地下“天然鍋爐”新成員——干熱巖 每日焦點

人們很早就知道地球深部有熱量產(chǎn)生并可“上溢”到地表，似乎在地下存在一個熱氣騰騰的“灶火”、大大的“鍋爐”。人們對地下深處熱量的產(chǎn)生充滿興趣，一直在探索這種被稱為“天然鍋爐”的能源來自何方。

大地深處的頭號熱源—— 地熱能

(資料圖片僅供參考)

深藏于地殼內(nèi)的高溫很早以前就被人類認識了，并將其作為一種極具潛力的能量資源。從舊石器時代起，古人就利用溫泉中的水進行沐浴和治療身體的不適，而自古羅馬時代起就將其用于空間取暖。近年來，人們對用地熱能代替化石燃料的努力使我們對地熱的興趣再度燃起。絕大部分地熱能被直接用于為建筑物供熱和工業(yè)加工，即用于房間的供熱和發(fā)電。

地熱能是地球內(nèi)部產(chǎn)生和存儲的熱能。地殼內(nèi)的地熱能起源于行星的原始結(jié)構(gòu)和物質(zhì)的放射性衰變，地幔邊界溫度可能達到4000℃以上。地球內(nèi)部的高溫和高壓會導(dǎo)致一些巖石融化，而固體地幔則具有塑性，因此它比周圍的巖石輕，導(dǎo)致部分地幔向上對流。地殼中的巖石和水被加熱，有時會高達370℃，這些水就是被 “天然鍋爐”加熱的溫泉。

地熱發(fā)電與常規(guī)蒸汽發(fā)電廠使用的技術(shù)密切相關(guān)，但整個系統(tǒng)的設(shè)計完全不同，取決于人們利用的地熱資源的類型。最簡單的地熱發(fā)電廠是利用地熱地區(qū)自然產(chǎn)生的“干氣”直接驅(qū)動蒸汽輪機，進而驅(qū)動發(fā)電機產(chǎn)生電力，這個過程與使用常規(guī)化石燃料的發(fā)電機原理完全一樣。在地下，水流經(jīng)幾千米處灼熱的巖石層時會產(chǎn)生蒸汽。

大地深處的 “新鍋爐”—— 干熱巖

近年來，一個新名詞頻頻見于各媒體——“干熱巖”，它是大地深處“鍋爐”的新成員。

干熱巖，從名字上就很好理解，其實就是又干又熱的巖石，通俗點說，就是地下“發(fā)燒”的巖石。從巖石分類來講，包含變質(zhì)巖、沉積巖和侵入巖在內(nèi)的巖石都能夠成為干熱巖。而它又干又熱的原因也很簡單，因為它們分布在溫度很高的地層深處，或者直接受到巖漿這類物質(zhì)的影響，加上深埋地下，所以熱量很難釋放，溫度一般都可以在200℃以上。

干熱巖屬于新興地熱能源，干熱巖的形成與地球的結(jié)構(gòu)有關(guān)。在地球深處，存在著可達7000℃的熾熱的熔漿，其熱量向上傳導(dǎo)，穿過地幔接近地殼，而地殼中不含水或者流體極少的巖石層就會獲得高溫能量，進而形成了干熱巖。地球內(nèi)部蘊含著大量的干熱巖，這些都是天然的能源，只要地球不毀滅，這些干熱巖幾乎是取之不盡、用之不竭的新能源。

在我國大西北的青海湖畔，有一個藏族、漢族、回族、撒拉族、蒙古族等22個民族聚集的縣城——共和縣，意為“五族共和”，素有“青藏咽喉”之稱，古時因文成公主進藏駐足的日月山、吐谷渾王建都伏俟城而聞名。今以高原明珠青海湖、黃河第一壩龍羊峽而著稱?，F(xiàn)在，卻因干熱巖成為“網(wǎng)紅”，走上了世界舞臺。2014年，在青海共和盆地首次鉆探獲得181℃的干熱巖，實現(xiàn)了我國干熱巖勘探零的突破。

青海共和干熱巖形成機理并不復(fù)雜：以距今約2億年地下深處形成的巖漿為主要供熱體，以熱傳導(dǎo)方式為主，區(qū)域性深大斷裂和密集發(fā)育的巖石裂縫散熱為輔，在后期上部蓋層的密閉盆狀環(huán)境中，地下多期次巖漿活動形成的花崗巖為儲熱載體而形成。

2017年，我國科學家在青海共和盆地3705米深處鉆獲236℃的高溫干熱巖體。這是我國首次發(fā)現(xiàn)大規(guī)?？衫酶蔁釒r資源，該資源屬清潔能源，可用于地熱發(fā)電。

