吻合。因此，區(qū)內(nèi)石油開采與地面沉降不具有相關(guān)性。

通過對廣饒鹽場地下鹵水開采歷史、開采量及區(qū)域地下水水位時空變化與地面沉降變化進行對比研究，廣饒鹽場地下鹵水開采區(qū)水位埋深與地面沉降速率存在明顯的正相關(guān)關(guān)系（見圖2），結(jié)合周邊濱州、廣饒縣城地面沉降成因及國內(nèi)外相關(guān)研究成果，廣饒鹽場地面沉降主要是地下水（鹵水）的抽取造成的[7]。

圖2 廣饒鹽場鹵水開采區(qū)地面沉降速率與水位埋深剖面圖

6 結(jié)論與建議

鹵水是一種非常重要的礦產(chǎn)資源，但是不合理的開發(fā)利用對地質(zhì)環(huán)境也會造成很大的影響。如因超量開采而引發(fā)的地面沉降等。

1）地面沉降具有不可逆性，廣饒鹽場開采區(qū)地面沉降強發(fā)育，長此以往易形成地面高程損失，海水倒灌等地質(zhì)災(zāi)害。

2）根據(jù)調(diào)查分析，該區(qū)域地面沉降主要是淺層、中深層鹵水超量開采而引起的，應(yīng)加強鹵水的開采控制，合理開發(fā)利用鹵水資源。