第一作者简介: 王思维(1993—),男,工程师,主要从事水文地质方面的研究工作。Email: 1798295277@qq.com。
通信作者简介: 高鹤(1980—),男,高级工程师,主要从事地热地质方面的研究工作。Email: 76464883@qq.com。
吉林省伊舒盆地地层富水性良好、地热资源丰富,具有良好的地热资源开发利用前景。基于研究区伊舒盆地已有地热地质调查和评价资料,结合相关标准、规范和水化学方法,梳理分析研究区水文地质和地热地质条件,探讨了研究区内地热流体赋存条件、水化学和同位素组成特征,并利用热储岩体参数计算研究区的地热储量。结论表明: 研究区地热流体主要赋存于深层碎屑岩类裂隙孔隙中,形成条件具有较高相似性和一定的同源性,溶解性固体(total dissolved solids, TDS)较高、含氟和偏硅酸的低温碱性地下热水,水化学类型为
Yishu Basin in Jilin Province has good water-rich strata and rich geothermal resources, indicating good development and utilization prospects. Based on the existing geothermal geological survey and evaluation data of Yishu Basin, the authors in this article combed and analyzed the hydrogeological and geothermal geological conditions of the basin, combined with relevant standards, specifications and hydrochemical methods. Besides, the occurrence conditions, hydrochemistry and isotope composition of geothermal fluids in the basin were also discussed, and the geothermal reserves were estimated using the parameters of thermal storage rock mass. The conclusion shows that the geothermal fluid in Yishu Basin mainly exists in the compressed water of deep clastic rock fissures and pores, and the formation conditions have high similarity and certain homology, which are low-temperature alkaline underground hot water with high total dissolved solids (TDS), fluorine containing, metasilicic acid and chemical type of
地热资源是一种低碳、高效、可再生的综合性矿产资源, 在发电、采暖、医疗等方面有着广泛应用[1, 2]。
目前已有50多个国家将地热能开发利用作为新能源利用的重要方式[3], 当前, 国内地热资源勘查及开发利用重点逐步转向中深部地热, 因该地地热资源分布具有明显规律性和地带性, 以沉积盆地型和隆起山地型地热资源为主[4, 5, 6], 成为当前开发研究的热点。
