廣饒鹽場鹵水開采與地面沉降相關性研究

王浩，朱智勇

（山東省地勘局第二水文地質工程地質大隊（山東省魯北地質工程勘察院），山東 德州 253072）

1 引言

地面沉降是一種緩變型地質災害，發育范圍廣、難于治理，對我國經濟建設造成很大影響[1]，尤其是高速公路、高速鐵路等對地面沉降敏感的基礎性建設項目，地面沉降特別是不均勻沉降極易造成運行安全隱患或事故。東營市地面沉降監測網絡建設始于2002年，測量線路由59塊水準標石組成，原點組由3點組成，埋設在臨淄區齊都鎮北山莊南北山上，為巖層水準標石。自2003年首次進行地面沉降水準測量，而后分別于2009年、2012年、2015年及2019年共開展了5期地面水準測量，而廣饒縣為其沉降中心[2]。根據2016年以來的調查成果，在廣饒鹽場區域存在4個地面沉降漏斗，其中西側2個沉降中心區平均沉降速率超過了120 mm/a，東側2個沉降中心區平均沉降速率超過了130 mm/a，屬地面沉降強發育。

2 地質背景條件

2.1 水文地質條件

2.1.1 淺層鹵水水文地質特征

廣饒鹽場淺層鹵水礦體在垂向上呈透鏡狀，底面埋深北部較淺，在40 m左右，往南逐漸變深至50 m左右。依據垂向上鹵水分布特征，可分為2個鹵水含水層，鹵水濃度由上而下逐漸降低。第I含鹵層組底界埋深18～21 m，鹵水含水層底部以粉砂為主，上部為粉土、淤泥質粉土，厚度分別為2～4 m和7～13 m，賦存于該層的鹵水為潛水-淺層微承壓水，鹵水濃度較高，單井涌水量235.2～281 m3/d。該鹵水層水位、鹵水水質受大氣降水和地表水影響較大，鹵水濃度在6～10°Be′。第II含鹵層組底界埋深40.6～48.4 m，鹵水含水層為粉砂和粉土，粉砂厚2.6～6.6 m，粉土厚5.6～8.2 m。該層鹵水含水層與第I含鹵層組之間有粉質黏土或黏土相隔，鹵水濃度5～8°Be′，單井出水量168～312 m3/d[3]。

受高強度開采影響，該區域內目前地下鹵水靜水位埋深一般在4.55～29.6 m。天然狀態下，該層鹵水的水位動態變化近海地帶受海洋潮汐作用影響較明顯，遠離海洋則主要受大氣降水影響。

2.1.2 中深層鹵水水文地質特征

據已有鉆孔資料分析，該區200 m以下為非鹵水層，200 m以下砂層單層厚度薄，最大層厚小于5.20 m，層間距較大，一般大于20 m，礦化度較低為非鹵水層。

中深層鹵水層的埋藏厚度不穩定，總體上埋藏于100～200 m。鹵水層巖性為細砂、粉細砂、粉砂。鹵水層的總厚度、分層厚度和層數在區域上也不盡相同。該區域鹵水層的層數為4～5層，單層厚度1.25～12.44 m不等，總厚度21.50～43.45 m。

根據《津濰（煙）高鐵東營段地面沉降專項調查報告》中Z1、Z2鉆孔資料，廣饒鹽場中西部鹵水層層數為4層，單層厚度3.9～17.1 m，總厚度38.3～45.5 m，埋藏深度為71.7～182.6 m，鹵水層巖性均為粉砂、粉細砂，單井涌水量200～260 m3/d，鹵水濃度5～7°Be′。

受持續高強度開采影響，廣饒鹽場中深層鹵水水位持續下降，并形成了范圍較大的鹵水降落漏斗，其東側漏斗中心水位埋深超過91 m，水位標高小于-90 m（2019年9月—10月）。

2.2 工程地質條件

2.2.1 土體巖性分類

廣饒鹽場區域0～230 m深度內的地層包括第四系全新統、上更新統、中更新統及下更新統。其厚度在南部為180 m左右，向北增加到230 m左右[4]。其具體特征為：

下更新統（Q1）：以沖洪積及湖積為主，厚度60～80 m，厚度由北向南逐漸變薄，巖性以土黃-褐黃色粉土及棕黃色粉質黏土為主，大部分區域在埋深30 m左右有中砂和中細砂分布。

