吉林省中深層地?zé)崮芄┡Y源量評估分析

石 巖，李明奇，張清晨，白 皓

（吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長春 130118）

0 引言

化石能源消耗所產(chǎn)生的CO2等污染物對環(huán)境造成了極大的破壞，控制CO2排放量以解決溫室效應(yīng)等環(huán)境問題是世界各國的共同目標(biāo)，我國承諾：力爭于2030年前達(dá)到碳排放峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和[1]。

調(diào)查研究和地質(zhì)勘探表明，吉林省中深層地?zé)崮芄┡Y源量大，熱流值高，開發(fā)利用前景廣闊。本文首先對吉林省地?zé)崮苜Y源形成條件和大地?zé)崃魈卣鬟M(jìn)行分析研究，并對省內(nèi)中深層地?zé)崮苜Y源量進(jìn)行評估，最后系統(tǒng)地對吉林省地?zé)崮芄┡_發(fā)的適宜性進(jìn)行資源評價分析。

1 吉林省地質(zhì)概況

1.1 地體構(gòu)造特征

吉林省地體構(gòu)造經(jīng)歷了前寒武紀(jì)古陸核增生，古元古代地體裂解，新元古代過渡殼增生；早古生代時期，伊-舒斷裂兩側(cè)存在著不同的大地構(gòu)造，以東是吉林-延邊早古生代增生褶皺帶，以西為華北板塊活動陸緣島區(qū)；晚古生代經(jīng)過兩次裂陷拉張和聚合，地殼逐漸發(fā)育成熟；晚古生代晚期地體碰撞、拼合；中生代吉林省統(tǒng)一為后陸殼階段[2]。

1.2 地層特征

吉林省的地層自下而上為:太古界、下元古界、震旦亞界、震旦及寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二迭系、侏羅系、白堊系、第三系、第四系[3]。地層巖體劃分為：①巖漿巖建造包括塊狀堅硬花崗巖巖組，薄層狀軟弱花崗巖風(fēng)化殼、塊狀堅硬玄武巖組，塊狀-厚層狀較堅硬的火山碎屑巖巖組；②沉積巖建造包括碎屑巖和碳酸鹽巖兩種；③變質(zhì)巖建造由混合巖、片麻巖、板巖、千枚巖、片巖等組成。

1.3 區(qū)域構(gòu)造演化

吉林省區(qū)域構(gòu)造演化主要分為兩個階段[4]。

第一階段是地幔物質(zhì)的熱動力向地表方向發(fā)育，使巖體向相反方向移動，表現(xiàn)于研究區(qū)域的前期發(fā)育階段；

第二階段是板塊運移對吉林省所處的板塊受到碰撞擠壓，使巖體相向移動，對研究區(qū)域的后期發(fā)育階段產(chǎn)生作用。

前者使研究區(qū)域受到張力的影響，后者使研究區(qū)域受到壓力的影響。兩種不同方向的壓力作用于研究區(qū)域，促使研究區(qū)域發(fā)生了不同形式的構(gòu)造演化。

2 研究區(qū)地?zé)釛l件分析

2.1 地?zé)嵝纬蓷l件

儲存在巖層中的熱量稱為熱源；熱能大量存在的地層巖組稱為熱儲；在熱儲之上覆蓋著一層滲透率較低且能夠阻斷大部分熱量向太空傳導(dǎo)的沉積巖組，稱為熱儲蓋層；巖體之間的裂隙，有助于各熱儲之間及深部熱能與儲層之間的熱量傳遞，稱為熱通道[5]。

1）熱源條件分析。相關(guān)學(xué)者對研究區(qū)的勘察資料分析表明：地層中的萬昌組、永吉組、土門子組、暉春組、登婁庫組、泉頭組、青山口組均有砂巖、砂礫巖、玄武巖、泥巖及火山灰?guī)r分布[6]，并且熱量充滿各個巖組裂隙，熱量大，豐度高，為研究區(qū)提供了良好的熱源條件。

2）熱儲層分析。研究區(qū)水熱型熱儲層主要包括長白山天池瀑布北側(cè)熱儲帶與西坡梯子河熱儲帶、撫松仙人橋大營溫泉、長白十八道溝溫泉和臨江花山老三隊溫泉群、伊通-舒蘭斷陷盆地和松遼盆地；干熱型熱儲層廣泛分布于研究區(qū)砂巖和基底花崗巖中，研究區(qū)具有良好的熱儲層條件。

