靳宝珍 杨永江 李丹 刘斐 高亮
（天津地热勘查开发设计院）
摘要：本文旨在通过对天津地质背景和地温场分布特征的分析，对天津地区浅层地热能特征进行初步探讨，并对今后开展浅层地热能调查和研究提出几点建议，使其得到更为科学合理地开发。
如今成熟的热泵技术使浅层地热能的利用成为了现实，浅层地热能以其储量大、利用方便、对环境危害极小等优点，逐步登上了能源利用的大舞台，现今越来越多的目光转向了这个潜力巨大的能源宝库。这种很有市场前景的新能源，对缓解我国优质能源瓶颈和改善环境质量起到积极的作用。但是目前热泵系统的推广呈现出很大的盲目性，许多项目在没有对当地能储量情况进行充分调查评价的条件下，就匆匆上马，造成了地源热泵系统工作不正常，影响了地源热泵系统的进一步推广与应用。因此对浅层地热能的基础性研究是极具前瞻性的课题。
天津市依山傍海，地下蕴含着丰富的浅层地热能，30多年来地热工作者在地热研究领域进行了大量的勘查及相关研究工作，取得了丰硕的科研成果。但是由于科学技术水平等的限制，以往的地热能开发只侧重于40℃以上的地热水，对浅层地热能的研究几乎是一片空白。如今随着热泵等高新技术的发展，地热能的利用范围得到了很大拓展，潜能巨大的浅层地热能已不再沉睡，相关的利用已在多个示范工程中相继展开，而其基础性调查研究也成为用户及管理部门关注的焦点。
浅层地热能的形成与本区的地质背景是息息相关的，不同地区地层发育和构造特征不同，大地热流亦不相同，因此蕴含的能量也不尽相同。下面从天津地区地质构造特征、地温场特征分析全区浅层地热能的地质背景及特征。
1 地质背景
1.1 构造特征
天津在我国构造体系中，属于Ⅰ级构造单元华北准地台的北部，纵跨两个Ⅱ级构造单元，即燕山台褶带和华北断坳区，其间以宁河-宝坻断裂为界，断裂以北为基岩出露或浅埋区，属Ⅱ级构造单元燕山台褶带中段的次一级（Ⅲ级）构造单元蓟宝隆褶，该区发育的断裂以近东西向为主导。
宁河-宝坻断裂以南为平原区，属于Ⅱ级构造单元华北断坳区的东北部，分布于太行山隆起以东，燕山褶皱带以南，向东延伸于渤海，是中新生代形成的断陷、坳陷盆地，进一步划分自西而东分别为冀中坳陷、沧县隆起和黄骅坳陷三个Ⅲ级构造单元，其间分别以古近系缺失线和沧东断裂为界。断裂可划分为三组：北东－北北东向、北西向和近东西向。北北东向的断裂有沧东断裂、天津断裂、白塘口西断裂、白塘口断裂、白塘口东断裂，北西西向的断裂有海河断裂、汉沽断裂、宁河断裂，近东西向的断裂有王草庄断裂、牛蹄河断裂等。这些断裂活动最强烈的是北北东向断裂。当然，这是就总体相对特征而言，这几组断裂亦存在多期活动和相互切错特征。大部分断裂是继承性断裂，其总体特征为规模大、产状陡、切割深、倾向各异。东西向断裂一般南倾；北东—北北东向断裂大多倾向南东，部分倾向北西；北西向断裂一般倾向南西。这些断层多为正断层，或以正断活动为主，有的切穿了结晶基底和地壳，有的切穿了莫霍面而深达上地幔。这些断裂共同控制着盆地的发展和演化以及其内部的二、三级构造单元。这种隆起与坳陷相间排列及多期断裂的交叉分布构成了天津地质构造格局。
1.2 地层发育概况
天津北部地区主要为山区和基岩浅埋区，新生界地层较薄，一般200m左右；南部平原区由于新生代以来断陷活动强烈，使该区沉积了巨厚的新生界地层，相应的地层发育较全，为一套砂泥互层的碎屑沉积，从上至下分别为第四系、新近系的明化镇组和馆陶组、古近系的东营组和沙河街组及孔店组，冀中坳陷和黄骅坳陷新生界厚度多在3000m以上，而在沧县隆起区新生界厚度1000m左右；新生界之下发育从中生界至中新元古界基岩地层。
