吉林省長白山區聚龍泉群地熱資源評價

劉 慧，趙 陽，饒文迪，趙 依，徐思瑜

吉林省地質環境監測總站，吉林 長春 130021

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吉林省長白山區聚龍泉群地熱資源評價

劉 慧，趙 陽，饒文迪，趙 依，徐思瑜

吉林省地質環境監測總站，吉林 長春 130021

在吉林省長白山地區，蘊藏著豐富的地熱資源，其中大多數為高溫地熱資源。本文根據實地調查與查閱文獻資料，介紹了長白山區聚龍泉群的地熱地質條件以及地熱的形成條件，并對實地調查采集的地熱水樣進行了化學組分、同位素、年齡、熱儲溫度、流體質量以及發電潛力的評價，系統性的對長白山地區的地熱資源做了基礎研究，為啟動長白山地區地熱資源的重點研究、勘查及開發利用打下了基礎。

地熱資源；發電潛力；同位素；熱儲溫度；流體質量

0 引言

長白山位于吉林省東南部地區，東經127°40'～128°16'，北緯41°35'～42°25'之間的地帶，是中、朝兩國的界山；是圖們江、鴨綠江、松花江的三江發源地。聞名中外的美景，一望無際的林海，以及棲息其間的珍禽異獸，于1980年列入聯合國國際生物圈保護區。

1 地熱地質條件

長白山區聚龍泉群，位于長白山腳下瀑布北峽谷底部，在面積約1 km2范圍內，出露具一定規模的地熱溫泉多處，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號溫泉，地理坐標：128°03′30.4″E，42°02′27.5″N。區內多被新生代火山巖覆蓋，零星出露一些老地層。長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—白山鎮北西向超巖石圈斷裂（圖1中的F2）的交匯處，長白山火山群大多數受上述構造及次一級斷裂控制，見圖1。

河床兩側均有溫泉出露，溫泉水由火山噴發形成斷裂并沿裂隙流出地表，形成近似長方形穴體，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）。經現場測溫，聚龍泉1號冬季水溫達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79 ℃，溫泉水煮雞蛋已成為該區旅游一大特色，是吉林省乃至全國知名的長白山區旅游勝地，目前由長白山管委會管轄。

圖 1 長白山天池地質略圖Fig.1 The geological sketch of Changbaishan Tianchi

圖 2 長白山區聚龍泉群地理景觀圖Fig.2 Geographical landscape of Julong Spring Group in Changbai Mountains

2 地熱形成條件分析

吉林省東部長白山區地熱田以構造裂隙發育的第四系更新統白頭山組粗面巖等火山熔巖為主，新生代火山活動形成地下巖漿房，并與深部構造斷裂相溝通，在巖漿房的高溫高熱烘烤下，經高壓釋放溢出地表。大氣降水、融雪水從地面滲入地下補給地下水，地下深部熱儲空間儲存大量的水資源，在地下深部熱源作用下不斷被加熱，形成并釋放高溫高壓，致使大地熱流呈垂直方向延裂隙向上流動，在地表形成溫泉。

長白山區聚龍泉群屬于隆起山地型地熱資源，熱儲蓋層厚度與盆地區相比較薄，一般在300～600 m之間，溫泉水溫度在60～79 ℃。

3 地熱水評價

3.1 地熱流體化學組分特征

長白山區聚龍泉群地熱流體主要受新生代火山噴發及深部構造斷裂控制，同時分布地域不同也有一定的差別。以長白山區聚龍泉群比較集中的五處溫泉為研究對象，根據水質分析報告，地熱流體呈弱堿性～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，地熱流體水化學類型為重碳酸、氯化物-鈉、鈣型。

3.2 化學同位素

根據地熱流體采樣分析結果，采自長白山聚龍泉群的地熱流體與大氣降水中氘（δD）和氧-18（δ18O）檢測值基本相近（表1），表明該區的地熱水除來自常溫地下水的補給外，同樣接受大氣降水和地表水的補給，其大氣降水的補給相對于地表水補給多一些。

表 1 長白山區聚龍泉群地下熱水穩定同位素δD、δ18O統計表Table 1 The statistics stable of isotope δD、δ18O of geothermal water of Julong Spring Group in Changbai Mountains

從圖3可知，區內代表性的取樣點同位素氘（δD）、氧-18（δ18O）監測數據均落在中國大氣降水線以下，說明吉林省長白山區聚龍泉群地熱流體主要補給來源均為大氣降水。

