吉林省淺層地熱開發利用適宜性

祖秉新，孟凡利，張 丕，曹 葛，孫曉芳

吉林省水文地質調查所，吉林 長春130042

淺層地熱是可再生、清潔、環保的新型能源，開發利用前景十分廣闊。隨著吉林省經濟的快速發展，人民生活水平的不斷提高，在采暖、空調、生活、熱水等方面的熱能與制冷需求量越來越大。淺層地熱作為非常重要的新型能源，對緩解我省能源壓力、促進能源結構調整，尤其是減少二氧化碳的排放和建設資源節約型、環境友好型的和諧社會具有十分重要的現實意義。

1 區域地質及水文地質概況

吉林省在繼承中生代以前地質構造運動發展基礎上，由于新構造運動，使全省地形地貌、氣候水文、土壤植被等自然因素，自東南向西北出現明顯的梯度變化和分帶特征。地形地貌自東南向西北：由強烈上升切割劇烈的延邊通化玄武巖臺原臺地和基巖中低山 緩慢上升切割減弱的吉林遼源花崗巖低山丘陵 相對沉降挽近時期又有隆起的剝蝕堆積高平原 持續強烈沉降的扶余通榆堆積低平原 緩慢上升剝蝕強烈的洮安西部基巖丘陵低山。按地貌單元形態，全省劃分五個地質及水文地質帶。

1.1 臺原臺地中低山侵蝕帶

臺原臺地中低山侵蝕帶，位于輝南、敦化以東地區，為中等至強烈切割的臺原臺地和中低山。帶內從第三紀中新世至第四紀全新世均有火山運動，以火山噴溢為主。臺原臺地由玄武巖、橄欖玄武巖和少量粗面玄武巖及凝灰角礫巖組成。中山低山由古生代以前的變質巖、碳酸鹽巖及碎屑巖組成。地下水類型主要有玄武巖孔洞裂隙水、巖溶水、基巖裂隙水，局部地區在山間盆地和河谷有孔隙水。安圖、撫松、渾江一帶分布低溫或中高溫地熱水或礦泉水，地下水和礦泉水均以重碳酸型水為主，礦化度低于0.5 g/L，pH 值為6～7。

1.2 低山丘陵剝蝕帶

低山丘陵剝蝕帶，位于長大鐵路線東南的低山丘陵區，風化殼發育。帶內前震旦紀至中生代巖漿活動頻繁，華力西期花崗巖分布廣泛，燕山期花崗巖零星分布，局部有古生代碳酸鹽巖分布，沿北東向斷陷形成的伊通—舒蘭盆地，沉積巨厚的第三系和第四系地層。地下水類型以花崗巖基巖裂隙水和風化殼網狀裂隙水為主，局部有碳酸鹽巖巖溶水、碎屑巖裂隙孔隙水、松散巖類孔隙水、硅酸礦泉水。一般地下水和礦泉水以重碳酸型為主，礦化度小于0.5 g/L，pH 值為6～7。

1.3 高平原相對隆起帶

高平原相對隆起帶，位于扶余、長嶺以東廣大高平原地區。該帶中生代強烈沉降，新生代又相對隆起，是由白堊系為基座（軟巖層），局部分布10～20 m 厚的砂礫石，上覆黃土狀土剝蝕堆積，平原呈波狀起伏，切割明顯。地下水類型，河谷階地為松散巖類砂礫石孔隙水和隱狀斷裂的基巖裂隙水。此外，在大興安嶺山前傾斜平原的白城扇形地，含水層為中上更新統沖積礫卵石層，厚10～40 m，富水性較強，單井涌水量3 000～5 000 m3/d。還有松花江沿岸的高漫灘和一級階地前緣，含水層以礫卵石為主，厚15～20 m，單井涌水量1 000～3 000 m3/d。地下水化學類型均為重碳酸型，礦化度小于1.0 g/L，pH 值6～8。

1.4 低平原持續沉降帶

低平原持續沉降帶，位于扶余、長嶺以西，白城以東廣大地區。該帶中，新生代以來持續沉降，堆積厚達300 m 左右的河湖相泥質砂質松散沉積層。地下水類型，主要為第三系砂礫巖裂隙孔隙水和第四系松散巖類孔隙水。地下水礦化度0.5～3.0 g/L，隨著礦化度增高，地下水化學類型由重碳酸硫酸型→重碳酸氯化物型→氯化物重碳酸型，造成了如鐵、錳、氟等元素過剩。帶內沙漠化、鹽漬化、氟中毒現象廣泛。

