天津浅层地热能研究
(天津地热勘探开发设计院)
本文在分析天津地热田地质背景和分布特征的基础上，对天津浅层地热能的特点进行了初步探讨，并对今后浅层地热能的调查研究提出了建议，以便更科学合理地开发。
如今，成熟的热泵技术使得浅层地热能的利用成为现实。浅层地热能以其储量大、利用方便、对环境危害小等优点，逐渐进入能源利用阶段。如今，越来越多的目光转向了这个潜力巨大的能源宝库。这种极具市场前景的新能源对缓解我国优质能源瓶颈、改善环境质量起到积极作用。然而，目前热泵系统的推广非常盲目，很多项目在没有充分调查和评估当地能源储备的情况下就匆忙上马，导致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和应用。因此，浅层地热能的基础研究是一个非常具有前瞻性的课题。
天津依山傍海，地下蕴藏丰富的浅层地热能。30多年来，地热工作者在地热研究领域开展了大量的探索和相关研究工作，取得了丰硕的科研成果。但由于科技水平的限制，以往的地热能开发只集中在40℃以上的地热水，对浅层地热能的研究几乎是空白。如今，随着热泵等高新技术的发展，地热能的利用范围大大扩大，潜力巨大的浅层地热能不再沉睡。相关利用已在多个示范项目中陆续开展，其基础调查研究也成为用户和管理部门关注的焦点。
浅层地热能的形成与该地区的地质背景密切相关。不同地区的地层发育和构造特征不一样，地热流也不一样，所以蕴含的能量也不一样。从地质构造和地温场特征分析了天津浅层地热能的地质背景和特征。
1的地质背景
1.1的结构特征
在中国大地构造体系中，天津属于华北准地台北部，一级构造单元，横跨燕山地台褶皱带和华北断陷区两个二级构造单元，两者之间以宁河-宝坻断裂为界，断裂以北为基岩出露或浅埋区，属于燕山地台褶皱带中段的二级构造单元吉宝龙褶皱。本区发育的断层以近东西向为主。
宁河-宝坻断裂以南为平原区，属华北断陷区东北部，二级构造单元。分布于太行山隆起带以东，燕山褶皱带以南，向东延伸至渤海。是中、新生代形成的断陷和坳陷盆地，自西向东进一步划分为冀中坳陷、沧县隆起和黄骅坳陷三个三级构造单元，分别以古近系缺失线和沧东断裂为界。断层可分为三组:NE-NE向、NW向和近EW向。北北东向断裂包括沧东断裂、天津断裂、白塘口西断裂、白塘口断裂和白塘口东断裂，北西向断裂包括海河断裂、汉沽断裂和宁河断裂，东西向断裂包括王曹庄断裂和牛蹄河断裂。这些断层中活动性最强的是NE向断层。当然，就整体相对特征而言，这几组断层也具有多期活动和相互剪切的特点。断层多为继承性断层，一般特点是规模大、产状陡、切割深、倾向各异。东西向断层一般向南倾斜；大部分NE-NNE向断层倾向东南，部分倾向西北。NW向断层一般倾向西南。这些断层大多是正断层，或者说主要是正断层。它们中的一些穿过水晶基底和地壳，而另一些穿过莫霍面并到达上地幔。这些断裂控制着盆地及其二级和三级构造单元的发展和演化。隆起与凹陷的交替排列和多期断裂的交叉分布构成了天津的地质构造格局。
1.2地层发育概况
天津北部主要是山区和浅基岩区，新生界地层较薄，一般在200m左右；由于新生代以来强烈的断陷活动，南部平原沉积了巨厚的新生代地层，相应地层发育良好，为一套砂泥岩互层的碎屑沉积。自上而下分别为第四系、新近系明化镇组和馆陶组、古近系东营组和沙河街组及孔店组。冀中坳陷和黄骅坳陷新生代地层厚3000余米，沧县隆起区新生代地层厚65430米。新生代下发育中生代至中元古代基岩地层。
2地热田特征
根据多年地热勘探结果，宁河-宝坻断裂以南新生界地层较为发育，厚度达800m以上，是理想的储热盖层，具备储存浅层地热能的条件。在勘探深度4km范围内，地壳浅部地温分布受基岩凹凸相间的地质构造格局控制，在平面上呈高低交替的一定带状分布。温度相对较高的区域与隆起的基岩区一致，温度相对较低的区域与凹陷的基岩区相对应。以地温梯度3.5℃/100米等高线为界，将该区划分为10个地温异常区(图1)。地热异常区主要分布方向为北北东向，部分为北西向，大部分分布在沧县隆起和凹陷的凸起部位。海河断裂、沧东断裂和白塘口西断裂等深大断裂分别对山里子地热异常区、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。因此，地温场在平面上的分布主要受地质构造的影响。
3天津地区浅层地热能特征概述
宁河-宝坻断裂北部大部分是山地，只有少数地区是浅基岩区。松散的新生界厚度多为2℃/100m ~ 300 m，不利于热量的维持。此外，由于强地下水径流的干扰，地热温度明显降低，与平原地区正常的地热增温规律明显不同，导致地热梯度普遍较低，约为2℃/65438。
