吉林省長(zhǎng)白山區(qū)聚龍泉群地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)

劉 慧，趙 陽(yáng)，饒文迪，趙 依，徐思瑜

吉林省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，吉林 長(zhǎng)春 130021

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吉林省長(zhǎng)白山區(qū)聚龍泉群地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)

劉 慧，趙 陽(yáng)，饒文迪，趙 依，徐思瑜

吉林省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，吉林 長(zhǎng)春 130021

在吉林省長(zhǎng)白山地區(qū)，蘊(yùn)藏著豐富的地?zé)豳Y源，其中大多數(shù)為高溫地?zé)豳Y源。本文根據(jù)實(shí)地調(diào)查與查閱文獻(xiàn)資料，介紹了長(zhǎng)白山區(qū)聚龍泉群的地?zé)岬刭|(zhì)條件以及地?zé)岬男纬蓷l件，并對(duì)實(shí)地調(diào)查采集的地?zé)崴畼舆M(jìn)行了化學(xué)組分、同位素、年齡、熱儲(chǔ)溫度、流體質(zhì)量以及發(fā)電潛力的評(píng)價(jià)，系統(tǒng)性的對(duì)長(zhǎng)白山地區(qū)的地?zé)豳Y源做了基礎(chǔ)研究，為啟動(dòng)長(zhǎng)白山地區(qū)地?zé)豳Y源的重點(diǎn)研究、勘查及開發(fā)利用打下了基礎(chǔ)。

地?zé)豳Y源；發(fā)電潛力；同位素；熱儲(chǔ)溫度；流體質(zhì)量

0 引言

長(zhǎng)白山位于吉林省東南部地區(qū)，東經(jīng)127°40'～128°16'，北緯41°35'～42°25'之間的地帶，是中、朝兩國(guó)的界山；是圖們江、鴨綠江、松花江的三江發(fā)源地。聞名中外的美景，一望無(wú)際的林海，以及棲息其間的珍禽異獸，于1980年列入聯(lián)合國(guó)國(guó)際生物圈保護(hù)區(qū)。

1 地?zé)岬刭|(zhì)條件

長(zhǎng)白山區(qū)聚龍泉群，位于長(zhǎng)白山腳下瀑布北峽谷底部，在面積約1 km2范圍內(nèi)，出露具一定規(guī)模的地?zé)釡厝嗵?，其中比較集中的共有5處溫泉，水溫在60～79 ℃之間。溫度最高的為1號(hào)溫泉，地理坐標(biāo)：128°03′30.4″E，42°02′27.5″N。區(qū)內(nèi)多被新生代火山巖覆蓋，零星出露一些老地層。長(zhǎng)白山火山處于六道溝—天池—甄峰山北東大斷裂（圖1中的F1）和金策—白山鎮(zhèn)北西向超巖石圈斷裂（圖1中的F2）的交匯處，長(zhǎng)白山火山群大多數(shù)受上述構(gòu)造及次一級(jí)斷裂控制，見圖1。

河床兩側(cè)均有溫泉出露，溫泉水由火山噴發(fā)形成斷裂并沿裂隙流出地表，形成近似長(zhǎng)方形穴體，泉水在底部上涌形成柱形水花。由于常年涌流，泉周圍形成黃綠色泉華，冬季泉群周邊霧氣蒸騰（圖2）。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫，聚龍泉1號(hào)冬季水溫達(dá)78 ℃，溫泉流量3.24 L/s。由于溫泉群呈星狀分布且多以散流形式溢出地表，熱流體匯集不集中，故單體溫泉流量受限。由于溫泉最高水溫高達(dá)79 ℃，溫泉水煮雞蛋已成為該區(qū)旅游一大特色，是吉林省乃至全國(guó)知名的長(zhǎng)白山區(qū)旅游勝地，目前由長(zhǎng)白山管委會(huì)管轄。

圖 1 長(zhǎng)白山天池地質(zhì)略圖Fig.1 The geological sketch of Changbaishan Tianchi

圖 2 長(zhǎng)白山區(qū)聚龍泉群地理景觀圖Fig.2 Geographical landscape of Julong Spring Group in Changbai Mountains

2 地?zé)嵝纬蓷l件分析

吉林省東部長(zhǎng)白山區(qū)地?zé)崽镆詷?gòu)造裂隙發(fā)育的第四系更新統(tǒng)白頭山組粗面巖等火山熔巖為主，新生代火山活動(dòng)形成地下巖漿房，并與深部構(gòu)造斷裂相溝通，在巖漿房的高溫高熱烘烤下，經(jīng)高壓釋放溢出地表。大氣降水、融雪水從地面滲入地下補(bǔ)給地下水，地下深部熱儲(chǔ)空間儲(chǔ)存大量的水資源，在地下深部熱源作用下不斷被加熱，形成并釋放高溫高壓，致使大地?zé)崃鞒蚀怪狈较蜓恿严断蛏狭鲃?dòng)，在地表形成溫泉。

