吉林省浅层地热开发利用适宜性

2013-04-16祖秉新孟凡利孙晓芳

吉林地质 2013年3期

祖秉新，孟凡利，张丕，曹葛，孙晓芳

吉林省水文地质调查所，吉林长春130042

浅层地热是可再生、清洁、环保的新型能源，开发利用前景十分广阔。随着吉林省经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，在采暖、空调、生活、热水等方面的热能与制冷需求量越来越大。浅层地热作为非常重要的新型能源，对缓解我省能源压力、促进能源结构调整，尤其是减少二氧化碳的排放和建设资源节约型、环境友好型的和谐社会具有十分重要的现实意义。

1 区域地质及水文地质概况

吉林省在继承中生代以前地质构造运动发展基础上，由于新构造运动，使全省地形地貌、气候水文、土壤植被等自然因素，自东南向西北出现明显的梯度变化和分带特征。地形地貌自东南向西北：由强烈上升切割剧烈的延边通化玄武岩台原台地和基岩中低山缓慢上升切割减弱的吉林辽源花岗岩低山丘陵相对沉降挽近时期又有隆起的剥蚀堆积高平原持续强烈沉降的扶余通榆堆积低平原缓慢上升剥蚀强烈的洮安西部基岩丘陵低山。按地貌单元形态，全省划分五个地质及水文地质带。

1.1 台原台地中低山侵蚀带

台原台地中低山侵蚀带，位于辉南、敦化以东地区，为中等至强烈切割的台原台地和中低山。带内从第三纪中新世至第四纪全新世均有火山运动，以火山喷溢为主。台原台地由玄武岩、橄榄玄武岩和少量粗面玄武岩及凝灰角砾岩组成。中山低山由古生代以前的变质岩、碳酸盐岩及碎屑岩组成。地下水类型主要有玄武岩孔洞裂隙水、岩溶水、基岩裂隙水，局部地区在山间盆地和河谷有孔隙水。安图、抚松、浑江一带分布低温或中高温地热水或矿泉水，地下水和矿泉水均以重碳酸型水为主，矿化度低于0.5 g/L，pH 值为6～7。

1.2 低山丘陵剥蚀带

低山丘陵剥蚀带，位于长大铁路线东南的低山丘陵区，风化壳发育。带内前震旦纪至中生代岩浆活动频繁，华力西期花岗岩分布广泛，燕山期花岗岩零星分布，局部有古生代碳酸盐岩分布，沿北东向断陷形成的伊通—舒兰盆地，沉积巨厚的第三系和第四系地层。地下水类型以花岗岩基岩裂隙水和风化壳网状裂隙水为主，局部有碳酸盐岩岩溶水、碎屑岩裂隙孔隙水、松散岩类孔隙水、硅酸矿泉水。一般地下水和矿泉水以重碳酸型为主，矿化度小于0.5 g/L，pH 值为6～7。

1.3 高平原相对隆起带

高平原相对隆起带，位于扶余、长岭以东广大高平原地区。该带中生代强烈沉降，新生代又相对隆起，是由白垩系为基座（软岩层），局部分布10～20 m 厚的砂砾石，上覆黄土状土剥蚀堆积，平原呈波状起伏，切割明显。地下水类型，河谷阶地为松散岩类砂砾石孔隙水和隐状断裂的基岩裂隙水。此外，在大兴安岭山前倾斜平原的白城扇形地，含水层为中上更新统冲积砾卵石层，厚10～40 m，富水性较强，单井涌水量3 000～5 000 m3/d。还有松花江沿岸的高漫滩和一级阶地前缘，含水层以砾卵石为主，厚15～20 m，单井涌水量1 000～3 000 m3/d。地下水化学类型均为重碳酸型，矿化度小于1.0 g/L，pH 值6～8。

1.4 低平原持续沉降带

低平原持续沉降带，位于扶余、长岭以西，白城以东广大地区。该带中，新生代以来持续沉降，堆积厚达300 m 左右的河湖相泥质砂质松散沉积层。地下水类型，主要为第三系砂砾岩裂隙孔隙水和第四系松散岩类孔隙水。地下水矿化度0.5～3.0 g/L，随着矿化度增高，地下水化学类型由重碳酸硫酸型→重碳酸氯化物型→氯化物重碳酸型，造成了如铁、锰、氟等元素过剩。带内沙漠化、盐渍化、氟中毒现象广泛。

1.5 丘陵剥蚀带

丘陵剥蚀带，位于白城以西，属大兴安岭东麓的低山丘陵。带中山势和缓，山顶浑园，沟谷宽浅，河泉不多，地形完整，风化壳发育。侏罗系中酸性火山碎屑岩广泛分布，花岗岩零星出露。地下水类型，以侏罗系火山碎屑岩裂隙孔隙水和花岗岩风化壳网状裂隙水为主。地下水化学类型，均以矿化度低于0.5 g/L 的重碳酸型水。

2 地热分类及形成机制

地热是天然形成的地热资源，是能够经济地被人类利用的地球内部的地热能、地热流体及其有用化学组分。目前可利用的地热资源分为深层地热和浅层地热。深层地热包括天然出露的温泉、通过人工钻井直接开采利用的地热流体，还有干热岩体中的地热资源。浅层地热是通过热泵技术开采利用，它包括低温的流体和岩土体，即水源热泵技术（地下水、地表水）和地源热泵技术开发利用浅层地热能。