圖 3 地熱流體δD、δ18O與大氣降水線的關系圖（中國資源綜合利用協會地溫資源綜合利用專業委員會，2009）Fig.3 Diagram of geothermal f uid δD、δ18O with atmospheric precipitation

3.3 年齡測定

依據地下水14C測年樣品BaCO3沉淀法采集程序進行樣品的采樣，根據年齡同位素檢測分析報告（表2），長白山區聚龍溫泉群熱水來源較老，約為37.25 ka。

表 2 放射性同位素13C、14C及年齡測定統計表Table 2 The statistics of radio isotope13C、14C and age determination

3.4 熱儲溫度

熱儲溫度利用地球化學溫標溫度進行計算。根據該地區的實際情況，熱水在其達到取樣點（泉口或井口）時沒有沸騰，因此選用無蒸汽損失的石英溫標，計算公式為：

根據公式，計算出的長白山區聚龍泉群的熱儲溫度平均為194.28 ℃。對照國標《地熱資源地質勘查規范》（GB/T11615-2010）進行地熱資源溫度分級，該熱水屬于高溫地熱資源（t≥150 ℃），可作為發電、烘干、采暖等用途。

3.5 發電潛力評價

3.5.1 評價方法

（1）計算熱儲熱能：即計算地熱資源量，可以利用體積法計算熱儲的熱能Wr：

式中：Wr——熱儲熱能（J）；

V——熱儲體積（cm3）；

ρ——巖石和水的體積比熱；一般取2.7 J/ cm3/℃；

T——熱儲溫度（℃）；T0——恒溫帶溫度（℃）。

（2）計算井口熱能Qwh：即能夠從鉆孔中提取的那一部分熱能，計算公式如下：

式中：Wr——熱儲熱能（J）；

Rg——采收率即可，一般取0.25。

（3）計算有用功Wa：按照熱力學第一定律，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的熵值；

T0（S-S0）——表示在可逆過程中未能轉化成功的熱能。

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

式中：η——有用功Wa與熱儲熱能Wr的比值（Wa / Wr）。

（4）計算發電潛力：計算公式如下：E = Wa × B

式中：E——發電潛力（J）；

B——動能轉化成電能的工作效率。對于不同溫度的工作流體和不同類型的循環系統，工作效率變化很大。對于單次閃蒸系統一般B值取0.1～0.3，雙循環系統取0.3～0.4，二次閃蒸取0.4，全流系統取0.5，蒸汽系統取0.6等等。

（5）30年發電功率換算：

式中：P——30年發電功率（MW）；

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

3.5.2 評價范圍

根據《全國地熱資源調查評價與區劃技術要求（試行）》關于熱儲體積的劃定：熱儲范圍如可由控熱斷裂構造圈閉，則由地質構造來圈定，如熱儲范圍界線模糊，高溫地熱資源則考慮地熱異常點6 km3（面積1.5 km2，厚度4 km）范圍作為發電潛力計算范圍。

3.5.3 評價結果

根據電能劃分，其規模為大型地熱田。

3.6 理療熱礦泉水評價

地熱流體質量評價共采取地熱流體監測樣品5組，溫泉水樣采集為溫泉溢出口。依據GB/ T11615-2010附錄E理療熱礦水水質標準，對地熱流體進行評價。評價結果表明，5處地熱流體全部達到命名氟水礦水濃度，氟質量濃度達6.2～7.0mg/L；礦化度全部超標；偏硼酸全部達到礦水濃度；偏硅酸全部達到命名礦水濃度；泉口溢出溫度均為溫水。

表 3 高溫地熱資源發電潛力評價表Table 3 The evaluation of power potential of high-temperature geothermal resources

4 結論

吉林省長白山區聚龍泉群泉水主要來源為大氣降水；地熱流體水化學類型為重碳酸、氯化物-鈉、鈣型；地下水年齡較老，約為37.2 ka；熱儲溫度為194.28 ℃，屬于高溫地熱資源；30年發電潛力為70.18 MW，屬于大型地熱田；該處泉水可作為理療用水。

［1］中國資源綜合利用協會地溫資源綜合利用專業委員會.天津市南部平原區地熱流體同位素特征［C］ .地溫資源與地源熱泵技術應用論文集第三集. 北京：地質出版社. 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

中國地質調查局項目“全國地熱資源現狀調查評價與區劃”（12120113077300）資助

劉 慧（1987—），女，山東菏澤人，吉林省地質環境監測總站助理工程師.