胡彩萍， 張景燕，郝夢(mèng)圓，胡艷珍

(1.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250014；2.東營(yíng)市國(guó)土資源局河口分局，山東 東營(yíng) 257100；3.東營(yíng)市國(guó)土資源局東營(yíng)分局，山東 東營(yíng) 257000)

黃河三角洲生態(tài)區(qū)孔隙熱儲(chǔ)地?zé)衢_(kāi)發(fā)對(duì)地面沉降的影響分析

胡彩萍1， 張景燕2，郝夢(mèng)圓1，胡艷珍3

(1.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250014；2.東營(yíng)市國(guó)土資源局河口分局，山東 東營(yíng) 257100；3.東營(yíng)市國(guó)土資源局東營(yíng)分局，山東 東營(yíng) 257000)

黃河三角洲地區(qū)地?zé)豳Y源豐富，熱儲(chǔ)類(lèi)型以孔隙熱儲(chǔ)為主，開(kāi)采潛力巨大。同時(shí)黃河三角洲地區(qū)由于成巖差、土層新，地?zé)衢_(kāi)發(fā)引發(fā)的地面沉降問(wèn)題逐漸引起人們的重視。研究表明：現(xiàn)狀條件下，黃河三角洲地區(qū)地面沉降以地層(土體)自然固結(jié)與地面建筑物載荷有關(guān)，地?zé)衢_(kāi)發(fā)對(duì)地面沉降影響微小，南部的廣饒地區(qū)過(guò)量開(kāi)采地下水是引起地面沉降的主要原因。

地?zé)衢_(kāi)發(fā);地面沉降;影響分析；黃河三角洲

黃河三角洲地區(qū)地?zé)豳Y源豐富，已廣泛用于供暖、溫泉洗浴、理療、保溫育苗、溫室栽培等領(lǐng)域。2009年11月23日，國(guó)務(wù)院正式批復(fù)《黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃》；2011年 1月 4日，國(guó)務(wù)院又批復(fù)了《山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃》，黃河三角洲的開(kāi)發(fā)建設(shè)已列入國(guó)家戰(zhàn)略。黃河三角洲地區(qū)地?zé)豳Y源豐富，熱儲(chǔ)類(lèi)型以孔隙熱儲(chǔ)為主，開(kāi)采潛力巨大。在大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用地?zé)豳Y源的同時(shí)還應(yīng)該清醒地看到，開(kāi)采地?zé)嵋矔?huì)帶來(lái)一些環(huán)境問(wèn)題，諸如地面沉降等，應(yīng)引起高度重視。

1 黃河三角洲地區(qū)地?zé)岬孛娉两惮F(xiàn)狀

據(jù)黃河三角洲地區(qū)東營(yíng)市1985—2015年地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[1]，累計(jì)地面沉降量在247～397mm，形成2個(gè)沉降中心。以東營(yíng)中心城區(qū)為沉降中心，中心沉降速度達(dá)36.5mm/a，平均沉降速度22mm/a，外圍沉降速度較小，呈明顯的漏斗狀(圖1)。黃河三角洲南部的廣饒東部、大王鎮(zhèn)一帶，地面沉降量大于30mm/a，是區(qū)內(nèi)地面沉降最嚴(yán)重的地區(qū)，其他地區(qū)地面沉降量在1～20mm/a之間。

2 黃河三角洲地面沉降原因分析

黃河三角洲地區(qū)為近代沉積，成巖差、土層新，地面沉降原因極為復(fù)雜，可歸結(jié)為自然和人為因素2種。自然因素包括構(gòu)造、土體自然固結(jié)與軟弱土層自然沉降，人為因素包括建筑物負(fù)荷、開(kāi)采地下水和油氣等。

2.1區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)

黃河三角洲處于郯廬斷裂、河北平原斷裂和燕山渤海斷裂帶三者中間地帶，地質(zhì)構(gòu)造上為濟(jì)陽(yáng)坳陷的東營(yíng)凹陷區(qū)，受區(qū)域差異性構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，近10Ma以來(lái)，沉積了數(shù)千米的新生代松散沉積地層，地面一直處于緩慢下沉狀態(tài)。根據(jù)華北平原天津地區(qū)的研究，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的沉降量很小，每年約1.7mm[2]，在這里可忽略不計(jì)。

圖1 東營(yíng)市南北向地面沉降發(fā)展過(guò)程圖

2.2地層(土體)自然固結(jié)

