吉林省长白山区聚龙泉群地热资源评价

刘 慧，赵 阳，饶文迪，赵 依，徐思瑜

吉林省地质环境监测总站，吉林 长春 130021



吉林省长白山区聚龙泉群地热资源评价

刘 慧，赵 阳，饶文迪，赵 依，徐思瑜

吉林省地质环境监测总站，吉林 长春 130021

在吉林省长白山地区，蕴藏着丰富的地热资源，其中大多数为高温地热资源。本文根据实地调查与查阅文献资料，介绍了长白山区聚龙泉群的地热地质条件以及地热的形成条件，并对实地调查采集的地热水样进行了化学组分、同位素、年龄、热储温度、流体质量以及发电潜力的评价，系统性的对长白山地区的地热资源做了基础研究，为启动长白山地区地热资源的重点研究、勘查及开发利用打下了基础。

地热资源；发电潜力；同位素；热储温度；流体质量

0 引言

长白山位于吉林省东南部地区，东经127°40'～128°16'，北纬41°35'～42°25'之间的地带，是中、朝两国的界山；是图们江、鸭绿江、松花江的三江发源地。闻名中外的美景，一望无际的林海，以及栖息其间的珍禽异兽，于1980年列入联合国国际生物圈保护区。

1 地热地质条件

长白山区聚龙泉群，位于长白山脚下瀑布北峡谷底部，在面积约1 km2范围内，出露具一定规模的地热温泉多处，其中比较集中的共有5处温泉，水温在60～79 ℃之间。温度最高的为1号温泉，地理坐标：128°03′30.4″E，42°02′27.5″N。区内多被新生代火山岩覆盖，零星出露一些老地层。长白山火山处于六道沟—天池—甄峰山北东大断裂（图1中的F1）和金策—白山镇北西向超岩石圈断裂（图1中的F2）的交汇处，长白山火山群大多数受上述构造及次一级断裂控制，见图1。

河床两侧均有温泉出露，温泉水由火山喷发形成断裂并沿裂隙流出地表，形成近似长方形穴体，泉水在底部上涌形成柱形水花。由于常年涌流，泉周围形成黄绿色泉华，冬季泉群周边雾气蒸腾（图2）。经现场测温，聚龙泉1号冬季水温达78 ℃，温泉流量3.24 L/s。由于温泉群呈星状分布且多以散流形式溢出地表，热流体汇集不集中，故单体温泉流量受限。由于温泉最高水温高达79 ℃，温泉水煮鸡蛋已成为该区旅游一大特色，是吉林省乃至全国知名的长白山区旅游胜地，目前由长白山管委会管辖。

图 1 长白山天池地质略图Fig.1 The geological sketch of Changbaishan Tianchi

图 2 长白山区聚龙泉群地理景观图Fig.2 Geographical landscape of Julong Spring Group in Changbai Mountains

2 地热形成条件分析

吉林省东部长白山区地热田以构造裂隙发育的第四系更新统白头山组粗面岩等火山熔岩为主，新生代火山活动形成地下岩浆房，并与深部构造断裂相沟通，在岩浆房的高温高热烘烤下，经高压释放溢出地表。大气降水、融雪水从地面渗入地下补给地下水，地下深部热储空间储存大量的水资源，在地下深部热源作用下不断被加热，形成并释放高温高压，致使大地热流呈垂直方向延裂隙向上流动，在地表形成温泉。

长白山区聚龙泉群属于隆起山地型地热资源，热储盖层厚度与盆地区相比较薄，一般在300～600 m之间，温泉水温度在60～79 ℃。

3 地热水评价

3.1 地热流体化学组分特征

长白山区聚龙泉群地热流体主要受新生代火山喷发及深部构造断裂控制，同时分布地域不同也有一定的差别。以长白山区聚龙泉群比较集中的五处温泉为研究对象，根据水质分析报告，地热流体呈弱碱性～碱性，pH值为7.44～8.17，总碱度为669.54～771.77 mg/L，总硬度为66.95～119.95 mg/ L，溶解性总固体为1 065.49～1 320.42 mg/ L，偏硅酸为235.16～381.95 mg/ L，地热流体水化学类型为重碳酸、氯化物-钠、钙型。

3.2 化学同位素

根据地热流体采样分析结果，采自长白山聚龙泉群的地热流体与大气降水中氘（δD）和氧-18（δ18O）检测值基本相近（表1），表明该区的地热水除来自常温地下水的补给外，同样接受大气降水和地表水的补给，其大气降水的补给相对于地表水补给多一些。

表 1 长白山区聚龙泉群地下热水稳定同位素δD、δ18O统计表Table 1 The statistics stable of isotope δD、δ18O of geothermal water of Julong Spring Group in Changbai Mountains

从图3可知，区内代表性的取样点同位素氘（δD）、氧-18（δ18O）监测数据均落在中国大气降水线以下，说明吉林省长白山区聚龙泉群地热流体主要补给来源均为大气降水。

图 3 地热流体δD、δ18O与大气降水线的关系图（中国资源综合利用协会地温资源综合利用专业委员会，2009）Fig.3 Diagram of geothermal f uid δD、δ18O with atmospheric precipitation

