中山虎池圍地熱田地熱資源儲量計算與評價研究

(廣東省地質局第四地質大隊，廣東 湛江 524049)

1 環(huán)境地質條件概況

1.1 自然地理

虎池圍地熱田位于中山市南蓢鎮(zhèn)翠亨村東南側金星門港的灘涂內。中心地理坐標為E 113°31′31″～113°34′30″，N 22°24′22″～22°26′48″，總面積23 km2，其中海域面積16 km2，陸地面積7 km2。

1.2 氣象水文

地熱田地處北回歸線以南的低緯度地區(qū)，屬于亞熱帶海洋性季風氣候，具有日照時間長，晝夜溫差較大，溫暖潮濕，雨量充沛，降雨集中，冬暖霜少等氣候特點。

1.3 地形地貌

地熱田由陸地和海域兩部分組成。陸地部分主要為濱海平原及剝蝕殘丘，其中濱海平原地形平坦開闊，地勢西高東低，微向海傾斜，傾角<6°，地面高程6～19 m；剝蝕殘丘植被發(fā)育，巖石多被風化殘積土覆蓋，僅局部見基巖出露。海域部分主要是灘涂，漲潮時水深2～5 m，退潮時水深0～3 m，每月朔望其間，海水退潮露出灘涂，能見大量熱泉出露，目前區(qū)內灘涂大部分被圍墾成養(yǎng)殖場。

1.4 地層與巖漿巖

地熱田分布的地層主要為第四系，從上到下依次分為人工堆積層、燈籠沙組、萬頃沙組、三角組及花崗巖風化殘積層。巖漿巖為燕山三期侵入花崗巖(γ52(3))，區(qū)內廣泛分布，多埋于地下，巖性為粗粒及中粒黑云母花崗巖，巖石致密堅硬，粗粒等粒結構，塊狀構造。

1.5 地質構造

地熱田地處珠江三角洲南部，區(qū)域構造上位于河源深斷裂帶的南西段，區(qū)域地殼經(jīng)歷了多期次復雜的構造運動(加里東-印支及燕山期構造運動)和不同期次的巖漿活動(主要是燕山期強烈?guī)r漿活動)，形成了相互切割、錯綜復雜的區(qū)域斷裂構造格架。綜合地質、水文地質資料分析，區(qū)域地質構造以相互切割的斷裂構造為主，共有不同方向的區(qū)域斷裂12條，并產(chǎn)生一系列次一級斷裂，區(qū)域地質構造較為復雜。熱泉出露點位于次一級斷裂，它是根據(jù)地熱等溫線圖及地熱鉆探等資料推測的一條次一級斷裂，沿東西方向展布。

1.6 水文地質特征

1.6.1 地下水賦存概況

地熱田位于珠江口西側，依山傍海，總的地勢是由西向東傾斜，屬亞熱帶海洋性氣候，雨量充沛，加上區(qū)內地殼經(jīng)歷了多期次復雜的構造運動，尤其是燕山期強烈的斷塊運動和多期的巖漿活動，致使區(qū)內斷裂發(fā)育，巖石破碎，為地下水的補給、運移及賦存提供有利的地質環(huán)境條件。松散巖類孔隙水主要分布于地熱田西部濱海平原地帶，由于地熱田為近海地帶，地勢低，地下水位埋深淺，受海潮影響，地下水循環(huán)交替作用遲緩，松散巖類孔隙水常有海水滯留，形成咸水區(qū)。

1.6.2 地下水類型及富水性劃分

根據(jù)地熱田內地下水的賦存條件、水理性質及其水力特征，將區(qū)內地下水劃分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩大類。其中，松散巖類孔隙水包括淡水和咸水，基巖裂隙水只有塊狀巖類裂隙水。

1.6.3 地下水的富水性及水質特征

1)松散巖類孔隙水含水層

(1)淡水水量貧乏區(qū)：分布于地熱田西部，含水層巖性主要為粉細砂及粉土，厚2.65～10.67 m。水化學類型為HCO3—Na或HCO3·Cl—Na·Ca型，可溶性總固體120～570 mg/L，pH值6.4～7.5。