地層在漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期經(jīng)受各種構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及人為因素的綜合作用，逐漸壓密固結(jié)。地層在地質(zhì)歷史上所承受的最大垂直有效應(yīng)力稱(chēng)為地層的前期固結(jié)壓力，根據(jù)地層前期固結(jié)壓力Pc與地層自重壓力Po的關(guān)系，可將地層分為欠固結(jié)、正常固結(jié)及超固結(jié)3種固結(jié)狀態(tài)：欠固結(jié)地層Pc/Po<1；正常固結(jié)地層Pc/Po≈1；超固結(jié)地層Pc/Po>1。地層的固結(jié)狀態(tài)不同，對(duì)地面沉降的影響不同。欠固結(jié)地層，在自重壓力作用下，仍將排水固結(jié)，產(chǎn)生壓密變形，這種地層即使不抽水，仍要引起一定量的地面沉降；正常固結(jié)地層，地層內(nèi)應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生地面沉降，但如果抽水引起水位下降，則破壞了地層內(nèi)的應(yīng)力平衡，地層內(nèi)孔隙水壓力降低，有效應(yīng)力增加，將出現(xiàn)壓縮變形，引起地面沉降；超固結(jié)地層是存在臨界水位值的，抽水引起的水位下降值只要不超過(guò)臨界水位值，就不會(huì)引起明顯的地面沉降[3-9]。研究區(qū)地處黃河三角洲沖積平原，根據(jù)土工試驗(yàn)資料分析，埋深0～60m為新沉積地層，屬欠固結(jié)；埋深60～450m為第四紀(jì)更新統(tǒng)地層，屬于正常固結(jié)；埋深450～2200m的明化鎮(zhèn)組地層和館陶組地層，均屬于超固結(jié)地層。淺部埋深0～60m為新沉積地層，沉積時(shí)間短，結(jié)構(gòu)松散，固結(jié)程度差，并有淤泥軟土層分布，在土層自重和上覆地層重力作用下產(chǎn)生固結(jié)，引起地面沉降。

2.3地面建筑物載荷

受黃河三角洲尾閭擺動(dòng)影響，區(qū)內(nèi)地層沉積時(shí)間短、成巖差、土層厚，并有大面積的巨厚高壓縮性淤泥質(zhì)土和軟土的存在。黃河三角洲上的中心城市東營(yíng)市，1983年建市，到現(xiàn)在30多年，從最初的荒涼地帶發(fā)展成為現(xiàn)代化的都市。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，大規(guī)模城市群的建設(shè)，地面上建筑物與日俱增。據(jù)初步測(cè)算，東營(yíng)城區(qū)建筑載荷為800～1000萬(wàn)t/km2，其主要建筑材料鋼筋、水泥、砂子、磚瓦均來(lái)自區(qū)外。大面積的建筑載荷堆載在30年的時(shí)間內(nèi)形成，在巨大而持續(xù)的堆載荷重的作用下，欠固結(jié)土產(chǎn)生一維壓縮固結(jié)變形，形成區(qū)域性的地面沉降。

2.4地下流體抽取活動(dòng)

黃河三角洲地區(qū)油氣資源豐富，自20世紀(jì)60年代開(kāi)采以來(lái)，持續(xù)高產(chǎn)，成為全國(guó)第二大油田，區(qū)內(nèi)油氣資源的開(kāi)采歷史較長(zhǎng)，儲(chǔ)油層的壓力下降較大，從而導(dǎo)致了儲(chǔ)油層本身的壓縮及其上部粘性土層的下沉，產(chǎn)生了地面沉降?，F(xiàn)階段勝利油田的開(kāi)采大多采用注水開(kāi)采，油田的開(kāi)采活動(dòng)對(duì)油區(qū)地面沉降有一定影響。

黃河三角洲南部的廣饒地區(qū)廣泛開(kāi)采地下水，在淺層、中深層—深層含水層產(chǎn)生了較大的地下水降落漏斗；這些降落漏斗誘發(fā)了區(qū)內(nèi)地面沉降，廣饒東部地面沉降區(qū)與地下水開(kāi)采漏斗的形狀基本一致，證明大量抽取地下水是該區(qū)產(chǎn)生地面沉降的主要影響因素。