吉林省伊舒盆地地热资源具有储量大、地层厚度大且富水性良好、开发利用前景好的特点[7, 8, 9, 10], 前期地质工作者对该地进行了不同程度的研究, 将伊舒盆地划分为具有4个隆起和3个凹陷的增温型地热田, 向斜盆地及西缘、东缘深断裂为该地构造主体[11]。李文俊等[12]认为伊舒南段地热流体赋存环境相对密闭, 循环时间较长。目前, 对于吉林省伊舒盆地地热流体的开发利用仍处于初步阶段, 部分区域仍属于地热勘查空白区。本文通过查明伊舒盆地地质及水文地质条件, 分析该地区地热流体赋存类型、水化学和同位素组成特征, 查明并计算热储岩体参数及地热流体储量, 为吉林省后续地热资源管理、开发和利用提供科学依据。
研究区伊舒盆地位于吉林省中部, 呈SW— NE方向展布, 面积共3 350 km2。研究区属北温带大陆性干寒季风型气候, 多年平均气温5.2 ℃, 多年平均降水量666.25 mm[13, 14, 15, 16]。研究区内水系发育, 水文网密集, 地表水属松花江水系。
研究区为大黑山脉与吉林哈达岭山脉所夹持的低凹沉积型盆地, 北西、南东两侧依山, 整体地势具有东西两侧高、中部平坦开阔的特点, 地质构造如图1所示。该地以剥蚀堆积地貌和堆积地貌为主, 地层由老至新依次为古近系始新统双阳组、奢岭组、永吉组, 古近系渐新统万昌组、齐家组, 新近系中新统岔路河组, 第四系下更新统白土山组, 中更新统冲洪积层, 第四系全新统冲积层。
研究区内地下水的形成、赋存和运移受自然地理和地质构造影响, 与古近系及新近系地质空间环境密切相关。古近系以来, 研究区堆积了以河湖相为主、分布广泛、层理稳定、多韵律旋回的较厚碎屑沉积物。其中, 泥岩、砂砾岩成岩较差, 泥质胶结弱, 较为发育的孔隙为地下水赋存运移提供了良好的地质空间环境, 而厚度较大的泥岩、粉砂质泥岩因其层位稳定、致密性好、渗透性差, 可充当承压水隔水顶板。
根据研究区地下水多孔介质的地质时代、赋存条件、水理性质及水力特征, 将区内地下水划分为松散岩类孔隙潜水、中浅层裂隙孔隙承压水、深层碎屑岩类裂隙孔隙承压水, 研究区水文地质条件见图2。其中, 松散岩类孔隙潜水分布于研究区大部分地区, 岩性介质主要为砂及砂砾石, 上部多为亚砂土、亚黏土, 渗透性好, 孔隙较为发育, 水量较丰富, pH值为6.50~7.85。中浅层裂隙孔隙承压水埋藏深度大于500 m, 赋存于新近系中新统岔路河组和古近系渐新统齐家组碎屑岩中, 地下水赋存条件一般, 补给条件较差, 水量中等。
采样前用10% HCl洗涤取样瓶并用自来水冲洗, 再用待取水样润洗3遍后, 采集研究区内42组地热流体水样, 瓶口密封储存。常规离子、偏硅酸、pH值及溶解性固体(total dissolved solids, TDS)等由吉林省地质科学研究所测试, 参照《GB 8538— 2022食品安全国家标准 饮用天然矿泉水检验方法》[17]进行分析测试, 由分析检测结果可知: 地热流体pH值为7.60~9.10, 45.24%的地下热水pH值大于Ⅲ 类地下水界限值8.50[18], 整体呈碱性; TDS含量为363.14~5 925.59 mg/L, 50%地热流体的TDS含量大于Ⅲ 类地下水界限值1 000 mg/L[18], 以上测试结果表明, 地热流体矿化度较高。阳离子以Na+为主, 其含量为120~1 590.24 mg/L, 阴离子以
本次研究同样对地热流体水样中的总铁(total Fe, TFe)、
结合《GB/T 11615— 2010地热资源地质勘查规范》[19]、《GB 8537— 2018食品安全国家标准 饮用天然矿泉水》[20]、《GB 5084— 2021农田灌溉水质标准》[21]导则分析, 地热流体水样内F-含量为0.73~17.82 mg/L, 且在每组地热流体水样内均能检测到F-, 仅有3组地热流体水样内F-含量没有达到有医疗价值浓度, 33组地热流体水样内F-含量达到命名矿水浓度。地热流体水样内偏硅酸含量为 28.83~87.31 mg/L, 所有地热流体水样中偏硅酸含量均达到有医疗价值浓度的标准, 15组地热流体水样中偏硅酸含量达到命名硅水浓度。研究区地热流体温度为40.0~73.8 ℃, 属于低温地热资源。因此, 研究区地热流体为矿化度较高、含F-和偏硅酸的低温碱性地下热水, 适宜作为含氟化物和偏硅酸的复合型理疗温矿水, 不宜作为饮用天然矿泉水直接饮用, 也不宜直接用于农田灌溉用水和水产养殖用水。