(2)咸水水量貧乏區(qū)：沿海岸線條帶狀分布，含水層主要巖性為淤泥質粉細砂、含粘土礫砂、中粗砂，厚5.27～48.53 m。水化學類型為Cl—Na型，可溶性總固體1 200～3 400 mg/L，pH值6.9～7.5。

2)基巖裂隙水

本地熱田的基巖裂隙水均為塊狀巖類裂隙水，水量中等—貧乏，簡述如下：

(1)水量中等區(qū)：分布于地熱田西部，含水層巖性主要為黑云母花崗巖、細?；◢弾r，裂隙發(fā)育，富水性中等。水化學類型為HCO3—Na·Ca型，可溶性總固體45～258 mg/L，pH值6.3～7.1。

(2)水量貧乏區(qū)：分布于地熱田西北角，含水層巖性主要為黑云母花崗巖、細?；◢弾r、二長花崗巖等。水化學類型為HCO3·Cl—Na型，可溶性總固體105.2～756.1 mg/L，pH值6.5～7.2。

2 地熱田地質特征

2.1 熱儲及其蓋層的地質特征

本地熱田位于濱海灘涂中，周邊地勢較高，有多條斷裂從地熱田穿過，這為地下熱水的形成提供了良好的補給及儲存條件。本地熱田為帶狀熱儲，其上部覆蓋著良好的蓋層，地熱流體以熱水的形式賦存于熱儲層(帶)中并自下而上運移。

2.1.1 熱儲蓋層特征

熱儲蓋層主要為全新統(tǒng)海相沉積的淤泥和燕山期花崗巖風化殘積的粘性土等，隔熱保溫性良好。

2.1.2 熱儲層特征

熱儲層主要由燕山期花崗巖風化裂隙帶及斷裂破碎帶組成，屬帶狀熱儲。沿斷裂構造部位，巖心破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，熱蝕變、熱溶蝕、熱沉淀現(xiàn)象明顯，節(jié)理中見綠泥石、葉臘石、螢石充填，這些空隙通道為地下熱水的形成提供了良好的儲存和運移條件。

2.2 地溫場特征

虎池圍地熱田位于金星門港的灘涂中，常年被淺海水淹沒，每月朔望期間海水退潮時能見成群熱泉露出灘涂，熱泉出露范圍約0.262 km2，最高水溫達102℃，一般40℃～60℃，并有大量熱霧冒出。目前，地熱異常區(qū)已蓄堤圍池養(yǎng)魚，水深3 m以上，很難看見明顯的泉眼，僅在退潮放水后熱泉群仍清晰可見。

2.3 地熱田的補給、徑流及排泄特征

大氣降雨滲入補給是本地熱田地下熱水的主要補給來源。地熱田位于金星門港淺海灘涂中，其西及西南部為地勢相對較高的丘陵環(huán)繞，丘陵山區(qū)植被發(fā)育，表土層巖性主要為花崗巖風化殘積土，有利于大氣降雨入滲，其下伏基巖經(jīng)歷了多期次復雜的構造活動及巖漿活動，巖石破碎，裂隙發(fā)育，是地下水補給、徑流的良好通道。

綜合本區(qū)地形、地貌及地質環(huán)境條件分析，虎池圍地熱田西及南部地勢相對較高的丘陵山區(qū)為本地熱田的主要補給區(qū)，大氣降雨通過補給區(qū)殘積土層的孔隙入滲補給后，形成淺層地下水，其中部分淺層水滲出補給河溪，另一部分則繼續(xù)沿著巖石風化裂隙帶、斷層破碎帶等導水通道側向補給，并往地下深部徑流獲得熱能，形成地下熱水。在熱力及水頭壓力作用下，沿導水裂隙帶、斷層破碎帶通道向上運移，最終以自流或人工開采形式排泄出海。