3）熱儲蓋層分析。登婁庫組頂部發(fā)育為較厚的細(xì)粉砂巖泥巖互層，滲透率低于30 md（1 md=10-3μm2）；泉頭組頂部發(fā)育滲透率在30 md~40 md泥質(zhì)砂巖與泥巖互層；營城組營一段頂部發(fā)育厚度可達(dá)240 m的火山巖[7]，萬昌組頂部發(fā)育為較厚的第四系與巨厚的第三系泥巖[8]，滲透率低于30 md，為研究區(qū)提供了良好的熱儲蓋層條件。

4）熱通道分析。吉林省東部的北東向斷裂帶包括伊舒斷裂帶、敦密斷裂帶、鴨綠江斷裂帶[9]；北西向斷裂帶包括大安-扶余斷裂帶、科右前旗-伊通斷裂帶、突泉-四平斷裂帶；東西向斷裂有洮南-扶余斷裂；還有嫩江斷裂帶、乾安-長嶺斷裂帶、雙遼-扶余斷裂帶、四平德惠斷裂帶，為熱儲之間熱量傳遞提供運輸通道。

2.2 大地?zé)崃魈卣?/h3>

據(jù)最新統(tǒng)計資料[10]，我國境內(nèi)大地?zé)崃髦抵饕植紖^(qū)間為23 mW/m2~319 mW/m2，平均值為（61.5±13.9）mW/m2。如表1所示，吉林省大地?zé)崃髦抵饕植紖^(qū)間為64.6 mW/m2~85.1 mW/m2，平均熱流值為72.2 mW/m2，屬于我國大地?zé)崃髦递^高的地區(qū)。

表1 吉林省大地?zé)崃鹘y(tǒng)計表[10]

3 研究區(qū)地?zé)豳Y源儲存量評估

3.1 地?zé)豳Y源儲存量計算模型

吉林省地?zé)崮苜Y源分布相對均勻，在吉林省東、中、西部均有分布。其中，吉林省東部包括長白山天池溫泉群等地；中部包括伊通盆地等地；西部包括松遼盆地主體等地[11]。其地?zé)豳Y源儲存量利用《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》所提倡的熱儲法計算，計算公式如下[12]：

式（1）中：Qr為地?zé)崮苜Y源量，J；A為計算區(qū)面積，m2；H為熱儲平均厚度，m；tr為熱儲平均溫度，t0為基準(zhǔn)溫度（取當(dāng)?shù)囟嗄昶骄鶜鉁兀?，℃；C為熱儲巖石和水的平均比熱容，J/kg·℃，由式（2）計算[12]：

式（2）中：ρc和ρw分別為巖石和水的密度，kg/m3；Cc和Cw分別為巖石和水的比熱容，J/kg·℃；φ為巖石的平均孔隙度，%。

3.2 地?zé)豳Y源儲存量采收率計算模型

計算公式如下[13]：

式（3）中：Qk為地?zé)豳Y源可開采量，kJ；RE為回收率，取8%[13]；Q為地?zé)豳Y源儲量，kJ。

3.3 節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量計算模型

計算公式如下[14]：

式（4）中：Q為地?zé)豳Y源量，J；Qr為燃燒1 t標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生的熱量，J；η為鍋爐效率，按經(jīng)驗取0.6；M為開采利用地?zé)崮芩?jié)約的標(biāo)準(zhǔn)煤量，t。

3.4 主要計算參數(shù)選取

1）熱儲面積、孔隙度、厚度及巖石密度和比熱

熱儲面積及孔隙度通過整理吉林省東、中、西部熱異常區(qū)現(xiàn)有的地?zé)峥辈熨Y料確定。熱儲層巖石和地?zé)崃黧w密度及比熱的數(shù)據(jù)通過查閱《地?zé)豳Y源評價方法及估算規(guī)程》進(jìn)行取值，水的密度取998.2 kg/m3，比熱取4 183 J/kg·℃。因為地?zé)峋砺癫赜诘叵?，井筒和周圍地層之間會產(chǎn)生傳熱現(xiàn)象，所以研究區(qū)熱儲厚度取地表至地下3 000 m的深度。由于地溫梯度的影響，故將研究區(qū)熱儲厚度劃分為0~200 m的淺層地?zé)崮堋?00 m~1 000 m和1 000 m~3 000 m的中深層地?zé)崮苓M(jìn)行計算（見表2）。

表2 各熱異常區(qū)熱儲面積、孔隙度、厚度及巖石密度和比熱[6，11，13-19]

2）熱儲溫度

根據(jù)《地?zé)豳Y源評價方法及估算規(guī)程》所提倡的根據(jù)地溫梯度計算熱儲溫度，計算公式如下[13]：

式（5）中：Tz為熱儲中部溫度，T0為恒溫帶溫度或多年平均氣溫，℃；T為每100 m地溫梯度，℃；H為熱儲中部埋深，m，根據(jù)熱儲埋藏深度確定；H0為恒溫層深度，m，按經(jīng)驗取60 m。