長(zhǎng)白山區(qū)聚龍泉群屬于隆起山地型地?zé)豳Y源，熱儲(chǔ)蓋層厚度與盆地區(qū)相比較薄，一般在300～600 m之間，溫泉水溫度在60～79 ℃。

3 地?zé)崴u(píng)價(jià)

3.1 地?zé)崃黧w化學(xué)組分特征

長(zhǎng)白山區(qū)聚龍泉群地?zé)崃黧w主要受新生代火山噴發(fā)及深部構(gòu)造斷裂控制，同時(shí)分布地域不同也有一定的差別。以長(zhǎng)白山區(qū)聚龍泉群比較集中的五處溫泉為研究對(duì)象，根據(jù)水質(zhì)分析報(bào)告，地?zé)崃黧w呈弱堿性～堿性，pH值為7.44～8.17，總堿度為669.54～771.77 mg/L，總硬度為66.95～119.95 mg/ L，溶解性總固體為1 065.49～1 320.42 mg/ L，偏硅酸為235.16～381.95 mg/ L，地?zé)崃黧w水化學(xué)類型為重碳酸、氯化物-鈉、鈣型。

3.2 化學(xué)同位素

根據(jù)地?zé)崃黧w采樣分析結(jié)果，采自長(zhǎng)白山聚龍泉群的地?zé)崃黧w與大氣降水中氘（δD）和氧-18（δ18O）檢測(cè)值基本相近（表1），表明該區(qū)的地?zé)崴齺?lái)自常溫地下水的補(bǔ)給外，同樣接受大氣降水和地表水的補(bǔ)給，其大氣降水的補(bǔ)給相對(duì)于地表水補(bǔ)給多一些。

表 1 長(zhǎng)白山區(qū)聚龍泉群地下熱水穩(wěn)定同位素δD、δ18O統(tǒng)計(jì)表Table 1 The statistics stable of isotope δD、δ18O of geothermal water of Julong Spring Group in Changbai Mountains

從圖3可知，區(qū)內(nèi)代表性的取樣點(diǎn)同位素氘（δD）、氧-18（δ18O）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均落在中國(guó)大氣降水線以下，說(shuō)明吉林省長(zhǎng)白山區(qū)聚龍泉群地?zé)崃黧w主要補(bǔ)給來(lái)源均為大氣降水。

圖 3 地?zé)崃黧wδD、δ18O與大氣降水線的關(guān)系圖（中國(guó)資源綜合利用協(xié)會(huì)地溫資源綜合利用專業(yè)委員會(huì)，2009）Fig.3 Diagram of geothermal f uid δD、δ18O with atmospheric precipitation

3.3 年齡測(cè)定

依據(jù)地下水14C測(cè)年樣品BaCO3沉淀法采集程序進(jìn)行樣品的采樣，根據(jù)年齡同位素檢測(cè)分析報(bào)告（表2），長(zhǎng)白山區(qū)聚龍溫泉群熱水來(lái)源較老，約為37.25 ka。

表 2 放射性同位素13C、14C及年齡測(cè)定統(tǒng)計(jì)表Table 2 The statistics of radio isotope13C、14C and age determination

3.4 熱儲(chǔ)溫度

熱儲(chǔ)溫度利用地球化學(xué)溫標(biāo)溫度進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)該地區(qū)的實(shí)際情況，熱水在其達(dá)到取樣點(diǎn)（泉口或井口）時(shí)沒有沸騰，因此選用無(wú)蒸汽損失的石英溫標(biāo)，計(jì)算公式為：

根據(jù)公式，計(jì)算出的長(zhǎng)白山區(qū)聚龍泉群的熱儲(chǔ)溫度平均為194.28 ℃。對(duì)照國(guó)標(biāo)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T11615-2010）進(jìn)行地?zé)豳Y源溫度分級(jí)，該熱水屬于高溫地?zé)豳Y源（t≥150 ℃），可作為發(fā)電、烘干、采暖等用途。

3.5 發(fā)電潛力評(píng)價(jià)