中更新統（Q2）：以沖積為主，厚度50～60 m，巖性以黃褐色粉土及棕褐色粉質黏土為主。分布有多層厚度1～5 m的中砂和中細砂。

上更新統（Q3）：以沖積為主，厚度60～80 m，巖性以黃褐色粉土及灰褐色粉質黏土為主。分布有多層厚度2～6 m的中砂和中細砂。

全新統（Q4）：以沖積和海積為主，厚度18～20 m，巖性變化較大，一般為粉土、粉質黏土及粉細砂，局部有淤泥性黏土分布。

2.2.2 土體結構特征

廣饒鹽場0～20 m為全新統地層，土體結構主要以粉土-粉質黏土雙層結構及粉土-粉質黏土-粉細砂多層結構為主，東側靠海區域分布有淤泥性黏土。

20～120m為上更新統地層，土體結構主要以粉土-粉質黏土雙層結構及粉土-粉質黏土-中砂和中細砂多層結構為主。

120～200m為中更新統，土體一般為多層結構類型，主要有粉土、粉質黏土、黏土及粉砂（粉細砂）構成，地層較穩定。

2.2.3 土體工程地質特性

根據山東省魯北地質工程勘察院2019年提交的《津濰（煙）高鐵東營段地面沉降專項調查報告》，該區200 m以上地層可劃分為4個含水層及5個壓縮層（見表2）[5]。

表1 主要壓縮層物理力學參數一覽表

3 地面沉降現狀

2011年6月—2013年3月，東營市勘查測繪院先后3次對新區內的水準控制點進行復測，發現均出現了不同程度的沉降。其中，最具代表性的兩個控制點：一是位于東八路以東、支脈河南岸的漁港村G9控制點，高程由4.276m變為4.017 m，下沉25.9 cm，二是位于管委會駐地東側的G8控制點，高程由2.708 m變為2.514 m，下沉19.4 cm。

根據2017年3月—2019年5月INSAR監測數據分析，在廣饒鹽場區域存在4個地面沉降漏斗，其中，西側2個沉降中心區平均沉降速率超過了120 mm/a，東側2個沉降中心區平均沉降速率超過了130 mm/a（見圖1）。

圖1 廣饒鹽場鹵水開采區地面沉降速率圖

4 鹵水開發利用現狀

4.1 鹵水井分布

廣饒鹽場歷史悠久，自20世紀60年代開始開采地下鹵水，2010年之前鹵水井成井井深多在60～80 m，隨著區內溴素企業的逐漸增加，鹵水需求量不斷加大，造成水位持續下降，后續施工的鹵水開采井多在200～260 m，井徑基本都在370 mm左右。2008年年底，內有淺層鹵水井約500眼，至2014年淺層鹵水井增加至800余眼，截至2019年9月，廣饒鹽場區域共有鹵水井1 600余眼。

在空間分布上，鹵水井具有區域集中的特點，這與鹵水產鹽的工藝有關。廣饒鹽場鹵水一般開采出來后先匯集到廠內溴素廠提溴，提溴后的尾水再分流到鹽田制鹵，為生產方便，施工的鹵水井一般分布于鹽田之間的“橫崗”上及鹽場場內道路兩側，開采后匯集到鹽田邊上的匯水溝渠，因此，鹵水井非常密集，井間距一般在80～100 m。隨著開采量不斷增加，水位持續下降，原有淺井不能滿足生產的需要，后續施工的深井一般在原有淺井附近布井，造成了開采井的進一步集中。

4.2 鹵水開采量

根據2019年《津濰（煙）高鐵東營段地面沉降專項調查報告》中調查資料，截至2019年10月，廣饒鹽場區域有大小鹵水開采企業7家，鹵水開采井1 600余眼，單井開采量在100 m3/d，根據現場調查及各企業原鹽產量與鹵度推算，廣饒鹽場年開采量約3.2×107m3。

5 地面沉降影響因素分析

地面沉降形成的原因復雜，目前認為，主要包括地殼的構造運動、土的自然壓實等自然原因，或大量開采地下水、石油、天然氣和人類工程建設等人為原因而產生。

5.1 自然因素

東營市全新世的地層沉積較晚，大部分沉積時間小于150年。根據區內大量工程勘察資料分析，區內全新世地層巖性以粉土為主，其次為粉質黏土、粉砂、黏土，另外在黃河以北大部分區域埋深30 m以上有軟土分布，為欠固結土。在自重壓力下，會產生自然沉降。根據1955—1988年的地面垂直形變圖表明，在30多年內，黃河三角洲仍以下降為主，東營地區地面沉降速率為3～4 mm/a。依據1951—1987年華北地區垂直變形速率圖，廣饒鹽場區域因構造運動引起的地面沉降速率在2～3 mm/a，因此，構造運動及土的自然固結等自然因素引發的區域地面沉降不可忽視，但與廣饒鹽場區域目前地面沉降量相比，貢獻甚微，其不是引發該區域地面沉降的主要原因[6]。

5.2 人為因素

廣饒鹽場區域現有油氣開采井約160余眼，主要分布于廣饒鹽化集團南部區域，東部沉降區無油井，開采區與沉降圈閉中心不吻合。另外就東營市來看，油氣資源的開采在區域上分布不均、時間上也差別很大，最早的石油開采是20世紀60年代中期東營區一帶，與東營市地面沉降的發生歷史、范圍并不吻合。因此，區內石油開采與地面沉降不具有相關性。

通過對廣饒鹽場地下鹵水開采歷史、開采量及區域地下水水位時空變化與地面沉降變化進行對比研究，廣饒鹽場地下鹵水開采區水位埋深與地面沉降速率存在明顯的正相關關系（見圖2），結合周邊濱州、廣饒縣城地面沉降成因及國內外相關研究成果，廣饒鹽場地面沉降主要是地下水（鹵水）的抽取造成的[7]。

圖2 廣饒鹽場鹵水開采區地面沉降速率與水位埋深剖面圖

6 結論與建議

鹵水是一種非常重要的礦產資源，但是不合理的開發利用對地質環境也會造成很大的影響。如因超量開采而引發的地面沉降等。

1）地面沉降具有不可逆性，廣饒鹽場開采區地面沉降強發育，長此以往易形成地面高程損失，海水倒灌等地質災害。

2）根據調查分析，該區域地面沉降主要是淺層、中深層鹵水超量開采而引起的，應加強鹵水的開采控制，合理開發利用鹵水資源。