3.3 年龄测定

依据地下水14C测年样品BaCO3沉淀法采集程序进行样品的采样，根据年龄同位素检测分析报告（表2），长白山区聚龙温泉群热水来源较老，约为37.25 ka。

表 2 放射性同位素13C、14C及年龄测定统计表Table 2 The statistics of radio isotope13C、14C and age determination

3.4 热储温度

热储温度利用地球化学温标温度进行计算。根据该地区的实际情况，热水在其达到取样点（泉口或井口）时没有沸腾，因此选用无蒸汽损失的石英温标，计算公式为：

根据公式，计算出的长白山区聚龙泉群的热储温度平均为194.28 ℃。对照国标《地热资源地质勘查规范》（GB/T11615-2010）进行地热资源温度分级，该热水属于高温地热资源（t≥150 ℃），可作为发电、烘干、采暖等用途。

3.5 发电潜力评价

3.5.1 评价方法

（1）计算热储热能：即计算地热资源量，可以利用体积法计算热储的热能Wr：

式中：Wr——热储热能（J）；

V——热储体积（cm3）；

ρ——岩石和水的体积比热；一般取2.7 J/ cm3/℃；

T——热储温度（℃）；T0——恒温带温度（℃）。

（2）计算井口热能Qwh：即能够从钻孔中提取的那一部分热能，计算公式如下：

式中：Wr——热储热能（J）；

Rg——采收率即可，一般取0.25。

（3）计算有用功Wa：按照热力学第一定律，即能量守恒定律，有用功可用下式求得：

式中：Wa——有用功（J）；

H和H0——分别代表排放流体在井口和尾水排放时的焓值；

H-H0——表示总热能；

S和S0——分别代表排放流体在井口和尾水排放时的熵值；

T0（S-S0）——表示在可逆过程中未能转化成功的热能。

但是在实际操作中并不要如此复杂，只要知道热储的温度，就可以查到有用功Wa与热储热能Wr的比值（Wa / Wr），将此比值与热储热能相乘即得有用功Wa。

式中：η——有用功Wa与热储热能Wr的比值（Wa / Wr）。

（4）计算发电潜力：计算公式如下：E = Wa × B

式中：E——发电潜力（J）；

B——动能转化成电能的工作效率。对于不同温度的工作流体和不同类型的循环系统，工作效率变化很大。对于单次闪蒸系统一般B值取0.1～0.3，双循环系统取0.3～0.4，二次闪蒸取0.4，全流系统取0.5，蒸汽系统取0.6等等。

（5）30年发电功率换算：

式中：P——30年发电功率（MW）；

946 080 000 = 30a × 365 d/a × 24 h/d × 3 500 s/h。

3.5.2 评价范围

根据《全国地热资源调查评价与区划技术要求（试行）》关于热储体积的划定：热储范围如可由控热断裂构造圈闭，则由地质构造来圈定，如热储范围界线模糊，高温地热资源则考虑地热异常点6 km3（面积1.5 km2，厚度4 km）范围作为发电潜力计算范围。

3.5.3 评价结果

根据电能划分，其规模为大型地热田。

3.6 理疗热矿泉水评价

地热流体质量评价共采取地热流体监测样品5组，温泉水样采集为温泉溢出口。依据GB/ T11615-2010附录E理疗热矿水水质标准，对地热流体进行评价。评价结果表明，5处地热流体全部达到命名氟水矿水浓度，氟质量浓度达6.2～7.0mg/L；矿化度全部超标；偏硼酸全部达到矿水浓度；偏硅酸全部达到命名矿水浓度；泉口溢出温度均为温水。

表 3 高温地热资源发电潜力评价表Table 3 The evaluation of power potential of high-temperature geothermal resources

4 结论

吉林省长白山区聚龙泉群泉水主要来源为大气降水；地热流体水化学类型为重碳酸、氯化物-钠、钙型；地下水年龄较老，约为37.2 ka；热储温度为194.28 ℃，属于高温地热资源；30年发电潜力为70.18 MW，属于大型地热田；该处泉水可作为理疗用水。

［1］中国资源综合利用协会地温资源综合利用专业委员会.天津市南部平原区地热流体同位素特征［C］ .地温资源与地源热泵技术应用论文集第三集. 北京：地质出版社. 2009.18-23.

Geothermal resource evaluation of Julong Spring Group in Changbai Mountains of Jilin Province

LIU Hui， ZHAO Yang， RAO Wen-di， ZHAO Yi， XU Si-yu
Geological Environmental Monitoring Central Station of Jilin Province， Changchun 130021， Jilin， China

There are rich in geothermal resources in Changbai Mountains of Jinlin Province， most of which are hightemperature geothermal resources. Based on fi eld surveys and consulting data， the writers describes geothermal geological conditions and the formation conditions of geothermal of Julong Spring Group in Changbai Mountains. The authors assess geothermal water samples collected by the fi eld surveys， including chemical composition， isotope， age， thermal storage temperature， fl uid quality and power potential， and systematically research on geothermal resources. It laid the foundation for focused research， exploration and exploitation of geothermal resources in Changbai Mountains.

geothermal resources； power potential； isotope； thermal storage temperature； fl uid quality

314.1；TK521

A

1001—2427（2015）03 - 126 -5

2014-12-05；

2015-09-22

中国地质调查局项目“全国地热资源现状调查评价与区划”（12120113077300）资助

刘 慧（1987—），女，山东菏泽人，吉林省地质环境监测总站助理工程师.