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(zhǎng)春 130118）

0 引言

化石能源消耗所產(chǎn)生的CO2等污染物對(duì)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(guó)的共同目標(biāo)，我國(guó)承諾：力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到碳排放峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)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(duì)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(duì)省內(nèi)中深層地?zé)崮苜Y源量進(jìn)行評(píng)估，最后系統(tǒng)地對(duì)吉林省地?zé)崮芄┡_發(fā)的適宜性進(jìn)行資源評(píng)價(jià)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(shí)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(dòng)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(jiān)硬花崗巖巖組，薄層狀軟弱花崗巖風(fēng)化殼、塊狀堅(jiān)硬玄武巖組，塊狀-厚層狀較堅(jiān)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(gè)階段[4]。

第一階段是地幔物質(zhì)的熱動(dòng)力向地表方向發(fā)育，使巖體向相反方向移動(dòng)，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(yùn)移對(duì)吉林省所處的板塊受到碰撞擠壓，使巖體相向移動(dòng)，對(duì)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(chǔ)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(chǔ)；在熱儲(chǔ)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(chǔ)蓋層；巖體之間的裂隙，有助于各熱儲(chǔ)之間及深部熱能與儲(chǔ)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(duì)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(gè)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(chǔ)層分析。研究區(qū)水熱型熱儲(chǔ)層主要包括長(zhǎng)白山天池瀑布北側(cè)熱儲(chǔ)帶與西坡梯子河熱儲(chǔ)帶、撫松仙人橋大營(yíng)溫泉、長(zhǎng)白十八道溝溫泉和臨江花山老三隊(duì)溫泉群、伊通-舒蘭斷陷盆地和松遼盆地；干熱型熱儲(chǔ)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(chǔ)層條件。

3）熱儲(chǔ)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(yíng)城組營(yíng)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(chǔ)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(zhǎng)嶺斷裂帶、雙遼-扶余斷裂帶、四平德惠斷裂帶，為熱儲(chǔ)之間熱量傳遞提供運(yùn)輸通道。

2.2 大地?zé)崃魈卣?/h3>

據(jù)最新統(tǒng)計(jì)資料[10]，我國(guó)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(guó)大地?zé)崃髦递^高的地區(qū)。

表1 吉林省大地?zé)崃鹘y(tǒng)計(jì)表[10]

3 研究區(qū)地?zé)豳Y源儲(chǔ)存量評(píng)估

3.1 地?zé)豳Y源儲(chǔ)存量計(jì)算模型

吉林省地?zé)崮苜Y源分布相對(duì)均勻，在吉林省東、中、西部均有分布。其中，吉林省東部包括長(zhǎng)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(chǔ)存量利用《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》所提倡的熱儲(chǔ)法計(jì)算，計(jì)算公式如下[12]：

式（1）中：Qr為地?zé)崮苜Y源量，J；A為計(jì)算區(qū)面積，m2；H為熱儲(chǔ)平均厚度，m；tr為熱儲(chǔ)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(chǔ)巖石和水的平均比熱容，J/kg·℃，由式（2）計(jì)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(chǔ)存量采收率計(jì)算模型

計(jì)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(chǔ)量，kJ。

3.3 節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量計(jì)算模型

計(jì)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(yàn)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(jì)算參數(shù)選取

1）熱儲(chǔ)面積、孔隙度、厚度及巖石密度和比熱

熱儲(chǔ)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(chǔ)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(píng)價(jià)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?yàn)榈責(zé)峋砺癫赜诘叵?，井筒和周圍地層之間會(huì)產(chǎn)生傳熱現(xiàn)象，所以研究區(qū)熱儲(chǔ)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(chǔ)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(jì)算（見表2）。

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

2）熱儲(chǔ)溫度

根據(jù)《地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法及估算規(guī)程》所提倡的根據(jù)地溫梯度計(jì)算熱儲(chǔ)溫度，計(jì)算公式如下[13]：

式（5）中：Tz為熱儲(chǔ)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(chǔ)中部埋深，m，根據(jù)熱儲(chǔ)埋藏深度確定；H0為恒溫層深度，m，按經(jīng)驗(yàn)取60 m。

地溫梯度值根據(jù)現(xiàn)有的勘察資料確定，其中長(zhǎng)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(jì)算結(jié)果見表3。

表3 各熱異常區(qū)熱儲(chǔ)溫度計(jì)算結(jié)果[6，11，13-19]

3.5 地?zé)豳Y源儲(chǔ)存量計(jì)算

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

圖1 各區(qū)域計(jì)算結(jié)果

各區(qū)域計(jì)算結(jié)果匯總見表4。

表4 地?zé)豳Y源儲(chǔ)存量計(jì)算結(jié)果匯總

吉林省中深層地?zé)豳Y源儲(chǔ)存量為2.81×1022J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤量1.59×1011tce；地?zé)豳Y源儲(chǔ)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(jì)算

煤等化石燃料燃燒排放的CO2等污染物對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞。吉林省中深層地?zé)豳Y源儲(chǔ)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(jì)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(guó)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(duì)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(shí)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(duì)吉林省大地構(gòu)造背景和地層特征進(jìn)行簡(jiǎn)要概括，從區(qū)域構(gòu)造演化對(duì)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?；最后通過熱儲(chǔ)法評(píng)估出吉林省中深層地?zé)豳Y源儲(chǔ)存量，并計(jì)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(chǔ)帶，熱源條件優(yōu)越，同時(shí)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(jí)豐富的特點(diǎn)，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(chǔ)深度在3 000 m以內(nèi)的中深層地?zé)豳Y源儲(chǔ)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(zhǎng)，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┡?xiàng)目。