由于地下水在補給、徑流過程中，不斷溶解其周圍巖石的易溶物質，使得本地熱田地熱流體含有一些異于一般地下水的特殊礦物成份。

3 地熱資源儲量計算與評價

地熱資源儲量計算與評價主要是地熱流體資源可開采儲量的計算與評價，本地熱田儲量的計算評價是以抽水試驗為基礎。

3.1 抽水試驗

由于本地熱田位于水深達3～4 m的淺海灘涂中，施工需借助拖船等輔助工具，孔口水溫高達99℃(有時達102℃)，成井時，長年積壓的高溫高壓熱水噴涌而出，最大高度達8.2 m，給鉆孔施工、抽水試驗及動態(tài)監(jiān)測帶來了極大困難，地熱田的抽水試驗結果是根據(jù)鉆井自流的水頭高度及自流量確定的，見表1及圖1、圖2所示。

3.2 地熱資源儲量計算

本地熱田為帶狀熱儲，地熱流體的分布直接受斷裂構造的控制，鉆孔涌水量的大小主要取決于斷裂性質、裂隙發(fā)育及充填程度。因此，本地熱田地熱資源可開采儲量不宜采用均勻布井法計算，可結合本地熱田的實際情況，根據(jù)單井抽水試驗資料、鉆孔(井)自流量資料及地下熱水動態(tài)觀測資料計算確定。

3.2.1 單井抽水試驗確定可開采儲量

地熱田的抽水試驗情況如第一節(jié)所述及表1、圖1、圖2所示。為了確定統(tǒng)一降深和口徑的管井可開采儲量，本次根據(jù)抽水試驗資料及曲線類型，采用相應的公式計算。據(jù)抽水試驗資料，經(jīng)繪制的Q=f(x)曲線及曲線類型判別式判別，其曲線類型均為指數(shù)型，故可根據(jù)管井涌水量經(jīng)驗公式的指數(shù)型方程式計算本地熱田管井設計降深的涌水量。

圖1 R1號熱水井抽水曲線圖

圖2 R2號熱水井抽水曲線圖

1)計算公式

曲線類型判別式：m=(lgS2-lgS1)/(lgQ2-lgQ1)

鉆孔(井)涌水量計算經(jīng)驗公式：

指數(shù)型方程 Q=n·S1/m

經(jīng)驗系數(shù)關系式 lgn=lgQ1-1m lgS1

管徑水量換算式 η=(1+r/r1)/2

式中：

Q、Q1、Q2分別為管井設計降深涌水量、抽水試驗第一、第二落程的涌水量(m3/d)；S、S1、S2分別為管井設計降深、抽水試驗第一、第二落程降深(m)；n為經(jīng)驗系數(shù)；m為降深—水量關系數(shù)；η為管徑—水量換算系數(shù)；r、r1分別為設計開采井內徑和實際抽水井內徑(mm)。

2)計算參數(shù)的確定

設計降深S:根據(jù)本地熱田的實際情況，取水井的設計降深均取實際最大降深的1.75倍，分別設定為12.7 m(R1號井)、3.6 m(R2號井)；

設計井徑(r)：抽水井的內徑(直徑)統(tǒng)一設定為200 mm。

3)計算結果

根據(jù)上述計算公式及相關參數(shù)，利用抽水試驗法確定本地熱田可開采儲量為2 558 m3/d(表2)。

3.2.2 鉆孔(井)自流量確定可開采儲量

本次在2002年12月(枯水期)共施工熱水井兩口，第一口(R1號井)成井后穩(wěn)定自流量為5.56 L/s(即480 m3/d)，第二口(R2號井)成井后穩(wěn)定自流量為13.89 L/s(即1 200 m3/d)。據(jù)觀測，R2號井成井后，R1號井自流量明顯減少，為原自流量的三分之二，經(jīng)測定為320 m3/d，即R2號井成井后的穩(wěn)定自流量為1 200 m3/d時，R1號井穩(wěn)定的自流量為320 m3/d。同時，對完井后的熱水井進行為期1年(1～12月)的動態(tài)監(jiān)測，結果表明，兩熱水井的自流量、水溫及水質基本穩(wěn)定(表3)。故以兩熱水孔成井后在枯水期穩(wěn)定的自流量共1200+320=1 520 m3/d作為本地熱田的可開采儲量是有保證的。