1.5 丘陵剝蝕帶

丘陵剝蝕帶，位于白城以西，屬大興安嶺東麓的低山丘陵。帶中山勢和緩，山頂渾園，溝谷寬淺，河泉不多，地形完整，風化殼發育。侏羅系中酸性火山碎屑巖廣泛分布，花崗巖零星出露。地下水類型，以侏羅系火山碎屑巖裂隙孔隙水和花崗巖風化殼網狀裂隙水為主。地下水化學類型，均以礦化度低于0.5 g/L 的重碳酸型水。

2 地熱分類及形成機制

地熱是天然形成的地熱資源，是能夠經濟地被人類利用的地球內部的地熱能、地熱流體及其有用化學組分。目前可利用的地熱資源分為深層地熱和淺層地熱。深層地熱包括天然出露的溫泉、通過人工鉆井直接開采利用的地熱流體，還有干熱巖體中的地熱資源。淺層地熱是通過熱泵技術開采利用，它包括低溫的流體和巖土體，即水源熱泵技術（地下水、地表水）和地源熱泵技術開發利用淺層地熱能。

地熱受地質、水文地質和斷裂構造等控制，是供給儲熱中巖石和地熱流體的熱能來源，可以是現代巖漿活動的巖漿房，也可以是來自地殼深部的熱傳導或來自溝通深部熱源的現代活動性斷裂帶的熱對流。而淺層地熱是蘊藏在地表以下一定深度范圍（200 m）內巖土體、地下水和地表水中具有開發利用價值的熱能。

3 淺層地熱的特點

淺層地熱能來源于地殼的淺部，由于接受太陽能的輻射、降雨滲入所攜帶的熱量和深部大地熱流等因素的共同作用，保持了一定的熱量，成為一種熱能儲量巨大的低焓熱源。淺層地熱資源有以下特點：

（1）淺層地熱再生能力強∶淺層地熱由于大地熱流和水循環的補給，它與深層地熱相比，不僅再生能力強，而且開采成本低。

（2）淺層地熱分布廣泛∶地熱資源儲存在地下水和巖土體中，地下水中的熱能，在地下水水位以下，地下水類型為潛水，其補給條件較好，水溫變化不大，開發成本最低，應利用水源熱泵優先開發利用；土體巖體中的淺層地熱，受地質條件的影響，開發利用具有一定的難度，其難易程度為：土體 軟巖層 堅硬巖體，以吉林省地質條件分析，低平原土體 高平原土體與軟巖層 丘陵山區堅硬巖層。

（3）淺層地熱儲存量較大∶由于淺層地熱分布較廣，不論地下水或巖土體中的地熱儲量可觀，應盡早開發利用，緩解能源不足。

（4）淺層地熱開發利用方式∶淺層地熱的溫度偏低，不宜直接利用其能量，只有采用熱泵技術將水中的熱量和巖土體中的熱量提取驟集，才能成為很好的熱源。

4 淺層地熱開發利用現狀

21 世紀以來，國家相繼出臺了支持可再生能源開發利用的方針政策，地源熱泵行業有了較快的發展。據統計，暖通空調能耗占建筑能耗的65%，而地源熱泵具有明顯的優勢，包括高效節能、綠色環保、可再生能源利用，符合國家目前節能減排和環境保護可持續發展戰略。至2007 年底，全國有熱泵項目達4 800～5 000 個，其中以北京、河北、河南、山東、天津和遼寧為最多。受地質和水文地質條件所限，吉林省淺層地熱開發利用時間較晚。近幾年長春、吉林、梅河、榆樹、集安、松原等地的局部地段有零星開發利用，主要以開發利用地下水熱能為主，有成功的經驗，也有失敗的教訓。如：梅河口市區的水源熱泵項目，由于抽出來的水無法回灌而停止供暖；榆樹市五棵樹鎮水源熱泵項目，抽出來的水不能全部回灌到含水層中，至使剩余的水排入松花江，造成水資源浪費。因此，開發利用地下水淺層地熱前，必須進行淺層地熱的調查評價工作，然后再上淺層地熱項目，提高地熱開發利用的保證程度。