地热受地质、水文地质和断裂构造等控制，是供给储热中岩石和地热流体的热能来源，可以是现代岩浆活动的岩浆房，也可以是来自地壳深部的热传导或来自沟通深部热源的现代活动性断裂带的热对流。而浅层地热是蕴藏在地表以下一定深度范围（200 m）内岩土体、地下水和地表水中具有开发利用价值的热能。

3 浅层地热的特点

浅层地热能来源于地壳的浅部，由于接受太阳能的辐射、降雨渗入所携带的热量和深部大地热流等因素的共同作用，保持了一定的热量，成为一种热能储量巨大的低焓热源。浅层地热资源有以下特点：

（1）浅层地热再生能力强∶浅层地热由于大地热流和水循环的补给，它与深层地热相比，不仅再生能力强，而且开采成本低。

（2）浅层地热分布广泛∶地热资源储存在地下水和岩土体中，地下水中的热能，在地下水水位以下，地下水类型为潜水，其补给条件较好，水温变化不大，开发成本最低，应利用水源热泵优先开发利用；土体岩体中的浅层地热，受地质条件的影响，开发利用具有一定的难度，其难易程度为：土体软岩层坚硬岩体，以吉林省地质条件分析，低平原土体高平原土体与软岩层丘陵山区坚硬岩层。

（3）浅层地热储存量较大∶由于浅层地热分布较广，不论地下水或岩土体中的地热储量可观，应尽早开发利用，缓解能源不足。

（4）浅层地热开发利用方式∶浅层地热的温度偏低，不宜直接利用其能量，只有采用热泵技术将水中的热量和岩土体中的热量提取骤集，才能成为很好的热源。

4 浅层地热开发利用现状

21 世纪以来，国家相继出台了支持可再生能源开发利用的方针政策，地源热泵行业有了较快的发展。据统计，暖通空调能耗占建筑能耗的65%，而地源热泵具有明显的优势，包括高效节能、绿色环保、可再生能源利用，符合国家目前节能减排和环境保护可持续发展战略。至2007 年底，全国有热泵项目达4 800～5 000 个，其中以北京、河北、河南、山东、天津和辽宁为最多。受地质和水文地质条件所限，吉林省浅层地热开发利用时间较晚。近几年长春、吉林、梅河、榆树、集安、松原等地的局部地段有零星开发利用，主要以开发利用地下水热能为主，有成功的经验，也有失败的教训。如：梅河口市区的水源热泵项目，由于抽出来的水无法回灌而停止供暖；榆树市五棵树镇水源热泵项目，抽出来的水不能全部回灌到含水层中，至使剩余的水排入松花江，造成水资源浪费。因此，开发利用地下水浅层地热前，必须进行浅层地热的调查评价工作，然后再上浅层地热项目，提高地热开发利用的保证程度。

5 浅层地热开发利用适宜条件

浅层地热的开发利用，主要根据地质和水文地质条件，选择适宜区段进行开发利用。应坚持降低成本和先易后难的原则进行浅层地热开发。开发利用方式有两种，一是地下水源热泵技术，二是地源热泵技术（地堆管）。

5.1 水源热泵适宜条件

根据吉林省水文地质条件，水源热泵适宜条件有限，仅在平原区的松花江两岸的漫滩及一级阶地前缘地带和白城地区扇形地孔隙潜水，适合开发利用浅层地热。全省大部分的河谷阶地含水层岩性为砂及砂砾石层，其渗透系数一般为10～30 m/d，热泵抽出的地下水不易全部回灌到地下水中，浅层地热开发受到限制。而松花江沿岸漫滩及一级阶地前缘和白城扇形地含水层岩性以砾卵石为主，地下水渗透系数30～50 m/d，含水层渗透性较好，单井涌水量在1 000～3 000 m3/d 以上，满足浅层地热开发的灌采比要求。除此之外，我省较大的河流如：伊通河、饮马河、嫩江等的河漫滩也具备开采浅层地热条件。

2010 年至2012 年通过长春、松原、榆树、梅河、集安和镇赉等市县城区浅层地热能调查评价报告结果表明，只有靠近松花江的镇赉县城区开采浅层地热较适宜，其它县（市）城区均不适宜浅层地热的开发利用。如：山区内的集安市城区，座落于鸭绿江畔，含水层以卵石为主，地下水渗透系数大于30 m/d。单井涌水量较小，仅165.28 m3/d（降深2.00 m），不适宜浅层地热的开发利用。因此浅层地热的开发利用，一是单井涌水量应大于1 000～3 000 m3/d 的水量丰富区，二是含水层颗粒粗、渗透性强，抽出来的地下水能100%的回灌到统一含水层中，才能满足抽灌要求。

5.2 地源热泵适宜条件

依据吉林省的地貌形态和地质条件，利用地源热泵开采浅层地热适宜性比较广泛。结合降低成本和先易后难的原则，可先从土体和软岩层开发利用地热，即平原区的低平原土体、高平原的土体与软岩层（包括河谷阶地、黄土台地的土体与软岩层）综合开发利用，最终达到开发利用浅层地热的目的；伊舒盆地区，以第四系土体与第三系软岩层为主，也适合浅层地热的开发利用；中低山、丘陵和大兴安岭山地因地质条件为坚硬岩石，浅层地热开发，一是难度大，二是成本高，因此适宜寻找深层地热开发利用。