劉公島位于山東半島東端黃海之濱的威海灣內, 東西長4.08km, 南北最寬處1.5km, 最窄處0.06km, 面積3.15 km2, 距威海市區2.1海里 (3.89km) 。劉公島自然風光優美, 素有“海上仙山”和“世外桃源”的美譽。島上峰巒疊起, 植物茂密, 森林覆蓋率達87%, 1985年, 劉公島由封閉的軍事禁區正式對外開放。1992年被國家林業局公布為“國家森林公園”。劉公島空氣清新, 冬暖夏涼, 氣候宜人, 年平均氣溫12℃左右, 是避暑、度假、療養的理想之地。

從區域地熱地質條件看, 劉公島緊鄰威海市遙感解譯Ⅰ類地熱異常區, 是地熱賦存的有利地帶和地熱成礦遠景區;并且區內巖漿活動強烈, NW向及NE向斷裂構造發育, 區內地熱地質條件與威海市寶泉湯溫泉有相似之處, 因而具有較大的地熱資源勘查開發價值。

1 地熱田地熱地質條件

劉公島地處于膠東半島的東端, 在大地構造位置上位于中央造山區大別-蘇魯造山帶魯東南折返帶威海斷拱威海凸起的東北部;區內巖石主要有侵入巖、變質巖組成, 地層不發育, 構造以斷裂為主。

乳山-威海凸起是膠東東部地區最大的地質構造骨架之一, 沿該凸起東翼已有多處溫泉出露。

自中生代以來, 受燕山期地殼運動的影響, 形成了大規模的深大斷裂, 使上地幔物質上涌或沿深大斷裂侵入到地殼淺部, 從而形成了區域溫度或熱流值普遍升高的背景。深大斷裂帶附近成為熱水富集的主要區域。地下熱水既有原生沉積水, 也有大氣降水補給成因水。大氣降水經過入滲徑流, 在漫長的地質時期內, 沿斷裂帶和孔隙、裂隙經地殼深部的循環運移, 被圍巖加熱并與圍巖發生水鹽反應, 溶解礦物質及微量元素形成地熱水。

區內的NW向斷裂及NE向斷裂構造是該大凸起的次級構造。這2組斷裂在區內控制著區內地熱流體的形成、賦存與運移。區內地熱資源屬深循環對流型。熱儲為花崗巖的構造破碎帶或裂隙帶, 熱儲呈帶狀或點狀分布, 受構造控制明顯, 區內的2組構造具導熱、導水的性能。威海市內的寶泉湯溫泉、洪水嵐湯溫泉就出露在NW與NE向斷裂的交會部位。

根據地質構造并結合劉公島地球物理場特征分析研究, 在劉公島東村施工地熱井一眼, 井深1 587.2m, 蓋層封孔至506.0 m, 以下為基巖天然井壁, 熱儲層深度為1 200.0~1 500.0m。該孔洗井結束及抽水試驗結束后形成自流, 自流量約6m3/d, 靜止水位埋深為+0.03m;水位降深175.0m, 水量為400m3/d, 出水口水溫為40.0℃①。

2 地熱流體化學特征

劉公島地熱來源于地球內部與地球的結構和物質組成密切相關, 地下熱水的水化學成分取決于水的溫度、含水層的巖性以及與水伴生的氣體。地下熱水參與自然界中水的總循環, 其水文地球化學作用主要是溶濾作用, 化學成分主要決定于熱水出露處第四系巖性成因, 以及循環深度內的基底巖性和來自深部氣體的影響。

水質分析資料顯示地熱水中Na+, Ca2+, Mg2+, Cl-, SO42-含量均較高, 結合地熱井所處的環境, 鉆井所揭露的地層分析可知:此地熱井中地熱水主要來源于大氣降水部分來源于海水, 它們一起通過深大斷裂構造徑流循環, 形成地熱異常, 后在片麻狀細粒黑云二長花崗巖巖體裂隙和構造裂隙帶中富集。

3 地熱熱儲模型

劉公島地熱溫泉屬于溫熱水型低溫地熱資源。地熱田的形成機理是:巖漿侵入地殼形成規模較大的巖漿熱源體后, 隨著溫度、壓力的下降產生結晶分異作用, 使巖漿中的水分含量不斷增加, 蒸氣壓力逐漸增大, 它一方面通過熱傳導加熱上部的巖石, 再由這些巖石使深部循環水變熱;另一方面可能有部分巖漿蒸氣沿著巖石的微細空隙向上滲透進入深循環水中, 使水溫增高。當熱水系統的上部不存在隔水蓋層時, 只要溫度梯度、滲透通道的深度足以能維持水的熱對流循環時, 即可形成由補給、加熱 (熱儲) 及排泄等部分組成的地熱田 (圖1) 。

4 地熱流體質量評價

4.1 地熱流體水質評價

(1) 理療熱礦水評價:按照《地熱資源地質勘查規范》 (GB/T11615-2010) 理療熱礦水水質標準, 劉公島地熱水, 氟、溴、鍶、偏硅酸、溫度均達到和滿足“理療熱礦泉水水質標準”中“有醫療價值濃度”標準;溴、偏硅酸均超過“礦水濃度”但偏低于“命名礦水濃度”標準, 只有鍶元素含量43.65 mg/L達到“命名礦水濃度”標準 (10mg/L) , 可命名為“鍶型低溫溫水型礦水”, 劉公島溫泉礦化度為4 217.4mg/L, 屬于咸水。