2 地温场特征
据多年来地热勘查成果，宁河-宝坻断裂以南新生界地层比较发育，厚度在800m以上，是较为理想的热储盖层，具备储存浅层地热能的条件。在已勘探的4km深度范围内，地壳浅部地温的分布状况受基岩凹凸相间的地质构造格局的控制，在平面上按一定的高低相间的带状特点展布，相对高温区与基岩凸起区一致，相对低温区与基岩凹陷区相对应。本区以地温梯度3.5℃/100m等值线为界，划分出十个地热异常区（图1），地热异常区的展布主要方向为北北东向，部分为北西向，而且大多分布在沧县隆起及拗陷中的凸起区。有些断裂深大断裂如海河断裂、沧东断裂、白塘口西断裂分别对山岭子地热异常区、万家码头地热异常区和王兰庄地热异常区的分布起着重要的控制作用。所以，地温场在平面的展布状态主要受地质构造的影响。
3 天津地区浅层地热能特征概况
宁河-宝坻断裂以北大部分为山区，只有少部分地区为基岩浅埋区，松散的新生界厚大多为100～300m，不利于热量的保持，另外由于受地下水强径流的干扰，使地温明显降低，与平原区正常的地热增温规律有明显的不同，造成了该区地温梯度普遍偏低，约2℃/100m，因此该地区浅层地能储量相对较小。
宁河-宝坻断裂以南的广大平原区，新生界地层在垂直方向上由地表向地下可划分出三个地温带：表层0～30m为变温带，其温度主要受太阳辐射热流、表层岩石和植被、建筑等因素的影响，有昼夜变化、年变化和多年变化周期，温度变幅随深度增加而减小，大约在30m深度为地温恒温带，基本不受气候影响，温度基本稳定在13.5℃左右；恒温带以下为地热增温带，其温度主要受地球深部热流、岩石热导率、地质构造、水文地质等因素的影响，总的规律是随着深度的增加地温亦增加，增加的幅度随着地温增温率的不同而有所差异。
图1 天津市地热异常区分布图
由地温场分布特征可以看出，宁河-宝坻断裂以南广大平原区储存有大量的浅层地热能，由于不同地区大地热流的分布不同，同等深度范围内其地热能储量和可再生的能量也不尽相同，在同等能量的需求中，在地热异常区的采集深度较浅，反之则相对较深。据统计全区地温梯度在2～6.31℃/100m，25℃地温埋深为168～605m，40℃地温埋深为349～1355m，参照区域上的热物理参数进行粗略估算，13.5～25℃地层蕴藏的热量约为3.6×1016kJ，折合标准煤1.23×109t标准煤，折合电能1.0×1013kW·h。当周期性地从恒温层及其以下浅层地层中提取能量时（冬季提取热量，夏季提取冷量），地温也会周期性的提供该种能量。
浅层地热能虽然储量巨大、可再生，但对于不同地域不同的水文地质条件，其开发利用还是要有选择的，采集的规模多大，用何种方式，开采能量不能过度，当这种提取超过一定的额度，地温也会像弹簧一样，发生不可恢复的“形变”，不仅影响经济性、安全性，还会造成地下水文地质条件的破坏。
综上所述，本区储存了十分丰富的浅层地热能，它作为一种清洁的低品位可再生能源，不仅地热能量是常年稳定的、天然的、可重复利用的，而且其潜能巨大，具有极大的环保性能，是不应被忽视的新能源。只要采集能量设计合理、工艺手段恰当，热泵系统的能量平衡是相对稳定的，开发利用浅层地热能有着广阔的前景。
4 浅层地热能调查评价工作过程中的几点建议
4.1 围绕查明浅层地热能特征及评价浅层地热能储量所需参数进行调查