3 地?zé)衢_(kāi)發(fā)對(duì)地面沉降影響分析

3.1黃河三角洲地區(qū)地?zé)豳Y源概況

黃河三角洲是山東省地?zé)豳Y源最豐富的地區(qū)，適宜開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)型熱儲(chǔ)埋深在2000m以淺，熱儲(chǔ)類(lèi)型分為層狀孔隙—裂隙型和巖溶裂隙型。前者包括新近紀(jì)館陶組、古近紀(jì)東營(yíng)組與沙河街組,后者主要指寒武—奧陶系。

新近紀(jì)館陶組熱儲(chǔ)分布于廣饒縣花官、王道、廣饒縣鹽務(wù)局一線以北，面積約5600km2，陳家莊凸起中部鹽窩鎮(zhèn)一帶小面積(約55km2)缺失。熱儲(chǔ)頂板埋深600～1250m，厚度200～650m，砂層厚度一般為80～240m。熱儲(chǔ)層巖性為礫狀砂巖、細(xì)砂巖、細(xì)砂巖與泥巖互層，底部為礫狀砂巖、砂礫巖。砂礫石層成巖性差，疏松狀，孔隙率25%～35%，具有良好的儲(chǔ)水空間。單井出水量60～80m3/h，井口水溫52～85℃。

古近紀(jì)東營(yíng)組熱儲(chǔ)主要分布在東營(yíng)凹陷與沾化凹陷范圍內(nèi)，面積約3495km2。熱儲(chǔ)頂板埋深一般為1200～1700m，厚度一般為200～500m。東營(yíng)組是砂巖與泥巖交互沉積，其中上部是以砂巖為主，中部為泥巖、細(xì)礫巖為主，下部為細(xì)礫巖、細(xì)砂巖及泥巖。砂礫巖較松散，孔隙率較大，平均30%左右，具有良好的儲(chǔ)水空間。單井出水量60～80m3/h，井口水溫60～90℃。

古近紀(jì)沙河街組由于富含油氣資源，以往以油氣層為勘查重點(diǎn)，對(duì)地?zé)豳Y源研究程度相對(duì)較低。主要分布在廣饒東部、廣利港口一帶，初步估算面積約845km2。熱儲(chǔ)巖性為含礫中砂巖、砂泥質(zhì)膠結(jié)礫巖、泥巖互層。主要富水層位為沙二段及沙三段，其中廣饒縣城附近主要熱儲(chǔ)層為沙三段，孔隙率28%左右，井深一般在1200m左右，單井出水量30m3/h，井口水溫48℃。廣利港口附近，主要熱儲(chǔ)為沙二段，孔隙率在30%左右，井深一般在1800～2000m，單井出水量90m3/h，井口水溫66℃。

寒武-奧陶紀(jì)熱儲(chǔ)零星分布在太平鄉(xiāng)西部、孤島鎮(zhèn)、埕子口、鹽窩、西宋、黃河口、大碼頭等地質(zhì)構(gòu)造凸起部位，面積約460km2。熱儲(chǔ)巖性以純灰?guī)r為主，其次為鮞狀灰?guī)r、豹皮灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r。孤島鎮(zhèn)奧陶紀(jì)灰?guī)r熱儲(chǔ)地?zé)峋?，井口水?0～90℃，單井涌水量較小，一般16～20m3/h。

地?zé)豳Y源具有分布范圍廣，儲(chǔ)量大，埋藏淺，易開(kāi)采等特點(diǎn)，是繼油氣資源的第二大能源礦產(chǎn)。近幾年來(lái)，相繼發(fā)現(xiàn)并圈定地?zé)崽?個(gè)，初步估算可利用地?zé)豳Y源量為82.52×1018J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤28.09億t，地下熱水可采資源量6.1億m3/a。地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)80年代，21世紀(jì)初進(jìn)入快速開(kāi)發(fā)階段?，F(xiàn)有地?zé)衢_(kāi)采井55口，開(kāi)采量660萬(wàn)m3/a，占可采量的1.1%，開(kāi)采潛力巨大。主要用于供暖、洗浴，少數(shù)用于理療、高效農(nóng)業(yè)種植與海參、黃河口大閘蟹育苗等，展現(xiàn)出廣闊的開(kāi)發(fā)前景[10-12]。

3.2地?zé)衢_(kāi)發(fā)對(duì)地面沉降影響

黃河三角洲地區(qū)地面沉降以地層(土體)自然固結(jié)與地面建筑物載荷有關(guān)；南部的廣饒地區(qū)過(guò)量開(kāi)采地下水是引起地面沉降的主要原因。地?zé)衢_(kāi)發(fā)對(duì)地面沉降影響微小。主要理由如下：

