西安市地热水开采的现状及其环境问题

作者简介：王卫东(1967-)，男，陕西宝鸡人，副研究员，博士，主要从事地球物理和水文地质与工程地质研究。基金项目：国家863计划课题（2002AA615050），中国地质调查局项目（1212010440410）1西安市地热水开采现状及其环境问题王卫东彭建兵张永志刘国华邵广周（长安大学地质工程与测绘工程学院,陕西西安710054）摘要:通过对西安地区地热井水位、地面沉降和地裂缝活动、地震活动等资料的分析得到:西安市区地面沉降和地裂缝活动与地下热水开采有一定的联系；西安地区地下热水的开采与西安及邻区的地震活动明显相关，造成西安及邻区的地震活动性显著增强，在空间分布上表现为地震由西安城郊向邻近地区的转移。关键词:地热水开采；地面沉降；地裂缝；地震活动性1西安地区地热开采现状西安地区位于渭河盆地东部，新生界沉积厚度为7000m，构成了良好的地热地质条件。热流体为单相热水，水温一般在40～85℃，为中低温热水型地热区，受区域构造控制，是以传导方式为主的地热系统[1]。该区具有良好的地温场背景，大地热流平均值为7.88×10-2w/m2，高于全球(6.11×10-2w/m2)大地热流平均值。在1000m深处地温一般为52℃左右，2000m深处一般在83℃左右，地温梯度一般为0.03～0.035℃/m，埋深超过2000m时，地温梯度明显增高，达0.035～0.05℃/m,最高可达0.086℃/m。据预测[2]，在西安及其周围1300km2范围内，埋深在1000～3000m间的可采热能资源达1.737×1019J，相当于5.928×108t标准煤，可采热水达9.23×108m3。西安地区的地热勘探始于1973年，深2000m的03号井（西影井）是西安地区的第一眼热水井，该井有自1974年以来完整的水位自动记录。到1989作者简介：王卫东(1967-)，男，陕西宝鸡人，副研究员，博士，主要从事地球物理和水文地质与工程地质研究。基金项目：国家863计划课题（2002AA615050），中国地质调查局项目（1212010440410）2年，西安地区千米以上的深井有3眼，但均未开采。1993年有井10眼，至2000年12月，已有热水深井120眼，年开采热水已超过500×104m3。目前,仍以每年5～10眼的速度增加。从图1可见,1990年以前，西影井水位基本上在接近地表的位置波动着。在此之后，水位波动地下降。可以看出，西安地区的热水井开发始于1990年，1994年以后开采的速度明显加快了。图1西影井水位年均值曲线西安地区的热水井分布在西安城郊区、咸阳市区、长安区和临潼区。其中，以西安城郊区最多。城郊区热水开采量已超过300×104m3，占全地区采水量的60％左右。热水井的深度多在1200～4000m，开采800～1500m（第二热储层）、1250～2500m（第三热储层）和1900～2850m（第四热储层）等三个层位的热水，特别是水量丰富、水温较高的第三热储层中的热水。最深的井在西安城区，开采深度在3000～4000m。热水井的水温多在52～113℃。不同热储层中取水的井位年下降速率不同。第四热储层中的井位下降速率最大，可达46.53m/a，第三热储层一般在16.64～27.14m/a，第二热储层一般在3.74～13.58m/a，即越往深处取水的井位下降速率越快。2地热水开采与地面沉降、地裂缝和地震活动的关系分析一般资料认为,单井开采地热水,不会对地面沉降、地裂缝产生直接影响；但有的学者认为,从任何热储层中进行长期开采几乎都可能导致可以检知的地面沉降和地面变形[3]。西安地区各开采单位虽然多数以单井形式开采地热水，作者简介：王卫东(1967-)，男，陕西宝鸡人，副研究员，博士，主要从事地球物理和水文地质与工程地质研究。基金项目：国家863计划课题（2002AA615050），中国地质调查局项目（1212010440410）3但在整个城郊范围，尤其是南郊，已形成一定的开采井网密度，且大多数处在同一开采层段，井间具有一定的连通性。长期过量开采,很可能会导致深部岩层压力下降，原先饱和状态下对上部或上覆岩层的顶托作用(力)减弱，使地层压缩、致密而造成或加剧地面沉降。到2000年底，多年的地热开采，已使西安地区形成以四医大、测绘学院和西光厂为中心的水位降落漏斗，最大水位下降幅度达94.56m；而这些地区也是西安市地面沉降幅度大、地裂缝活动显著的地区。另据有关资料，1973～1985年间，天津市由于大量开发第三系和第四系地下热水，引起地面沉降总量平均为43mm/a，其中由于第三系热水的开采引起的沉降量为7.8mm/a，从而引发了地裂缝活动。我们利用陕西省地震台网记录的地震资料，取西安及其邻近地区（33.8º～34.7ºN，108.5º～109.5ºE）研究了1976年以来该区域的地震活动性。图2为研究区的地震频次图。