吉林省中深层地热能供暖资源量评估分析

石 岩，李明奇，张清晨，白 皓

（吉林建筑大学市政与环境工程学院，吉林 长春 130118）

0 引言

化石能源消耗所产生的CO2等污染物对环境造成了极大的破坏，控制CO2排放量以解决温室效应等环境问题是世界各国的共同目标，我国承诺：力争于2030年前达到碳排放峰值，努力争取2060年前实现碳中和[1]。

调查研究和地质勘探表明，吉林省中深层地热能供暖资源量大，热流值高，开发利用前景广阔。本文首先对吉林省地热能资源形成条件和大地热流特征进行分析研究，并对省内中深层地热能资源量进行评估，最后系统地对吉林省地热能供暖开发的适宜性进行资源评价分析。

1 吉林省地质概况

1.1 地体构造特征

吉林省地体构造经历了前寒武纪古陆核增生，古元古代地体裂解，新元古代过渡壳增生；早古生代时期，伊-舒断裂两侧存在着不同的大地构造，以东是吉林-延边早古生代增生褶皱带，以西为华北板块活动陆缘岛区；晚古生代经过两次裂陷拉张和聚合，地壳逐渐发育成熟；晚古生代晚期地体碰撞、拼合；中生代吉林省统一为后陆壳阶段[2]。

1.2 地层特征

吉林省的地层自下而上为:太古界、下元古界、震旦亚界、震旦及寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二迭系、侏罗系、白垩系、第三系、第四系[3]。地层岩体划分为：①岩浆岩建造包括块状坚硬花岗岩岩组，薄层状软弱花岗岩风化壳、块状坚硬玄武岩组，块状-厚层状较坚硬的火山碎屑岩岩组；②沉积岩建造包括碎屑岩和碳酸盐岩两种；③变质岩建造由混合岩、片麻岩、板岩、千枚岩、片岩等组成。

1.3 区域构造演化

吉林省区域构造演化主要分为两个阶段[4]。

第一阶段是地幔物质的热动力向地表方向发育，使岩体向相反方向移动，表现于研究区域的前期发育阶段；

第二阶段是板块运移对吉林省所处的板块受到碰撞挤压，使岩体相向移动，对研究区域的后期发育阶段产生作用。

前者使研究区域受到张力的影响，后者使研究区域受到压力的影响。两种不同方向的压力作用于研究区域，促使研究区域发生了不同形式的构造演化。

2 研究区地热条件分析

2.1 地热形成条件

储存在岩层中的热量称为热源；热能大量存在的地层岩组称为热储；在热储之上覆盖着一层渗透率较低且能够阻断大部分热量向太空传导的沉积岩组，称为热储盖层；岩体之间的裂隙，有助于各热储之间及深部热能与储层之间的热量传递，称为热通道[5]。

1）热源条件分析。相关学者对研究区的勘察资料分析表明：地层中的万昌组、永吉组、土门子组、晖春组、登娄库组、泉头组、青山口组均有砂岩、砂砾岩、玄武岩、泥岩及火山灰岩分布[6]，并且热量充满各个岩组裂隙，热量大，丰度高，为研究区提供了良好的热源条件。

2）热储层分析。研究区水热型热储层主要包括长白山天池瀑布北侧热储带与西坡梯子河热储带、抚松仙人桥大营温泉、长白十八道沟温泉和临江花山老三队温泉群、伊通-舒兰断陷盆地和松辽盆地；干热型热储层广泛分布于研究区砂岩和基底花岗岩中，研究区具有良好的热储层条件。

3）热储盖层分析。登娄库组顶部发育为较厚的细粉砂岩泥岩互层，渗透率低于30 md（1 md=10-3μm2）；泉头组顶部发育渗透率在30 md~40 md泥质砂岩与泥岩互层；营城组营一段顶部发育厚度可达240 m的火山岩[7]，万昌组顶部发育为较厚的第四系与巨厚的第三系泥岩[8]，渗透率低于30 md，为研究区提供了良好的热储盖层条件。

4）热通道分析。吉林省东部的北东向断裂带包括伊舒断裂带、敦密断裂带、鸭绿江断裂带[9]；北西向断裂带包括大安-扶余断裂带、科右前旗-伊通断裂带、突泉-四平断裂带；东西向断裂有洮南-扶余断裂；还有嫩江断裂带、乾安-长岭断裂带、双辽-扶余断裂带、四平德惠断裂带，为热储之间热量传递提供运输通道。

2.2 大地热流特征

据最新统计资料[10]，我国境内大地热流值主要分布区间为23 mW/m2~319 mW/m2，平均值为（61.5±13.9）mW/m2。如表1所示，吉林省大地热流值主要分布区间为64.6 mW/m2~85.1 mW/m2，平均热流值为72.2 mW/m2，属于我国大地热流值较高的地区。

表1 吉林省大地热流统计表[10]

3 研究区地热资源储存量评估

3.1 地热资源储存量计算模型

吉林省地热能资源分布相对均匀，在吉林省东、中、西部均有分布。其中，吉林省东部包括长白山天池温泉群等地；中部包括伊通盆地等地；西部包括松辽盆地主体等地[11]。其地热资源储存量利用《地热资源地质勘查规范》所提倡的热储法计算，计算公式如下[12]：