在宁河-宝坻断裂以南的广大平原地区，新生界地层从地表到地下垂直可分为三个地热带:表层0-30m为温带，其温度主要受太阳辐射热流、地表岩石和植被、建筑物等因素影响，具有日变化、年变化和多年变化周期。温度幅度随深度增加而降低，在30m左右深度为地热恒温带，基本不受气候影响，基本稳定。恒温带以下是地热增温带，其温度主要受地球深部热流、岩石热导率、地质构造、水文地质等因素影响。总的规律是，地热温度也随着深度的增加而增加，增加的幅度随地热升温速率的不同而不同。
图1天津地热异常区分布图
从地温场的分布特征可以看出，宁河-宝坻断裂以南的广大平原地区蕴藏着大量的浅层地热能。由于不同地区地热热流分布不同，在同一深度范围内，地热能储量和可再生能源也不同。在相同能量需求下，地热异常区采集深度浅，反之亦然。据统计，全区地温梯度2 ~ 6.31℃/100 m，25℃埋深168 ~ 605 m，40℃埋深349 ~ 1355 m，参照区域热物性参数13粗略估算。相当于标准煤1.23×109t标准煤，相当于电能1.0×1013kw·h，在等温层及其以下的浅层周期性提取能量时(冬季提取热量，夏季提取冷量)，地温也会周期性地提供这种能量。
浅层地热能虽然丰富且可再生，但其开发利用应针对不同地区的不同水文地质条件，如采集规模、开采方式等有选择性。当这种抽取超过一定量时，地温就会像弹簧一样不可挽回地“变形”，不仅影响经济和安全，还会造成地下水文地质条件的破坏。
总而言之，这个地区蕴藏着丰富的浅层地热能。地热能作为一种清洁的低品位可再生能源，不仅稳定、天然、可常年重复利用，而且潜力巨大，环保性能巨大，作为新能源不容忽视。只要集能设计合理，技术手段得当，热泵系统能量平衡相对稳定，浅层地热能的开发利用前景广阔。
4 .关于浅层地热能调查和评价的建议
4.1调查浅层地热能的特征和评估浅层地热能储量所需的参数。
由于天津地区含有浅层地热能的层位不是以往地热工作的重点，缺乏第四纪乃至明化镇组上段的资料，包括准确的岩土密度、岩土比热、流体密度、平均比热、岩土孔隙度等热物性参数资料。同时，在地热井的物探测试中，500米的浅层基本没有物探测井，其岩性也没有系统的资料可查。因此，侦查工作的布局应着眼于发现。需要的主要数据和参数有:地层岩性及分布范围、埋深、垂直地温梯度变化、岩土密度和比热容、岩土孔隙度等。
4.2全区基础地质资料的全面收集
在地温调查及相关研究工作中，收集资料是一项不可忽视的基础工作，对了解该领域的研究程度和工作安排起着至关重要的作用。主要收集全区基础地质、构造地质、钻探(包括油井、地热井和部分第四纪井)、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、地热等资料，进行综合分析整理，了解工区工作程度和存在问题，针对需要解决的问题安排工作量，避免重复工作。以往的研究重点是深层地热井，对第四系井和明化镇组上段顶部的资料关注较少。因此，该资料的收集是分析该区地质构造特征和地层(特别是13.5 ~ 40℃之间地层的岩性、分布、产状、埋深和厚度)的一个关键点。
4.3开展野外浅层地热地质调查。
野外调查是地质调查的主要手段，是地热田调查的基础，因此本项目是调查的必要组成部分。通过对全区现有井的分布、取水断面和含水层的温度、浅层地热能的利用现状和地热能开采量的调查，可以更好地了解区域内可利用工作的现状，为各项工作的布置提供依据。
4.4地球物理勘探
(1)现有物探成果二次解释。根据人工地震、重磁和钻孔地球物理测井资料，分析了该区地层发育、构造位置和断层发育特征，查明了断层的活动性和时代，确定了其对浅层地热的影响。在浅层地热能的调查研究中，物探工作不同于以往的工作。首先要结合近几年的资料和其他工作，对现有的物探资料，特别是重磁资料进行二次开发，然后在必要的区域安排适当的物探工作。
(2)大地热流和地热场调查。在浅层地热能的调查研究中，最关键的参数之一是地热流值。主要通过钻孔测温查明该区地温的空间变化规律，并测定不同地层的地温梯度。同时采集相应层段的岩石样品，测定岩石的热导率。
5钻井工作
在浅层地热能的调查研究中，如何获取合理的参数是解决问题的关键，获取参数的方法可以利用现有的钻孔，但现有的一些条件无法满足，有些领域甚至是空白，如垂直地温梯度、地层热物性参数等。，所以一般需要安排必要的钻孔工作，钻孔尽量结合当地利用规划和需求，钻孔布置在有代表性的位置。根据沉积物的不同沉积环境，自北向南、自西向东排列，目的是查明岩性、构造、构造、地温变化、热储渗透率、地热流体压力、其物性和化学成分，获得有代表性的计算参数。
6.建立浅层地热能综合利用示范基地
浅层地热能调查中后期，为促进成果社会化，应结合调查建设浅层地热能综合利用示范基地，设计供热供冷区，选址，购置设备，安装调试，跟踪评估运行情况。最后，应提交一份全面的调查和评估报告，为热泵技术在这一领域的适用性提供一个范例。
如今，能源已成为经济发展的“指南针”，天津浅层地热能丰富。迫切需要对其进行研究和开发，这必将为天津的可持续发展和环境保护做出积极的贡献。