天津地?zé)衢_發(fā)的影響與對(duì)策

天津地?zé)衢_發(fā)的影響與對(duì)策

地?zé)豳Y源是一種清潔能源，具有多種使用價(jià)值。它可以廣泛應(yīng)用于生活供暖、旅游、水產(chǎn)養(yǎng)殖、生產(chǎn)等領(lǐng)域。它具有廣闊的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)基礎(chǔ)。天津地區(qū)的地?zé)豳Y源豐富,可利用量很大,有很大的開發(fā)潛力。地?zé)崴拈_發(fā)有著有利的方面,但不合理的開發(fā)會(huì)引起環(huán)境地質(zhì)問題。本文根據(jù)天津地?zé)崽锏奶攸c(diǎn),對(duì)地?zé)豳Y源開發(fā)可能造成的結(jié)果進(jìn)行了分析。1地質(zhì)背景及地?zé)豳Y源天津地區(qū)地處I級(jí)構(gòu)造單元華北地臺(tái)北緣,以寧河斷裂和寶坻斷裂為界分為北區(qū)和南區(qū),見圖1。北區(qū)屬II級(jí)構(gòu)造單元燕山臺(tái)褶帶的次一級(jí)(III級(jí))構(gòu)造單元薊寶隆褶皺,其構(gòu)造線呈東西(EW)向,斷裂以東西(EW)向?yàn)橹鲗?dǎo),其次有北西(NW)向、北東(NE)向及北北東(NNE)向三組斷裂,斷裂將地層分割成許多塊體,并控制著地層的發(fā)育和構(gòu)造形態(tài)。南區(qū)屬II級(jí)構(gòu)造單元華北斷拗區(qū),是中、新生代斷陷、拗陷盆地,區(qū)內(nèi)隆起、拗陷及次一級(jí)(IV級(jí))凸起、凹陷的延伸方向和較大斷裂的走向均呈NNE向,形成雁行式相間排列的構(gòu)造格局。區(qū)域大地構(gòu)造處于歐亞大陸邊緣活動(dòng)帶,是一級(jí)構(gòu)造單元中朝準(zhǔn)地臺(tái)的組成部分。太行山東緣斷裂、寧河—寶坻斷裂將區(qū)域分成三大地質(zhì)單元:西部和北部分別是太行山隆起和燕山褶皺帶,剩下的為華北斷拗。天津地區(qū)的諸地?zé)崽锒嘉挥谌A北斷拗范圍內(nèi),地面均為第四系松散沉積物覆蓋,厚度可達(dá)數(shù)百米。其下是巨厚的第三系陸相碎屑巖沉積,是一套半膠結(jié)的砂巖和泥巖地層,沉積厚度在滄縣隆起相對(duì)較薄,在冀中拗陷和黃驊拗陷較厚,最大厚度可達(dá)近萬米。在新生界的巨大不整合覆蓋之下,主要是古生界和中上元古界的基底地層,在拗陷中還有局部中生界分布。天津地區(qū)除了寶坻斷裂以北的山麓地帶外,其他地區(qū)地殼淺部地溫的分布狀況主要受凹凸相間的地質(zhì)構(gòu)造格局的控制。總的特點(diǎn)是呈現(xiàn)出高低相間的帶狀展布,相對(duì)高溫區(qū)與基巖隆起區(qū)對(duì)應(yīng),相對(duì)低溫區(qū)與基巖凹陷區(qū)對(duì)應(yīng)。該地?zé)豳Y源屬于斷陷盆地型中低溫地?zé)豳Y源,基本特點(diǎn)有:呈面狀分布,分布面積廣;宏觀上,整個(gè)南區(qū)8700km2范圍內(nèi)都賦存有地?zé)豳Y源,以平均地溫梯度3.5℃/100m為界線,天津地區(qū)共圈出9個(gè)地?zé)岙惓^(qū);垂向上多個(gè)熱儲(chǔ)層疊置分布,不同的熱儲(chǔ)層溫度隨著埋深的減小而減小,并且溫度的遞減幅度差異很大,見表1。2天津地?zé)豳Y源現(xiàn)狀天津市位于華北斷陷盆地,地下蘊(yùn)育著豐富的地?zé)豳Y源。天津是我國(guó)最早利用地?zé)豳Y源的城市之一,從20世紀(jì)70年代起,已經(jīng)開始大規(guī)模地開發(fā)利用地?zé)崴Y源。地下熱水賦存在第四系、第三系、古生界和中上元古界的地層之中。天津地?zé)豳Y源按其賦存特征劃分為孔隙型熱儲(chǔ)和基巖巖溶裂隙型熱儲(chǔ),頂板埋深一般在1～2km以下。天津目前地?zé)崽讲缮疃纫堰_(dá)4041m,井口流體溫度最高達(dá)102℃,至今已經(jīng)成功地勘察開發(fā)了王蘭莊、山嶺子、塘沽、武清、大港及周良莊等地?zé)崽镔Y源。據(jù)統(tǒng)計(jì),截止2005年底,天津市共有地?zé)峋?69眼,其中回灌井14眼。地?zé)崴觊_采量達(dá)2564萬m3,回灌量為177.6萬m3,占開采總量的6.93%,見表2。