表1 R1、R2號井抽水(自流)試驗成果表

表2 抽水試驗法計算可開采儲量一覽表

3.3 地熱資源儲量計算

根據(jù)地熱田的實際情況，本次地熱資源可開采儲量的計算采用了抽水試驗法及鉆孔(井)自流量統(tǒng)計法兩種方法。其中鉆孔(井)自流量統(tǒng)計法確定的可開采儲量(共1 520 m3/d)是兩口熱水井枯水期穩(wěn)定的自流量，并經(jīng)過了一年的動態(tài)監(jiān)測，其水質、水量、水溫均較穩(wěn)定，其值的地質可靠程度較高，以之作為本地熱田的可開采儲量是有很大保證的，可作為本地熱田的C級儲量；抽水試驗法計算的地熱資源可開采儲量是根據(jù)本地熱田的實際抽水試驗結果計算確定的，抽水時間達80～178 h，穩(wěn)定時間達72～168 h，且經(jīng)過了一年的動態(tài)監(jiān)測，水質、水量、水溫均較穩(wěn)定，所選的計算參數(shù) 符合本地熱田的實際情況，計算方法合理，計算結果可靠，其值(2 558 m3/d)達到了地熱田D級儲量的勘查要求，可作為本地熱田開發(fā)規(guī)劃的依據(jù)。

據(jù)鉆孔揭露，本地熱田熱儲埋深多為13～30 m，地熱田成井深度小于100 m，為最經(jīng)濟的熱水井成井深度；地熱田熱水井單位涌水量大于50 m3/(d·m)，為地熱資源的最適宜開采區(qū)。

綜上所述，本地熱田為最經(jīng)濟的可開發(fā)地熱田，地熱資源的C+D級儲量為2 558 m3/d，其中C級儲量為1 520 m3/d，D級儲量為1 038 m3/d。

表3 R1、R2號熱水井動態(tài)監(jiān)測一覽表

4 地熱資源開發(fā)利用與環(huán)境保護評價

4.1 地熱資源的開發(fā)利用評價

4.1.1 醫(yī)療保健方面

熱礦水中常含有一些有益于人體健康的微量元素及礦物組分，通過淋浴等方法可被人體吸收利用，對人體有一定的醫(yī)療保健作用?；⒊貒責崽锏叵滤疁囟燃暗V物質含量均較高，礦化度大于1 000 mg/L，富含氟、鋰、鍶、溴和偏硅酸等多種有利于人體健康的微量元素和礦物組分，有多項指標達到醫(yī)療熱礦水水質標準。對人體有較好的醫(yī)療保健作用。但其醫(yī)療效果如何，必須通過臨床試驗確定。

此外，地熱田區(qū)有大量富含礦物質的淤泥，屬極好的礦泉泥，將熱礦水浸泡過的礦泉泥敷于身體或患處，具有健身治病之功效。因此，本地熱田還可作為當今世界流行的溫泉新理療項目—泥浴加以開發(fā)。

4.1.2 農(nóng)業(yè)利用方面

地熱田所在的中山市素有“廣東糧倉”之稱，除種植稻麥等糧食作物外，還種植甘蔗、蠶桑、水果、蔬菜、花卉等，可利用地下熱水資源發(fā)展“三高”農(nóng)業(yè)，如利用低溫熱水催芽、育苗、培育優(yōu)良品種及溫室培植盆果、花草等，既可縮短生長周期，又可提高農(nóng)作物產(chǎn)量。

利用地下熱水催芽可省時、省錢、省力且環(huán)保。地熱催芽可使種子發(fā)芽時間短一半以上，且節(jié)省燃料和勞動力，操作簡單，管理方便。催芽后的種子播種后生長情況良好。此外，地下熱水還可用于農(nóng)作物冬季育苗。