(1) 地?zé)崴_(kāi)采量較小，熱水水頭埋深淺，不具備發(fā)生地面沉降的地質(zhì)條件。黃河三角洲地區(qū)中心區(qū)域的東營(yíng)中心城區(qū)723km2范圍內(nèi)，分布有地?zé)峋?5口，主要開(kāi)采層位為館陶組和東營(yíng)組熱儲(chǔ)，地?zé)峋∷我话阍?300m以下，地?zé)崴_(kāi)采量不足200萬(wàn)m3/a，開(kāi)采總量較小。根據(jù)近年的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)表明，地下水熱水水頭埋深在30～35m，水位動(dòng)態(tài)較為穩(wěn)定。東營(yíng)中心城區(qū)地質(zhì)條件與天津地區(qū)相類(lèi)似，根據(jù)天津地區(qū)深層地下水水位與地面沉降關(guān)系研究，天津地區(qū)第Ⅲ含水層(埋深180～300m)的地面沉降臨界水位為60m[3]， 第Ⅳ含水層(底板埋深370～430m)的地面沉降臨界水位為72.68m[4]。也就是說(shuō)，在地?zé)崴_(kāi)采過(guò)程中，當(dāng)水位下降未超過(guò)地層的臨界水位值時(shí)不會(huì)產(chǎn)生地面沉降，且黃河三角洲地?zé)崧癫卦?300m以下，地層屬超固結(jié)狀態(tài)。因此，區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)層壓力較大，固體顆粒介質(zhì)間隙未被壓密，不具備發(fā)生地面沉降的地質(zhì)條件。當(dāng)?shù)責(zé)岽笠?guī)模開(kāi)發(fā)利用，地?zé)崴^降至埋深70m以下時(shí)，可啟動(dòng)地?zé)峄毓啵{(diào)控地?zé)崴^，減少對(duì)地面沉降的影響。

(2)地?zé)衢_(kāi)采與沉降中心分布不一致。東營(yíng)中心城區(qū)地面沉降量大小呈面狀、條帶狀分布特征，沉降中心集中在西城與東城中心城區(qū)，與城市建設(shè)布局分布相一致，而與地?zé)嵘a(chǎn)井分布無(wú)相關(guān)關(guān)系(圖2)。位于黃河口地區(qū)的孤島鎮(zhèn)，集中分布7口地?zé)峋参匆?jiàn)明顯地面沉降。

1—地?zé)峋?2—地下水位標(biāo)高等值線(m);3—沉降量等值線(m)

(3)黃河三角洲南部的廣饒地區(qū)地?zé)豳Y源不豐富。區(qū)內(nèi)城市供水水源以地下水為主，形成以廣饒城區(qū)、大王鎮(zhèn)為中心的地下水超采漏斗，并以2～3m/a的降速持續(xù)下降，2012年漏斗中心水位埋深達(dá)90m。位于漏斗中心的廣饒氣象站2009—2012年地面沉降監(jiān)測(cè)資料，年沉降量73.1mm/a，地面沉降范圍與地下水開(kāi)采漏斗分布基本一致，說(shuō)明地面沉降與地下水開(kāi)采有關(guān)。地面沉降伴隨地下水開(kāi)采而發(fā)生，隨地下水開(kāi)采量的增加而發(fā)展擴(kuò)大。

4 結(jié)論

(1)黃河三角洲地面沉降原因極為復(fù)雜，可歸結(jié)為自然和人為因素2種。地面沉降以地層(土體)自然固結(jié)與地面建筑物載荷是主要因素?，F(xiàn)狀條件下，地?zé)崴宦癫販\，且開(kāi)采量較小，熱儲(chǔ)層壓力較大，地?zé)崴^下降未超過(guò)地層的臨界水位值，地?zé)衢_(kāi)發(fā)對(duì)地面沉降影響微小。

(2)黃河三角洲南部的廣饒地區(qū)地下水開(kāi)采與地面沉降之間存在因果關(guān)系，過(guò)量開(kāi)采地下水是引起地面沉降的主要原因。

[1] 王小剛.東營(yíng)市城區(qū)地面沉降影響因素[J].山東國(guó)土資源，2006,22(5):50-53.