对比分析42组地热流体样品主要离子组分特征并绘制Schoeller图(图3), 由图3可知不同地热井地热流体主要离子组分变化趋势基本一致, 说明研究区不同分区地热流体的形成条件具有较高相似性和一定的同源性。
本研究采集研究区内饮马河及岔路河地表水、浅层地下水和6件地热流体水样, 由中国地质科学院水文地质环境地质研究所利用PE1220 QUANTULUS型超低本底液体闪烁谱仪参照《DZ/T 0064.79— 2021地下水质分析方法 第79部分: 氚的测定放射化学法》[22]测试水样中的氚含量, 氚最低检测限和不确定度均< 1.0 TU。利用水同位素分析仪Picarro L2130i测试水样中的δ D、δ 18O含量并绘制δ D和δ 18O关系图(图4)。
检测结果为研究区地表水同位素含量δ D值为-70.90‰ ~-71.10‰ 、δ 18O值为-8.80‰ ~-8.70‰ 、氚含量为1.15~1.42 Bq/L; 浅层地下水同位素含量δ D值为-68.00‰ 、δ 18O值为-8.40‰ 、氚含量为1.39 Bq/L, 地热流体同位素含量δ D值为-89.70‰ ~-67.30‰ 、δ 18O值为-11.70‰ ~-10.60‰ , 氚含量大多小于0.16 Bq/L。由图5可知, 地表水、浅层地下水和地热流体稳定同位素δ D和δ 18O的千分偏差值点均落在全球雨水线附近, 说明其补给来源均为大气降水。地热流体较浅层地下水的δ D和δ 18O值明显偏低, 发生了显著的氢氧同位素漂移, 尤其是δ 18O漂移明显, 说明地热流体不是直接接受当地大气降水补给, 而是经过径流深循环后得到补给[24], 这也表明研究区地热流体补给条件较差, 以古降水为主, 其次为大气降水和地表水侧向补给。
大气中含氚原子的重水分子在降水入渗地下的过程中, 可利用氚随着自身衰变而不断降低其浓度的特性来估算地热流体年龄[25], 根据测试结果计算可知地热流体补给年龄大于50 a。根据中国地质科学院水文地质环境地质研究所利用的PE1220 QUANTULUS型超低本底液体闪烁谱仪对同位素14C的测定结果表明, 研究区地热流体年龄为27 Ka[26], 不确定度σ ≈ 0.1万a。
研究区新生代地层内赋存的热能主要来自地球内部热能传导[27], 研究区内莫霍面深度为34~36 km, 杨丽芝等[28]总结前人成果认为莫霍面处地温为400~1 000 ℃, 岩石圈底部温度约1 000 ℃, 上下地幔界线附近约1 650 ℃, 较高的内外地温差异可使热量向浅部地壳进行传导, 同时表明盆地内具有良好热源。地球内部放射性元素产生的热量数量巨大且不易散失, 也是地球增温的主要因素[29], 研究区基底由大面积海西期和燕山期的导热率较高的花岗岩构成, 其中U238等放射性元素衰变而产生的热量会在地下聚集从而为上部储层供热, 加之上部中生界沉积岩类导热率较低, 可使下部传递来的热量能被保存在岩石中, 起到保温作用。研究区内南北两条断裂逐渐下切发育, 深度穿透莫霍面到达上地幔, 具体表现为沿断裂带发育处伴随有一系列火山喷发活动, 这两条断裂构成地下深部地幔热源与上部热储的热力通道, 形成了古近系和上地幔之间的热力联系, 成为研究区内的供热导热通道, 为区内的地热资源形成提供了必要热源通道[30, 31, 32, 33]。