由于天津地区蕴含浅层地能的层位不是以往地热工作的重点，所以缺乏第四系甚至明化镇组上段的资料，包括没有岩土密度、岩土比热、流体密度、平均比热容、岩土的孔隙度及其它热物理参数的准确数据，同时在地热井的物探测试工作中，对于500m以浅的层，基本没有进行过物探测井，对其岩性没有系统的资料可以利用，因此调查工作的布置应围绕查明浅层地热能特征及评价浅层地热能储量所需参数进行。需要的主要数据及参数为：地层岩性及分布范围、埋藏深度、垂向地温梯度的变化、岩土密度及比热容，岩土的孔隙度等。
4.2 全面收集全区基础性地质资料
在地温调查及相关研究工作中，收集资料是一个不容忽视的基础性工作，它对了解本区研究程度及工作布置起着至关重要的作用。主要是全面收集全区基础地质、构造地质、钻探（包括石油井、地热井及部分第四系井）、物探（包括数字地震、大地电磁测深、高精度重力、航磁）、化探、水文和地热勘查资料，并进行综合分析和整理，了解工作区工作程度及存在的问题，针对需要解决的问题布置工作量，避免重复工作。因为以往工作重点是深层地热井，而对第四系井及明化镇组上段顶部的资料不太关注，因此这方面资料的收集是一个重点，以分析本区地质构造特征及地层（尤其是13.5～40℃之间的地层岩性、分布、产状、埋深、厚度等）情况。
4.3 开展野外浅层地热能地质调查
野外调查是地质调查的主要手段，也是地温场调查的基础，因此该项目是调查工作必要的一个环节，通过对全区已有井孔的分布、取水段、取水层温度、浅层地热能利用现状及地能开采量进行调查，能更好地了解区内可利用工作现状，为各项工作的布置提供依据。
4.4 地球物理勘查
（1）现有物探成果的二次解译。利用人工地震、重磁及钻孔的物探测井等资料，分析区内地层发育情况，所处构造位置及断裂发育特征，查明断裂的活动性及其时代，以确定其对浅层地温的影响。在浅层地能的调查研究工作中，与以往工作不同的是物探工作侧重浅部，应首先结合近年来资料及其它工作对已有物探资料，尤其是重磁资料进行二次开发，然后在必要的地区布置适量的物探工作。
（2）大地热流值、地温场调查。在浅层地能的调查研究工作中，最为关键的参数之一是大地热流值，主要通过井孔温度测量等方法查明区内地温的空间变化规律，测量不同地层的地温梯度，同时采集相应层段的岩样，测定岩石的热导率。
5 钻探工作
在浅层地能调查研究工作中，如何取得比较合理的参数是解决问题的关键，而获得参数的方法可以利用已有钻孔，但有些是已有条件不能满足的，有的地区甚至是空白，比如垂向地温梯度及地层的热物理参数等资料严重缺乏，因此一般需要布置必要的钻探工作，钻探尽量与当地利用规划和需求相结合，钻孔应布置在有代表性的位置，据沉积物沉积环境的不同，从北到南，从西到东进行布置，目的是查明地层岩性、结构、构造、地温变化、热储渗透率、地热流体压力及其物理性质、化学组成，取得代表性的计算参数。
6 建立浅层地热能综合利用示范基地
浅层地热能调查工作中后期，有了阶段性成果后，为了促进成果社会化，应结合调查工作筹建浅层地热能综合利用的示范基地，设计供暖制冷面积，进行地点的选择、设备的购置安装与调试、运行情况的跟踪评价，最后提交综合调查研究评价报告，为热泵技术在本区的适用性提供范例。
如今能源已成为经济发展的“指南针”，天津地区浅层地热能丰富，对其进行调查研究与开发是当务之急，它必将为天津市可持续发展及环境保护作出积极贡献。