4.1.3 水產(chǎn)養(yǎng)殖方面

地熱田地處“魚米之鄉(xiāng)”的珠三角地區(qū)，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達，歷史悠久，但冬季時受寒潮襲擊，非洲鯽魚等多種魚類越冬困難。地下熱水養(yǎng)殖非洲鯽魚，可使其安全越冬，這在全國很多地方有利用。此外，利用地下熱水養(yǎng)殖甲魚具有周期短，產(chǎn)量高的優(yōu)勢，經(jīng)濟效益十分顯著。目前虎池圍地熱田已被圍墾成水產(chǎn)養(yǎng)殖場，養(yǎng)殖多種優(yōu)質魚類(如非洲鯽魚、鯧魚、甲魚、蝦、蟹),為使水產(chǎn)養(yǎng)殖場發(fā)揮更好的經(jīng)濟效益，合理開發(fā)利用虎池圍地熱田很有必要。

4.1.4 發(fā)展旅游業(yè)方面

虎池圍地熱田位于中山與珠海交界的金星門港內，東臨珠江，與深圳、香港隔海相望，南與珠海、澳門毗鄰，北與番禺、順德接壤直通廣州，京珠高速公路就從地熱田的西側通過，交通十分方便。這里藍天碧海、環(huán)境優(yōu)美，地理位置優(yōu)越，周邊的名勝古跡、自然景觀眾多，若把這些名勝古跡、自然景觀與本地熱田連為一體，作為中山市的旅游資源加以開發(fā)，必將吸引大批海內外客，對中山市旅游業(yè)產(chǎn)生積極影響。

4.2 地熱資源開發(fā)利用對環(huán)境影響評價

由上述分析可知，本地熱田地理位置優(yōu)越，熱礦水應用范圍廣泛，符合環(huán)保、衛(wèi)生、節(jié)能等優(yōu)點，具有很大的開采價值，只要合理開發(fā)利用，一般不會對周圍環(huán)境產(chǎn)生不良影響。但若不合理開采，可能會引起海水入侵。此外，地熱流體的直接排放也會對周圍環(huán)境產(chǎn)生一些影響。

4.2.1 海水入侵

本地熱田長年淹沒在海水中，熱儲層主要由燕山三期花崗巖風化裂隙帶、斷層破碎帶等組成，頂板埋深13～30 m，上覆蓋層為淤泥、粘土、粉質粘土等，其厚度較大，地下水補給充足，只要開采合理，一般不會產(chǎn)生大面積海水入侵。但是，地熱資源與所有的地下水資源一樣，雖然是可再生資源，然其補給畢竟有限，若亂開濫采，會導致地下熱水資源枯竭，地下水位大幅下降，使地熱田產(chǎn)生地下水位負壓區(qū)(地下水位高程低于0m的部分)，引起海水大面積入侵。因此，在開采本地熱資源時，必須先進行開發(fā)性的抽水試驗，利用試驗參數(shù)，求取合理的開采降深、單井涌水量及開采井間距離，并嚴格控制其開采量，以免因不合理開采及過量開采引起地熱開采區(qū)大面積海水入侵。

4.2.2 地熱流體的排放對環(huán)境的影響

水樣分析結果表明，區(qū)內地熱流體雖含有一些有害元素或組分，如鉛、氟等，但其含量較低，一般不會對周圍環(huán)境造成污染。但是，廢地熱流體的直接排放，可能會對周圍環(huán)境造成熱污染。因此，在開發(fā)地熱田的過程中，應對排出的廢地熱流體進行冷卻處理，以免對周圍環(huán)境造成污染。

5 結語

本次對中山市虎池圍地熱田的地熱地質綜合勘查，基本上查清了地熱異常的范圍、熱儲層的埋藏分布特點及主要的控熱構造特征，基本上查明了地下熱水的化學成份和特殊礦物成份，并建成了 熱水井(探采結合井)，為進一步勘查、評價及開發(fā)虎池圍地熱資源提供了科學依據(jù)。