研究区属于沉积盆地型层状热储, 热储层主要集中在古近系双阳组、奢岭组、永吉组、万昌组和齐家组下部, 由砂岩、砂砾岩、细砂岩地层构成, 一般埋深为900~2 500 m, 厚度160~450 m。分布于全区, 含水层岩性主要为砂岩、砂砾岩与泥岩互层。因受新构造运动影响, 盆地内基底起伏变化较大, 盆地内隆起处基底最浅埋深为1 352 m, 凹陷处基底最大埋深大于4 000 m。根据2016年《中国大陆地区大地热流数据汇编(第四版)》[34]统计资料, 编制研究区1号、2号点位实测大地热流值(表2)和区域大地热流图(图5)。我国大地热流值为 23~319 mW/m2, 平均值为(61.5± 13.9) mW/m2, 东北地区松辽盆地及长白山一带热流值为44.4~90.0 mW/m2, 平均高达(70.9± 14.4) mW/m2[35], 表2说明研究区属于我国大地高热流地区, 具备良好热源条件。
3.2.1 热储岩体参数
将研究区按地形地貌构造划分为8个地热流体计算分区(图5), 其中波— 太凹陷和万昌构造带内南北部地热流体单位产水量有较大差异, 分别划分为亚区1和亚区2。通过野外踏勘及现场抽水试验分别统计计算各分区面积、平均井口水温、热储有效厚度、热储岩石和地热流体的比热容和密度数值, 因未收集到梁家构造带及大南凹陷处基础勘查资料, 所以V、VII分区不做计算, 引用资料计算结果[13, 14, 15, 16], 其余分区参数如表3所示。
3.2.2 储量计算
通过计算研究区各分区的地热流体年可开采量、热储中的地热流体储量和年开采累计可利用热能量, 可查明热储层中所含地热流体储量及可开采量, 为后续地热资源开发利用奠定基础。计算公式如下所示。
(1)地热流体年可开采量为
式中: Q年为区域内地热流体年可开采量, m3/a; Q单为单井地热流体年可开采量, m3/a; A为计算区面积, km2; R为影响半径, km, 综合前期研究区不同地段项目成果[13, 14, 15, 16]和野外实际情况确定本研究区影响半径经验值为2 km。
(2)热储中的地热流体储量
式中: Q为热储中的地热流体量, J; Qr为岩石中储存的热量, J; QL为热储中储存的水量, m3; Qw为地热流体中储存的热量, J; Q1为截止到计算时刻热储孔隙中地热流体的静储量, m3; Q2为水位降低到目前取水能力深度时所释放的水量, m3; A为计算区面积, km2; d为热储厚度, m; tr为热储温度, ℃; t0为当地年平均气温, ℃, 取吉林省年平均气温5.2 ℃; ρ r为热储岩石密度, kg/m3; Cr为热储岩石比热, J/kg· ℃; ρ w为地热流体密度, kg/m3; Cw为地热流体的比热, J/kg· ℃; μ 为弹性释水系数; H为计算起始点以上高度, m; φ 为热储岩石的孔隙度, 取资料值0.1。
(3)年开采累计可利用热能为
式中: Wt为热功率, kW; Q为地热流体流体可开采量, m3/a; t为地热流体温度, ℃; t0为当地多年平均气温, ℃, 取吉林省年平均气温5.2 ℃;
由表4可知, 研究区地热流体年可开采量为3 446.94× 104 m3/a, 热储中的地热储量为5.37× 1019 J, 年可利用热能为1.15× 1010 MJ, 地热流体开采一年所获热量可节约煤量为392 092.60 t, 说明研究区地热流体储能丰富、可开采量大、低碳环保、具备良好的经济利用价值。
(1)吉林省伊舒盆地地热流体主要赋存于深层碎屑岩类裂隙孔隙中, 形成条件具有较高相似性和一定同源性, 为矿化度较高、含氟和偏硅酸的低温碱性地下热水, 水化学类型为
(2)吉林省伊舒盆地内地热流体年可开采量3 446.94× 104 m3/a, 地热流体计算水量为4.20× 1010 m3, 地热流体计算热量5.37× 1019 J, 地热流体开采一年可利用的热能为1.15× 1010 MJ, 地热流体开采一年所获热量与之相当的节煤量为392 092.60 t。
(3)吉林省伊舒盆地地热储层补给条件较差, 属于消耗性地热流体资源, 在开采过程中应开展回灌技术方法相关研究, 根据地热流体长期动态监测资料和不同地热资源开发利用方案, 制定相应回灌方案, 提高地热资源利用率。
(责任编辑: 王晗)