由于天津市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,地?zé)豳Y源開采量與日俱增,在促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的同時(shí),隨之而來帶來了一系列的環(huán)境地質(zhì)問題,圍繞著各種地質(zhì)狀況發(fā)生的原因,進(jìn)行論述。3天津熱開發(fā)對(duì)環(huán)境地質(zhì)的影響3.1天津地?zé)崴乃瘜W(xué)特征天津地區(qū)地?zé)崴蟹?、偏硼酸、礦化度、總硬度等含量較高,均超過飲用水、灌溉水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),鹽類含量偏高。當(dāng)含有這些成分較高的廢水被排放到地表水體中時(shí),就會(huì)造成一定的污染,甚至?xí)B入地下水體,直接或間接地對(duì)地下水資源造成污染。地?zé)嵛菜械拇罅葵}類排入農(nóng)田也會(huì)造成嚴(yán)重的土壤板結(jié)和鹽堿化。天津地?zé)崴乃瘜W(xué)特征主要以鉀、鈣、氯、硫酸根、碳酸氫根為主,從圖2可以看出,同一口井中其他金屬離子和其他陰離子的含量都不是很高,只有上述五種占主要成分。其他有害的化學(xué)成分和放射性物質(zhì)含量較少,主要用于生活用水、溫泉、養(yǎng)殖、旅游等各行業(yè),屬于清潔能源,不會(huì)造成排放時(shí)的水污染、大氣污染和放射性元素污染。但是,由于天津的熱儲(chǔ)層分布比較復(fù)雜,相對(duì)溫差大,熱利用效率比較低,使地?zé)嵛菜呐欧艤囟冗^高,直接使較高溫度的熱廢水進(jìn)入排水管網(wǎng),這樣會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌病毒等有害微生物的大量繁殖,排入河流湖泊后就會(huì)造成地表水體的污染。3.2地?zé)崴猩细矇毫ι仙话阏J(rèn)為,單井開采地?zé)崴?不會(huì)對(duì)地面沉降、地裂縫產(chǎn)生直接影響;但有的學(xué)者認(rèn)為,從任何熱儲(chǔ)層中進(jìn)行長(zhǎng)期開采幾乎都會(huì)導(dǎo)致可以檢知的地面沉降和地面變形。天津地區(qū)各開采單位雖然多數(shù)以單井形式開采地?zé)崴?但在整個(gè)城區(qū)范圍,已形成一定的開采井網(wǎng)密度,且大多數(shù)處在同一開采層段,井間具有一定的連通性。長(zhǎng)期過量開采,原先飽和狀態(tài)下對(duì)上部或上覆巖層的頂托作用(力)減弱,使地層壓縮、致密而造成或加劇地面沉降,而地面的不均勻沉降將直接導(dǎo)致地裂縫的發(fā)生。天津開采利用地?zé)崴臍v史悠久,由于長(zhǎng)期地下熱水的過量開采,部分地區(qū)已經(jīng)破壞了地層之間原有的應(yīng)力平衡,地層孔隙內(nèi)流體的減少造成了壓力下降,根據(jù)總應(yīng)力平衡原理,有效的上覆壓力就會(huì)增加,當(dāng)有效應(yīng)力增加到一定程度超過平衡邊界值時(shí),則會(huì)出現(xiàn)地面沉降。對(duì)天津地區(qū)地?zé)醿?chǔ)層的過度開采造成了天津部分地區(qū)含水砂層的疏干或者減壓以及粘性土層的不可逆釋水,產(chǎn)生了地面沉降。尤其是天津塘沽地區(qū)屬于典型的上第三系空隙型地?zé)崴?粘性土釋水量在開采量中所占的比例很大,引起的地面沉降量很大,極容易引起地面塌陷的危險(xiǎn)。圖3為地下水開采量和地面沉降量曲線圖。根據(jù)天津市地?zé)崴_采量和地面沉降的監(jiān)測(cè)資料,初步計(jì)算分析,開采館陶組熱儲(chǔ)層熱水在目前開采量350～450萬m3/a時(shí),引起的地面沉降量約5～6mm/a左右。天津地區(qū)地?zé)豳Y源有一部分為深部薊縣系霧迷山組。霧迷山組熱儲(chǔ)層在區(qū)域上分布廣、厚度大,北至寶坻斷裂,東達(dá)滄東斷裂,西到天津斷裂及大口屯斷裂,熱儲(chǔ)面積約為4083km2。霧迷山組地層巖溶、裂隙、空隙較發(fā)育,富水性強(qiáng),巖性以灰色、深灰色白云巖為主,有泥質(zhì)夾層。巖性較致密堅(jiān)硬,抗荷載能力較強(qiáng),厚度大于1000m,上覆地層主要為第四系。