式（1）中：Qr为地热能资源量，J；A为计算区面积，m2；H为热储平均厚度，m；tr为热储平均温度，t0为基准温度（取当地多年平均气温），℃；C为热储岩石和水的平均比热容，J/kg·℃，由式（2）计算[12]：

式（2）中：ρc和ρw分别为岩石和水的密度，kg/m3；Cc和Cw分别为岩石和水的比热容，J/kg·℃；φ为岩石的平均孔隙度，%。

3.2 地热资源储存量采收率计算模型

计算公式如下[13]：

式（3）中：Qk为地热资源可开采量，kJ；RE为回收率，取8%[13]；Q为地热资源储量，kJ。

3.3 节约标准煤量计算模型

计算公式如下[14]：

式（4）中：Q为地热资源量，J；Qr为燃烧1 t标准煤产生的热量，J；η为锅炉效率，按经验取0.6；M为开采利用地热能所节约的标准煤量，t。

3.4 主要计算参数选取

1）热储面积、孔隙度、厚度及岩石密度和比热

热储面积及孔隙度通过整理吉林省东、中、西部热异常区现有的地热勘察资料确定。热储层岩石和地热流体密度及比热的数据通过查阅《地热资源评价方法及估算规程》进行取值，水的密度取998.2 kg/m3，比热取4 183 J/kg·℃。因为地热井井身埋藏于地下，井筒和周围地层之间会产生传热现象，所以研究区热储厚度取地表至地下3 000 m的深度。由于地温梯度的影响，故将研究区热储厚度划分为0~200 m的浅层地热能、200 m~1 000 m和1 000 m~3 000 m的中深层地热能进行计算（见表2）。

表2 各热异常区热储面积、孔隙度、厚度及岩石密度和比热[6，11，13-19]

2）热储温度

根据《地热资源评价方法及估算规程》所提倡的根据地温梯度计算热储温度，计算公式如下[13]：

式（5）中：Tz为热储中部温度，T0为恒温带温度或多年平均气温，℃；T为每100 m地温梯度，℃；H为热储中部埋深，m，根据热储埋藏深度确定；H0为恒温层深度，m，按经验取60 m。

地温梯度值根据现有的勘察资料确定，其中长白山区域地温梯度取2.05℃[16]，伊通盆地区域地温梯度取3.75℃[17-18]，松辽盆地地温梯度取3.80℃[19]。详细计算结果见表3。

表3 各热异常区热储温度计算结果[6，11，13-19]

3.5 地热资源储存量计算

将计算参数代入公式（1）~（4）中进行计算。各区域计算结果如图1所示。

图1 各区域计算结果

各区域计算结果汇总见表4。

表4 地热资源储存量计算结果汇总

吉林省中深层地热资源储存量为2.81×1022J，折合标准煤量1.59×1011tce；地热资源储存量可开采量为2.25×1021J，可开采地热资源量折合标准煤量1.27×1010tce。

3.6 相当标准煤量的减排量计算

煤等化石燃料燃烧排放的CO2等污染物对环境造成了严重破坏。吉林省中深层地热资源储存量丰富，如科学利用可缓解CO2等污染物排放过多带来的负面影响，其减少的污染物排放量计算公式如下[12]：

式（6）中：m为大气排放物，t；f为每吨标煤燃烧大气排放物系数，t/tce；M为相当节约的标煤量，tce。

燃烧1 tce标准煤向大气排放CO2量为2.386 t，SO2量为0.017 t，氮氧化物0.006 t和悬浮质粉尘0.008 t[12]。若能将吉林省中深层可开采地热资源量全部开发利用，则可减少排放CO2量为3.03×1010t，SO2量为2.16×108t，氮氧化物7.62×107t和悬浮质粉尘1.02×108t。吉林省是全国采暖需求量较多的地区之一，利用地热资源供暖，不仅可以满足人们对采暖温度的要求，还能有效减少传统燃烧化石燃料供暖方式带来的环境污染，实现“绿色采暖、清洁供暖”的设想。

4 结论

本文首先根据研究区相关资料对吉林省大地构造背景和地层特征进行简要概括，从区域构造演化对吉林省地热资源的相关影响进行论述；其次分析了吉林省地热资源形成条件及大地热流特征；最后通过热储法评估出吉林省中深层地热资源储存量，并计算出地热能开发利用后带来的环保效益，进而归纳出吉林省地热能供暖开发的适宜性。得出如下结论。

1）吉林省地层中含有较高热量的岩组，并且拥有大量的温泉群和热储带，热源条件优越，同时广泛分布着渗透率较低的泥岩，具有较好的隔热性能，阻断大部分热量向空气中流失，区域内发育的断裂系统具有方向多元、层级丰富的特点，是热量较快传递的重要保障。因此，研究区具有较好的地热生成条件。

2）吉林省热储深度在3 000 m以内的中深层地热资源储存量为2.81×1022J，折合标准煤1.59×1011tce；可开采地热资源量为2.25×1021J，可开采地热资源量折合标准煤1.27×1010tce，且在大地热流的热补偿作用下中深层地热能具有较好的地温恢复性。

3）吉林省属于寒冷地区，供暖周期长，燃煤供暖经济成本高并且污染环境，若能将吉林省中深层可开采地热资源量加以开发利用，可减少CO2排放3.03×1010t，在当前政策和能源背景下，适宜大规模推进浅-中-深层地热能清洁供暖项目。