圖1 劉公島地熱熱儲模型示意圖  

(2) 飲用天然礦泉水評價:依據《飲用天然礦泉水標準》 (GB8537-2008) 進行飲用熱礦水水質評價。劉公島溫泉感官要求, 色度、嗅和味滿足要求, 但渾濁度、可見物不符合要求;理化指標中界限指標, 鍶含量平均43.65 mg/L, 大于0.2 mg/L的界限指標;偏硅酸平均40.79mg/L, 大于25.0mg/L的界限指標;達到飲用礦泉水標準, 但是鋅、硒、游離CO2、錳等不符合限量指標及污染物指標的規定。

(3) 生活飲用水評價:依據《生活飲用水衛生標準》 (GB5749-2006) , 其水質渾濁度、肉眼可見物、鐵、錳、氯化物、硫酸鹽、總硬度等均不能滿足國標要求, 因而劉公島地熱溫泉水不能作為生活飲用水。

(4) 農業灌溉用水評價:依據《農業灌溉水質標準》 (GB5084-2005) , 熱水中水全鹽量4 185.86mg/L, 氯化物2 244.07mg/L, 分別超出國家標準1倍和5倍, 故不宜直接進行農田灌溉。

4.2 地熱流體腐蝕性與結垢評價

(1) 地熱流體腐蝕性:利用拉申指數計算式:

式中:LI為拉申指數;Cl為氯化物濃度 (mg/L) ;SO4為硫酸鹽濃度 (mg/L) ;ALK為總堿度 (mg/L) 。

以上3項以等當量的CaCO3 (mg/L) 表示。經計算劉公島地熱流體為42.56, 大于10, 按照《地熱資源地質勘查規范》 (GB/T11615-2010) 判定為強腐蝕性水。

(2) 地熱流體結垢評價, 根據鍋垢總量計算公式:

式中:H0為鍋垢總量 (mg/L) ;S為水中懸浮物含量 (mg/L) ;C為膠體 (SiO2+Fe2O3+Al2O3) (mg/L) ;γFe2+, γAl3+, γMg2+, γCa2+分別為Fe2+, Al3+, Mg2+, Ca2+離子含量的每升毫克當量 (毫摩爾) 數。

經計算:H0=3 221.98 (mg/L) , >500 (mg/L) , 屬鍋垢很多的水。

5 地熱資源開發利用現狀與開發前景

5.1 開發利用現狀

威海地區地熱泉因溫度較高, 易開采, 開發利用較早 (可追溯至明、清年間) 而著稱。近年來, 隨著科學技術的迅速發展, 探測技術的進步, 人們對地熱資源的認識逐漸加深, 地熱能作為一種可供利用的并有著巨大發展遠景的新能源, 逐步引起人們的重視。威海市劉公島地區及附近地熱點現共有地熱開采企業21家, 年開采地熱40.18萬m3。主要用于洗浴、醫療、保健、養殖。寶泉湯依據優越的地位優勢, 開發利用程度較高。但劉公島地熱因各種條件的限制開發起步晚, 目前尚處于勘查階段。

5.2 開發前景

地熱資源是一種“綠色能源”, 在目前資源緊張, 人們環保意識增強的情況下, 威海市地熱源因其易開采, 污染小, 做為一種替代能源具有很大的優勢。據初步估算, 威海市劉公島地區地熱源可采量達9.23×1015J, 折合為標準煤31.49萬t, 如能充分合理開發利用, 將極大地帶動地方經濟發展。

威海, 自古以來就是一個令人向往的地方。劉公島是威海的海上仙山, 風光秀美, 地理位置優越。有膠濟鐵路相連交通便利, 特別是威海—烏海、威海—青島, 同江—三亞高速公路的開通, 推動了該地經濟建設的迅猛發展。威海是中國第一個優秀旅游城市群, 兩度獲得“國際迪拜改善居住環境最佳范例城市”稱號, 是2003年度全球唯一獲得“聯合國人居獎”的城市, 2006年, 被命名為“中國溫泉之鄉”。位于經濟開發和旅游勝地的劉公島地區更是獨具特色, 這里地熱溫泉富含多種稀有元素和具理療作用的放射性元素等指標在“中國溫泉之鄉”獨占鰲頭, 因此應提高檔次, 集洗浴、理療、保健、娛樂于一體, 讓來威海旅游的客人在領略威海優美的天然風光、人文景觀后洗洗溫泉浴, 做做理療保健, 可以成為旅游的新亮點。同時應加大熱水養殖的力度, 采用新方法, 新技術, 提高養殖規模, 還應進行地熱在農業應用方面的研究, 充分利用地熱資源。

6 結論

(1) 劉公島緊鄰威海市遙感解譯Ⅰ類地熱異常區, 是地熱賦存的有利地帶和地熱成礦遠景區。通過地熱地質調查, 并利用視電阻率聯合剖面、可控源音頻大地電磁 (CSAMT) 測深工作分析研究認為, 在區內斷裂切割深度大、破碎寬度大, 有一定匯水區的局部地溫異常區, 具備形成地熱的條件。根據以上方法確定的劉公島東村地熱井 (井深1587.2m, 水量400m3/d, 水溫40.0℃) , 進一步說明了劉公島具有地熱資源的形成條件。

(2) 劉公島地熱溫泉屬于鍶型低溫溫水型礦水, 適應于洗浴、理療、保健, 可與劉公島旅游資源開發密切結合。

(3) 劉公島具有地熱資源形成的條件, 建議進一步投資進行地熱資源勘查, 以充分利用開發劉公島的地熱資源。