3.5.1 評(píng)價(jià)方法

（1）計(jì)算熱儲(chǔ)熱能：即計(jì)算地?zé)豳Y源量，可以利用體積法計(jì)算熱儲(chǔ)的熱能Wr：

式中：Wr——熱儲(chǔ)熱能（J）；

V——熱儲(chǔ)體積（cm3）；

ρ——巖石和水的體積比熱；一般取2.7 J/ cm3/℃；

T——熱儲(chǔ)溫度（℃）；T0——恒溫帶溫度（℃）。

（2）計(jì)算井口熱能Qwh：即能夠從鉆孔中提取的那一部分熱能，計(jì)算公式如下：

式中：Wr——熱儲(chǔ)熱能（J）；

Rg——采收率即可，一般取0.25。

（3）計(jì)算有用功Wa：按照熱力學(xué)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——分別代表排放流體在井口和尾水排放時(shí)的焓值；

H-H0——表示總熱能；

S和S0——分別代表排放流體在井口和尾水排放時(shí)的熵值；

T0（S-S0）——表示在可逆過(guò)程中未能轉(zhuǎn)化成功的熱能。

但是在實(shí)際操作中并不要如此復(fù)雜，只要知道熱儲(chǔ)的溫度，就可以查到有用功Wa與熱儲(chǔ)熱能Wr的比值（Wa / Wr），將此比值與熱儲(chǔ)熱能相乘即得有用功Wa。

式中：η——有用功Wa與熱儲(chǔ)熱能Wr的比值（Wa / Wr）。

（4）計(jì)算發(fā)電潛力：計(jì)算公式如下：E = Wa × B

式中：E——發(fā)電潛力（J）；

B——?jiǎng)幽苻D(zhuǎn)化成電能的工作效率。對(duì)于不同溫度的工作流體和不同類型的循環(huán)系統(tǒng)，工作效率變化很大。對(duì)于單次閃蒸系統(tǒng)一般B值取0.1～0.3，雙循環(huán)系統(tǒng)取0.3～0.4，二次閃蒸取0.4，全流系統(tǒng)取0.5，蒸汽系統(tǒng)取0.6等等。

（5）30年發(fā)電功率換算：

式中：P——30年發(fā)電功率（MW）；

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

3.5.2 評(píng)價(jià)范圍

根據(jù)《全國(guó)地?zé)豳Y源調(diào)查評(píng)價(jià)與區(qū)劃技術(shù)要求（試行）》關(guān)于熱儲(chǔ)體積的劃定：熱儲(chǔ)范圍如可由控?zé)釘嗔褬?gòu)造圈閉，則由地質(zhì)構(gòu)造來(lái)圈定，如熱儲(chǔ)范圍界線模糊，高溫地?zé)豳Y源則考慮地?zé)岙惓｜c(diǎn)6 km3（面積1.5 km2，厚度4 km）范圍作為發(fā)電潛力計(jì)算范圍。

3.5.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)電能劃分，其規(guī)模為大型地?zé)崽铩?/p>

3.6 理療熱礦泉水評(píng)價(jià)

地?zé)崃黧w質(zhì)量評(píng)價(jià)共采取地?zé)崃黧w監(jiān)測(cè)樣品5組，溫泉水樣采集為溫泉溢出口。依據(jù)GB/ T11615-2010附錄E理療熱礦水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)地?zé)崃黧w進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，5處地?zé)崃黧w全部達(dá)到命名氟水礦水濃度，氟質(zhì)量濃度達(dá)6.2～7.0mg/L；礦化度全部超標(biāo)；偏硼酸全部達(dá)到礦水濃度；偏硅酸全部達(dá)到命名礦水濃度；泉口溢出溫度均為溫水。

表 3 高溫地?zé)豳Y源發(fā)電潛力評(píng)價(jià)表Table 3 The evaluation of power potential of high-temperature geothermal resources

4 結(jié)論

吉林省長(zhǎng)白山區(qū)聚龍泉群泉水主要來(lái)源為大氣降水；地?zé)崃黧w水化學(xué)類型為重碳酸、氯化物-鈉、鈣型；地下水年齡較老，約為37.2 ka；熱儲(chǔ)溫度為194.28 ℃，屬于高溫地?zé)豳Y源；30年發(fā)電潛力為70.18 MW，屬于大型地?zé)崽?；該處泉水可作為理療用水?/p>

［1］中國(guó)資源綜合利用協(xié)會(huì)地溫資源綜合利用專業(yè)委員會(huì).天津市南部平原區(qū)地?zé)崃黧w同位素特征［C］ .地溫資源與地源熱泵技術(shù)應(yīng)用論文集第三集. 北京：地質(zhì)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

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目“全國(guó)地?zé)豳Y源現(xiàn)狀調(diào)查評(píng)價(jià)與區(qū)劃”（12120113077300）資助

劉 慧（1987—），女，山東菏澤人，吉林省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站助理工程師.