[2] 劉桂儀，王峰.黃河三角洲地區(qū)地?zé)豳Y源與規(guī)劃研究[A]//地?zé)崮艿膽?zhàn)略開(kāi)發(fā)-2009年國(guó)際地?zé)釁f(xié)會(huì)西太平洋分會(huì)地?zé)嵫杏憰?huì)論文集[C].北京：地質(zhì)出版社，2009:55-60.

[3] 李蓮花.張建斌.地?zé)崴Y源開(kāi)發(fā)引起的環(huán)境問(wèn)題分析[J].地下水，2004,(3):194-195.

[4] 趙慧，冉興龍，李淵.根據(jù)地面沉降與地下水頭的關(guān)系求地面沉降臨界水位[J].勘查科學(xué)技術(shù)，2005,(2):19-23.

[5] 譚晉鈺，黃海軍，劉艷霞.黃河三角洲沉積物壓實(shí)固結(jié)及其地面沉降貢獻(xiàn)估算[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，2014,34(5):33-38.

[6] 別君，黃海軍，樊輝，等.現(xiàn)代黃河三角洲地面沉降及其原因分析[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，2006,26(4):33-39.

[7] 宋波，王德生，王錦麗.東營(yíng)地面沉降監(jiān)測(cè)[J].地礦測(cè)繪，2004,20(1):34-36.

[8] 師長(zhǎng)興，龍聯(lián)元，李炳元，等.黃河三角洲沉積物的自然固結(jié)壓實(shí)過(guò)程及其影響[J].地理科學(xué)，2003,23(2):175-181.

[9] 李蓮花，張建斌.地?zé)崴Y源開(kāi)發(fā)引起的環(huán)境問(wèn)題分析[J].地下水，2004,26(1):194-195.

[10] 李曉華，馬馳.地?zé)崴Y源開(kāi)發(fā)引起的環(huán)境問(wèn)題分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009,37(18):8675-8677.

[11] 徐麗雯，黃海軍，劉艷霞，等.黃河三角洲地區(qū)人工建筑對(duì)地面沉降的影響研究[J].海岸工程，2015,34(3):33-42.

[12] 張金芝，黃海軍，劉艷霞，等.基于PSInSAR技術(shù)的現(xiàn)代黃河三角洲地面沉降監(jiān)測(cè)與分析[J].地理科學(xué)，2013,33(7):831-836.

[13] 劉桂衛(wèi)，黃海軍，杜廷芹，等.黃河三角洲地面沉降驅(qū)動(dòng)因素研究[J].海洋科學(xué)，2011,35(8):43-50.

[14] 顏景生.山東省地面沉降防治研究工作進(jìn)展及典型區(qū)地面沉降規(guī)律分析[J].中國(guó)人口·資源與環(huán)境，2014,24(11)：194-198.

Impact Analysis of Geothermal Development on Land Subsidence in the Yellow River Delta

HU Caiping1,ZHANG Jingyan2,HAO Mengyuan1,HU Yanzhen3

(1. No.1 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources, Shandong Jinan 250014, China, 2. Hekou Branch Bureau of Dongying Bureau of land and Resources, Shandong Dongying 257100, China; 3.Dongying Branch Bureau of Dongying Bureau of Land Resources Bureau, Shandong Dongying 257000, China)

Rich geothermal resources are hosted in the Yellow River Delta. The main type of thermal reservoir is pore heat storage. It has great potential for exploitation. At the same time, due to the poor formation and new soil layer in the Yellow River Delta, the problem of land subsidence caused by geothermal development has been paid more and more attention. The researches suggest that: The land subsidence in the Yellow River delta is related to the consolidation of the ground (soil) and the load of the building on the ground. And the development of geothermal resources has little effect on land subsidence. While the main cause of land subsidence is excessive exploitation of groundwater in the south of Guangrao.

Geothermal development; land subsidence; impact analysis; Yellow River Delta

2016-07-21；

2016-09-17；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

胡彩萍(1976—)，女，山東萊西人，高級(jí)工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作；E-mail:caipinghu126@126.com

P642.26

B

胡彩萍,張景燕, 郝夢(mèng)圓，等.黃河三角洲生態(tài)區(qū)孔隙熱儲(chǔ)地?zé)衢_(kāi)發(fā)對(duì)地面沉降的影響分析[J].山東國(guó)土資源，2017,33(2)：39-42.HU Caiping,ZHANG Jingyan,HAO Mengyuan, etc. Impact Analysis of Geothermal Development on Land Subsidence in the Yellow River Delta[J].Shandong Land and Resources, 2017,33(2)：39-42.