地溫梯度值根據(jù)現(xiàn)有的勘察資料確定，其中長白山區(qū)域地溫梯度取2.05℃[16]，伊通盆地區(qū)域地溫梯度取3.75℃[17-18]，松遼盆地地溫梯度取3.80℃[19]。詳細(xì)計算結(jié)果見表3。

表3 各熱異常區(qū)熱儲溫度計算結(jié)果[6，11，13-19]

3.5 地?zé)豳Y源儲存量計算

將計算參數(shù)代入公式（1）~（4）中進(jìn)行計算。各區(qū)域計算結(jié)果如圖1所示。

圖1 各區(qū)域計算結(jié)果

各區(qū)域計算結(jié)果匯總見表4。

表4 地?zé)豳Y源儲存量計算結(jié)果匯總

吉林省中深層地?zé)豳Y源儲存量為2.81×1022J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤量1.59×1011tce；地?zé)豳Y源儲存量可開采量為2.25×1021J，可開采地?zé)豳Y源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤量1.27×1010tce。

3.6 相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)煤量的減排量計算

煤等化石燃料燃燒排放的CO2等污染物對環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞。吉林省中深層地?zé)豳Y源儲存量豐富，如科學(xué)利用可緩解CO2等污染物排放過多帶來的負(fù)面影響，其減少的污染物排放量計算公式如下[12]：

式（6）中：m為大氣排放物，t；f為每噸標(biāo)煤燃燒大氣排放物系數(shù)，t/tce；M為相當(dāng)節(jié)約的標(biāo)煤量，tce。

燃燒1 tce標(biāo)準(zhǔn)煤向大氣排放CO2量為2.386 t，SO2量為0.017 t，氮氧化物0.006 t和懸浮質(zhì)粉塵0.008 t[12]。若能將吉林省中深層可開采地?zé)豳Y源量全部開發(fā)利用，則可減少排放CO2量為3.03×1010t，SO2量為2.16×108t，氮氧化物7.62×107t和懸浮質(zhì)粉塵1.02×108t。吉林省是全國采暖需求量較多的地區(qū)之一，利用地?zé)豳Y源供暖，不僅可以滿足人們對采暖溫度的要求，還能有效減少傳統(tǒng)燃燒化石燃料供暖方式帶來的環(huán)境污染，實現(xiàn)“綠色采暖、清潔供暖”的設(shè)想。

4 結(jié)論

本文首先根據(jù)研究區(qū)相關(guān)資料對吉林省大地構(gòu)造背景和地層特征進(jìn)行簡要概括，從區(qū)域構(gòu)造演化對吉林省地?zé)豳Y源的相關(guān)影響進(jìn)行論述；其次分析了吉林省地?zé)豳Y源形成條件及大地?zé)崃魈卣鳎蛔詈笸ㄟ^熱儲法評估出吉林省中深層地?zé)豳Y源儲存量，并計算出地?zé)崮荛_發(fā)利用后帶來的環(huán)保效益，進(jìn)而歸納出吉林省地?zé)崮芄┡_發(fā)的適宜性。得出如下結(jié)論。

1）吉林省地層中含有較高熱量的巖組，并且擁有大量的溫泉群和熱儲帶，熱源條件優(yōu)越，同時廣泛分布著滲透率較低的泥巖，具有較好的隔熱性能，阻斷大部分熱量向空氣中流失，區(qū)域內(nèi)發(fā)育的斷裂系統(tǒng)具有方向多元、層級豐富的特點，是熱量較快傳遞的重要保障。因此，研究區(qū)具有較好的地?zé)嵘蓷l件。

2）吉林省熱儲深度在3 000 m以內(nèi)的中深層地?zé)豳Y源儲存量為2.81×1022J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤1.59×1011tce；可開采地?zé)豳Y源量為2.25×1021J，可開采地?zé)豳Y源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤1.27×1010tce，且在大地?zé)崃鞯臒嵫a(bǔ)償作用下中深層地?zé)崮芫哂休^好的地溫恢復(fù)性。

3）吉林省屬于寒冷地區(qū)，供暖周期長，燃煤供暖經(jīng)濟(jì)成本高并且污染環(huán)境，若能將吉林省中深層可開采地?zé)豳Y源量加以開發(fā)利用，可減少CO2排放3.03×1010t，在當(dāng)前政策和能源背景下，適宜大規(guī)模推進(jìn)淺-中-深層地?zé)崮芮鍧嵐┡椖俊?/p>