共和盆地位于青藏高原腹地，東西長210千米，南北寬近90千米，面積約20000平方千米，海拔3000米左右。這次鉆獲的干熱巖資源具有埋藏淺、溫度高、分布范圍廣的特點，填補了我國勘探發(fā)現(xiàn)干熱巖資源的空白。該巖體在共和盆地底部廣泛分布，鉆孔控制干熱巖面積達150平方千米以上，干熱巖資源潛力巨大。這得益于青藏高原在隆升過程中形成的一系列地熱資源，從干熱巖地熱資源區(qū)域分布看，青藏高原南部約占我國大陸地區(qū)干熱巖總資源量的1/5，資源量巨大。

除了青海共和盆地外，我國已勘探發(fā)現(xiàn)的干熱巖資源主要位于松遼盆地、東南沿海、四川康定市等區(qū)域。2019年7月，在山東省日照市莒縣、五蓮縣一帶和威海市文登區(qū)發(fā)現(xiàn)干熱巖富存區(qū)，資源量折合標準煤總計超過187.79億噸。

全球陸區(qū)干熱巖資源量相當于4950萬億噸標準煤，是全球所有石油、天然氣和煤炭蘊藏能量的近30倍。

中國大陸3～10千米深處干熱巖資源量約合856萬億噸標準煤，占世界資源量的1/6左右，有望成為戰(zhàn)略性接替能源。

“新鍋爐”的開發(fā)利用有多難

干熱巖的利用，實際上就是利用高熱量的水或蒸汽中的能量。所獲得的200～400℃的蒸汽直接用于發(fā)電及綜合利用；150～200℃的蒸汽用于雙循環(huán)發(fā)電、制冷、工業(yè)干燥、工業(yè)熱加工等；100～150℃的蒸汽用于雙循環(huán)發(fā)電、供暖、制冷、工業(yè)干燥、脫水加工、回收鹽類、制作罐頭食品等；50～100℃的熱水用于供暖、溫室、家庭用熱水、工業(yè)干燥等；20～50℃的熱水用于沐浴、水產(chǎn)養(yǎng)殖、牲畜飼養(yǎng)、土壤加溫、脫水加工等。

那么問題來了，怎樣才能夠利用這些干熱巖呢？首要問題是干熱巖的勘探，絕大多數(shù)的干熱巖都在地球深處，就目前人類的技術(shù)水平，太深的地方我們是無能為力的，所以只能找相對比較淺的干熱巖加以利用。通過地質(zhì)勘探可以找到幾百米深處的煤炭，同樣可以通過地質(zhì)勘探，找到相對淺層的干熱巖。對于幾萬米深處的干熱巖的利用，無論是勘探手段還是開采技術(shù)，都無法做到，一般來說，2000~4000米的干熱巖是可以被勘探的，并且通過地熱鉆井技術(shù)加以利用。

人類又該如何獲取干熱巖的熱能呢？主要分為以下幾個步驟：一是從地表向干熱巖中打一口“注入井”；二是封閉井孔，并向里面高壓注入低溫水；三是極高的水壓迫使巖層出現(xiàn)裂縫，逐漸形成一個面狀的熱儲構(gòu)造；四是從地表向下鉆幾個“生產(chǎn)井”，它們可以將蒸汽和高溫水回收到地面；五是利用這些高溫蒸汽供暖或者發(fā)電，剩余的溫水會通過注入井返回到干熱巖中，從而實現(xiàn)能源的循環(huán)利用。

干熱巖因其得天獨厚的較高溫度，一旦成功開采，將是冬季供暖的良好熱源。但因其造價較高，對于面積較小的建筑供暖，高昂的成本是一般人難以承受的。

在利用干熱巖的過程中，最大的困難還不是轉(zhuǎn)化利用的技術(shù)環(huán)節(jié)，而干熱巖所處的位置在數(shù)十千米深的地下，靠一般的鉆井設(shè)備根本無法鉆達，距離地面最近的也有數(shù)千米深，難度非常大。所以從經(jīng)濟性上來講，埋藏深度越淺的干熱巖，就越有可能創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟效益。

另外，還有很多需要仔細考量的問題，比如干熱巖開發(fā)過程中可能會造成的環(huán)境問題，地球內(nèi)部本身就是生態(tài)脆弱的地帶，別說是在幾千米深處開發(fā)地熱了，就是在地面修一條鐵路都要小心翼翼。

干熱巖熱能采集勢必會破壞地下的高溫高壓環(huán)境，必然會影響這個地區(qū)的地層，如果不小心引發(fā)地震或者其他地質(zhì)破壞，后果也是不堪設(shè)想的。即便發(fā)現(xiàn)了一個“聚寶盆”一樣的干熱巖地熱資源區(qū)域，實際開發(fā)依然面臨很多困難，如果不仔細考量，強行開發(fā)，后續(xù)可能引發(fā)一系列意想不到的問題。

無論遇到多大的困難，人類從未停止前進的腳步。2022年1月，我國研制的4200米重力熱管采熱試驗裝置試運行成功，首次在國內(nèi)實現(xiàn)了干熱巖熱能的長距離輸運，也為中國干熱巖的開采利用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

作者：王大銳

標簽： 地球內(nèi)部 青藏高原 地熱資源