由图可见，1990年之后，每年的地震次数比1990年之前明显增多，1990年之后的地震年平均频次大约是1990年之前的2倍，而全省（或渭河盆地）的地震活动性在上述两个时段并没有明显的变化，但西安地下热水的开采恰好开始于1990年，表现出地震活动与地下热水开采的一致性，说明西安地区的地热水开采引起了西安附近地区地震活动性的增强。图2研究区地震频次图根据构造物理实验研究，在地下热水的作用下，沿断裂面的岩石产生泥化、水化和溶蚀作用，将使岩石的抗压强度和断层摩擦力显著降低；深部流体的孔隙压力较大，还可使断面上的有效正压力降低。地下应力将向无流体活动的周作者简介：王卫东(1967-)，男，陕西宝鸡人，副研究员，博士，主要从事地球物理和水文地质与工程地质研究。基金项目：国家863计划课题（2002AA615050），中国地质调查局项目（1212010440410）4围地区集中[4]，因而地震的空间分布将由地下热水开采区沿断裂向无流体活动的地区转移。西安城郊在1976～1989年间发生过草滩3.5级等10余次地震，但在1990年后再无地震发生，而周围临潼和周至、户县等地的地震活动则明显增强，与上述理论相符合。3讨论通过上述分析可知，西安市区地面沉降和地裂缝活动与10余年来西安市地下热水开采有一定的联系；西安地区地下热水的开采与西安及邻区的地震活动明显相关，造成西安及邻区的地震活动性显著增强，在空间分布上表现为地震由西安城郊向邻近地区的转移。参考文献：[1]惠泱河.西安市的水资源问题[J].西北大学学报(自然科学版),1998,28(4):335～338.[2]吴富春，宋立胜，王锋等.西安市地热水开采的现状分析[J].水文地质工程地质，2002.（1）72～74.[3]RybachL,MufflerLJP.地热系统——原理和典型地热系统分析[M].北京大学地质系地热研究室译.北京:地质出版社,1986.156～157.[4]宋贯一,易立新,宋晓冰.地下热水对断裂活动与地震活动的影响研究[J].地震学报,2000,22（6）：632～636.PresentsituationofgeothermalwaterexploitationinXi’ancityanditsenvironmentproblems作者简介：王卫东(1967-)，男，陕西宝鸡人，副研究员，博士，主要从事地球物理和水文地质与工程地质研究。基金项目：国家863计划课题（2002AA615050），中国地质调查局项目（1212010440410）5WangWei-dong,PengJian-bing,ZhangYong-zhi,LiuGuo-hua,ShaoGuang-zhou(SchoolofGeologicalEngineeringandSurveyingEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an710054，China)Abstract:Basedonthedataanalysesofthewaterlevelofhotwaterwell,thegroundsubsidenceandtheactivityofgroundfissuresinXi’anarea,andseismicactivityinXi’ananditsneighboringarea,wegettheresultsthatthegroundsubsidenceandtheactivityofgroundfissureshavesomerelationshipwiththegeothermalwaterexploitation；thegeothermalwaterexploitationinXi’anisobviouslyrelatedtotheseismicactivityinXi’ananditsneighboringarea，anditintensifiestheseismicactivityinXi’ananditsneighboringarea,thedistributionofearthquakeepicentersmigratesfromthecityofXi’ancitytoitsadjacentareas.Keywords：geothermalwaterexploitation；groundsubsidence；groundfissure;；seismicactivity联系人：王卫东通信地址：西安市长安大学雁塔校区地测学院地球探测与信息工程系邮政编码：710054联系电话：[phone]E-mail：[e-mail]作者简介：王卫东(1967-)，男，陕西宝鸡人，副研究员，博士，主要从事地球物理和水文地质与工程地质研究。基金项目：国家863计划课题（2002AA615050），中国地质调查局项目（1212010440410）6图1西影井水位年均值曲线作者简介：王卫东(1967-)，男，陕西宝鸡人，副研究员，博士，主要从事地球物理和水文地质与工程地质研究。基金项目：国家863计划课题（2002AA615050），中国地质调查局项目（1212010440410）7图2研究区地震频次图