5 淺層地熱開發利用適宜條件

淺層地熱的開發利用，主要根據地質和水文地質條件，選擇適宜區段進行開發利用。應堅持降低成本和先易后難的原則進行淺層地熱開發。開發利用方式有兩種，一是地下水源熱泵技術，二是地源熱泵技術（地堆管）。

5.1 水源熱泵適宜條件

根據吉林省水文地質條件，水源熱泵適宜條件有限，僅在平原區的松花江兩岸的漫灘及一級階地前緣地帶和白城地區扇形地孔隙潛水，適合開發利用淺層地熱。全省大部分的河谷階地含水層巖性為砂及砂礫石層，其滲透系數一般為10～30 m/d，熱泵抽出的地下水不易全部回灌到地下水中，淺層地熱開發受到限制。而松花江沿岸漫灘及一級階地前緣和白城扇形地含水層巖性以礫卵石為主，地下水滲透系數30～50 m/d，含水層滲透性較好，單井涌水量在1 000～3 000 m3/d 以上，滿足淺層地熱開發的灌采比要求。除此之外，我省較大的河流如：伊通河、飲馬河、嫩江等的河漫灘也具備開采淺層地熱條件。

2010 年至2012 年通過長春、松原、榆樹、梅河、集安和鎮賚等市縣城區淺層地熱能調查評價報告結果表明，只有靠近松花江的鎮賚縣城區開采淺層地熱較適宜，其它縣（市）城區均不適宜淺層地熱的開發利用。如：山區內的集安市城區， 座落于鴨綠江畔，含水層以卵石為主，地下水滲透系數大于30 m/d。單井涌水量較小，僅165.28 m3/d（降深2.00 m），不適宜淺層地熱的開發利用。因此淺層地熱的開發利用，一是單井涌水量應大于1 000～3 000 m3/d 的水量豐富區，二是含水層顆粒粗、滲透性強，抽出來的地下水能100%的回灌到統一含水層中，才能滿足抽灌要求。

5.2 地源熱泵適宜條件

依據吉林省的地貌形態和地質條件，利用地源熱泵開采淺層地熱適宜性比較廣泛。結合降低成本和先易后難的原則，可先從土體和軟巖層開發利用地熱，即平原區的低平原土體、高平原的土體與軟巖層（包括河谷階地、黃土臺地的土體與軟巖層）綜合開發利用，最終達到開發利用淺層地熱的目的；伊舒盆地區，以第四系土體與第三系軟巖層為主，也適合淺層地熱的開發利用；中低山、丘陵和大興安嶺山地因地質條件為堅硬巖石，淺層地熱開發，一是難度大，二是成本高，因此適宜尋找深層地熱開發利用。

6 淺層地熱開發利用注意事項

（1）水源熱泵技術開發利用淺層地熱，其單位涌水量、灌采比、地下水位年下降量應滿足淺層地熱能勘查評價規范的要求。

（2）淺層地熱開發時，應有回灌保證，并保證水質不遭受污染。

（3）避免抽出來的地下水無組織的排放，應節約用水，保護水資源。

（4）加強水資源的管理和動態監測，發現問題及時解決或處理。

（5）受地域和緯度的影響，我省地表水在冬季溫度偏低，不易開發利用其熱能。

7 結論

淺層地熱是寶貴、環保、可再生的新型能源，應結合我省地質和水文地質條件的實際情況，堅持降低成本和先易后難的原則，更好地開發利用淺層地熱資源。

為了保證淺層地熱開發利用的質量和連續性，采用水源熱泵技術應有選擇性的對平原區大江、大河兩側的河漫灘、一級階地前緣含水層以礫卵石為主的地段和白城地區的扇形地等孔隙潛水，進行淺層地熱開發利用是較適宜的。

地源熱泵技術應選擇在低平原土體、高平原土體與軟巖層（包括河谷階地、黃土臺地土體與軟巖層）、伊舒盆地的土體與第三系巖層，進行淺層地熱的開發利用。

通過淺層地熱的開發利用，可減少二氧化碳的排放，使環境質量得到提高，并降低能源成本的消耗，為振興吉林省經濟發揮重要作用。

[1] 王鳳生.吉林地下水[M].長春：吉林科學技術出版社，1998.

[3] 吉林省地質礦產局.吉林省區域地質志[M].北京：地質出版社，1989.

[2] 吉林省志·卷二十二/地質礦產志[M].長春：吉林省人民出版社,2001.