該系底層能夠共同對(duì)上部底層自身重力起到一定的頂壓、支撐作用,有較好的應(yīng)變能力,而且該組的回灌對(duì)井較多,短時(shí)間內(nèi)的熱水抽取雖然會(huì)造成局部地應(yīng)力的變化,但及時(shí)的回灌則會(huì)讓水體以運(yùn)移補(bǔ)給的方式對(duì)抽水點(diǎn)加以補(bǔ)充,達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡,因此對(duì)該組的地?zé)崴_采一般不會(huì)引發(fā)地面沉降。3.3大地構(gòu)造環(huán)境與地震的關(guān)系地?zé)崴哂芯彌_地基巖石板塊應(yīng)力的作用,并承受和分散地表壓力。在山脈地區(qū)和城市高層建筑密集區(qū)域,地表壓力尤為巨大,因此該區(qū)域的地下熱水資源受破壞程度,將直接威脅到此類地帶的地理穩(wěn)定性。地下熱水在被人類強(qiáng)行鉆透深部巖層采集抽吸后,因自然水難以進(jìn)入地下熱水庫存,不能被循環(huán)補(bǔ)充,當(dāng)?shù)責(zé)崴w被過量開采后,不可避免地產(chǎn)生巖層內(nèi)及巖層下的水體空缺,導(dǎo)致大地的穩(wěn)定性受到破壞,這將誘發(fā)地震。天津地區(qū)的地?zé)嶂饕x存在明化鎮(zhèn)組、館陶組和霧迷山組中,其頂板埋深在大約0.6～3km左右,而大多數(shù)地震發(fā)生的部位相對(duì)比較深,一般震源位置都在10～20km左右,可見與震源易發(fā)生的位置相距比較遠(yuǎn),不符合抽水誘發(fā)地震的特征,所以地?zé)岬拈_發(fā)不會(huì)對(duì)深部地應(yīng)力產(chǎn)生很大的影響。地震主要以蠕動(dòng)和粘滑的活動(dòng)方式為主,地震的形成主要與斷層性質(zhì)、斷層兩側(cè)巖石結(jié)構(gòu)及圍巖壓力的變化有關(guān)。天津地區(qū)絕大多數(shù)覆蓋白云巖,透水性差,與深部地?zé)釡贤ㄖ豢赡馨l(fā)生在斷層帶附近,如寧河—寶坻斷裂,天津斷裂和滄東斷裂,但這些規(guī)模較大的主干斷裂現(xiàn)在已經(jīng)少有強(qiáng)烈的活動(dòng),減少了與深部地?zé)嵯嗦?lián)系的渠道,不足以產(chǎn)生斷裂兩盤發(fā)生蠕動(dòng)和粘滑的條件,與地震活動(dòng)聯(lián)系甚微。天津目前所發(fā)生過的地震與地?zé)衢_采從原理上來說都沒有直接的關(guān)系,但是地?zé)崃黧w是對(duì)地殼介質(zhì)應(yīng)力-應(yīng)變變化反應(yīng)靈敏的組分之一,在地震前可以表現(xiàn)出較好的映震能力,因此天津市地震局利用地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)項(xiàng)目對(duì)天津及臨近地區(qū)、周邊地區(qū)進(jìn)行觀測(cè)判斷,利用水位井壓的異常狀態(tài)進(jìn)行推斷,成功地預(yù)測(cè)了多次中等、中強(qiáng)地震。主要原理是水井壓異常形態(tài)為突跳型變化,這種異常與地震的對(duì)應(yīng)率較高,大約為80%,映震能力很好。如利用王4井水汞異常曲線圖(圖4)來預(yù)測(cè)地震,收到了良好的效果。地?zé)衢_發(fā)還可以有效地減少應(yīng)力累積,起到及時(shí)釋放地應(yīng)力,減少大的破壞性地震發(fā)生的效果。4采用人工的排水管網(wǎng),使之健康利用天津地?zé)崽镔Y源很適合取代其他的不可再生資源,能夠保護(hù)天津地區(qū)的生態(tài)環(huán)境,減少空氣污染,是一種良好的自然資源。雖然地?zé)衢_發(fā)會(huì)有尾水污染,但是現(xiàn)在地?zé)峄毓嗉夹g(shù)已經(jīng)在一定程度上解決了這個(gè)問題,尾水能夠回灌到同一熱儲(chǔ)層,天津地區(qū)已經(jīng)打了很多眼地?zé)峄毓嗑?今后會(huì)越來越多。對(duì)于含有少量污染物的廢水,采用專用的排水管網(wǎng)排入指定的公共污水管道可以解決這一問題。明化鎮(zhèn)組和館陶組屬于上第三系孔隙水,結(jié)構(gòu)松散,回灌起來難度較大,屬于這兩層熱儲(chǔ)的回灌量少,造成力學(xué)性質(zhì)的變化最大,引起的地面沉降最為明顯,因此,可采用多含水層組分散開采,調(diào)整最佳開采層位集中開采的辦法,穩(wěn)定開采量,達(dá)到控制地面沉降的目的。而奧陶系、寒武系以及霧迷山組的熱儲(chǔ)層為基巖裂隙水,發(fā)育有隔水性和持力性較好的白云巖,該三組熱儲(chǔ)層的回灌相對(duì)容易,回灌效率高,