專(zhuān)家：干熱巖的開(kāi)發(fā)利用將開(kāi)啟第三次工業(yè)革命

1.全球能源形勢與我國相關(guān)政策

全球為了構建綠色宜居的地球，應對全球氣候變暖、化石能源日漸短缺、環(huán)境持續污染惡化和節能減災減排，提出了能源結構調整政策，即從傳統化石能源轉向清潔可再生新能源。

我們現在所知的能源有傳統能源，如煤、石油、天然氣及核能;新能源有頁(yè)巖氣，天然氣水合物和氫能等，而這些能源都是不可再生的;而可再生能源主要有風(fēng)能、太陽(yáng)能和地熱能。而地熱能以其綠色、安全、利用率高、穩定、分布廣、儲量大等優(yōu)點(diǎn)，成為當前可再生能源中全球關(guān)注的焦點(diǎn)。

隨著(zhù)我國經(jīng)濟發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，社會(huì )各界對于綠色低碳可持續發(fā)展的要求越來(lái)越高，同時(shí)應對北方地區頻發(fā)的霧霾，我國最近幾年頻繁出臺各種政策和法規以解決北方地區清潔取暖、南方冬冷夏涼采暖制冷、西南多熱發(fā)電，為地熱發(fā)展迎來(lái)了一輪快速發(fā)展的機遇期。2014年6月13日，習近平總書(shū)記主持召開(kāi)中央財經(jīng)領(lǐng)導小組第六次會(huì )議，研究中國能源安全戰略，提出推動(dòng)能源消費、能源供給、能源技術(shù)、能源體制四方面的“革命”。2020年9月22日，習近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì )一般性辯論上鄭重宣布，“中國將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值(碳達峰)，努力爭取2060年前實(shí)現碳中和”。目前全世界都在力爭“碳達峰”和“碳中和”的遠景目標。“碳中和”意味著(zhù)一個(gè)以化石能源為主支持發(fā)展的時(shí)代開(kāi)始結束，一個(gè)新的綠色環(huán)保時(shí)代開(kāi)始了，一個(gè)向非化石能源過(guò)渡的(地熱能)時(shí)代來(lái)臨，全球追求一個(gè)共同的目標，一個(gè)共同的價(jià)值觀(guān)—碳中和。要實(shí)現碳中和這個(gè)遠景目標，必須以新的綠色可再生能源取代化石能源。

2.干熱巖的特征與用途

干熱巖(hot dry rock)作為一種可再生的清潔能源開(kāi)始受到全球關(guān)注，不同國家根據本國地質(zhì)條件給干熱巖的定義也有差別;我國能源局給干熱巖下的定義為不含或僅含少量流體，溫度高于180℃，其熱能在當前技術(shù)經(jīng)濟條件下可以利用的巖石體，是地熱資源中一種特殊的能源。目前，國內生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中通常把埋藏深度在3～5km，溫度達到150℃以上的儲熱固態(tài)地質(zhì)體作為干熱巖勘探開(kāi)發(fā)利用對象。

我們知道，自地球表面向地下深處，按溫度可以劃分為三層，即變溫層(外熱層)：接近地表，0-20m，地溫主要受太陽(yáng)光輻射熱的影響，隨季節、晝夜的變化而變化;常溫層：變溫層下溫度常年不變的地帶，20-40m，熱量來(lái)自于地球內部地熱，地溫與當地年平均溫度大致相當，且常年保持不變;增溫層：常溫層之下，>40m，地溫隨深度增大而逐漸增加，熱量來(lái)自于地球內部。地球有顆火熱的心，據科學(xué)家估算，殼幔邊界的溫度達870℃，核幔邊界的溫度達3700℃，而地核溫度高達7200℃。所以，地球內部的熱能是非常巨大的。據估算，全球地熱資源量接近5000萬(wàn)億噸標煤，而中國約占全球資源量的六分之一;其中，我國3-10km干熱巖地熱資源總量約為2.5×1025J，相當于856萬(wàn)億噸標煤，是我國油氣、煤炭總資源量的30倍;如果干熱巖的可開(kāi)采率40%，按我國2019年能源消費總量為48.6億噸標準煤作為基數來(lái)計算，那么我國3-10km干熱巖的可采資源量可供我國使用7萬(wàn)年。

干熱巖是當前公認的利用率高(遠高于風(fēng)能、太陽(yáng)能)、無(wú)污染(不會(huì )影響生態(tài)、環(huán)境變化)、儲量巨大(可以供人類(lèi)使用幾萬(wàn)年)、分布廣(全球深部無(wú)處不在)、持續穩定(不受天氣、季節變化而影響)、安全性好(不會(huì )引起較大次生災害)、最優(yōu)質(zhì)的，能夠取代化石能源的可再生的清潔能源。干熱巖用途廣，可以梯級綜合利用，可以用于發(fā)電、供暖、輔助采油、干燥、降溫、洗浴、養殖種植，從高溫到低漸逐級利用，是可以吃干榨盡的能源(圖1)。

圖1 地熱資源綜合梯級利用圖

地熱資源一般指淺層地熱、水熱型地熱和干熱巖型地熱，而干熱巖型地熱除了以上優(yōu)勢和特征外，相對于前兩者來(lái)說(shuō)，其利用率更高，不需要進(jìn)行尾水回灌，發(fā)電可控性更強。有學(xué)者認為，干熱巖與火山、地震及溫泉是具有相同的熱源，只是由于熱的傳遞方式、儲熱介質(zhì)及導熱通道不同，所以取出干熱巖中的熱能就可以減少火山、地震等自然災害的發(fā)生。干熱巖的開(kāi)發(fā)利用能夠很好地達到取熱減災減排的作用，是全球建設綠色宜居地球的利器。

3.干熱巖成因與分布

地熱資源具有同源共生、殼幔生熱、構造聚熱等多種成因理論。目前，根據干熱巖熱源的主要來(lái)源及其形成背景，主要劃分有四種干熱巖地熱資源即沉積盆地型(地殼減薄區)干熱巖、強烈構造活動(dòng)帶型干熱巖、近代火山型干熱巖和高放射性產(chǎn)熱型干熱巖。

沉積盆地型干熱巖熱源主要為地幔熱流，生熱方式為地核地幔傳導對流生熱。沉積盆地型干熱巖資源具有基巖覆蓋層較大、表層地溫梯度較大、增溫穩定的特征。由于地幔熱物質(zhì)向上運移，軟流圈上涌導致巖石圈減薄、莫霍面和居里面局部抬升，中下地殼匯聚了大量的熱能，低阻高導體及韌性剪切流變帶快速將熱能向上傳導;深部熱源向上傳導到達覆蓋層時(shí)，由于沉積覆蓋層熱導率小的特點(diǎn)，阻止了熱量的散失，從而在地殼淺部聚斂超常熱能而形成干熱巖高溫熱儲(圖2)。

高放射性產(chǎn)熱型干熱巖熱源主要為地殼熱流，生熱方式為放射性元素衰變生熱。地球中可產(chǎn)生衰變的放射性元素較多，但能夠為干熱巖提供熱能的元素必須具備三種條件，即有足夠的豐度，放射性生熱效率較高，半衰期和地球年齡相當。據目前所知，具備這些條件的元素只有U、Th、K這3種。由于這3種元素在地殼巖石中平均含量和生熱差異懸殊，經(jīng)計算分析發(fā)現在花崗巖中含量大且生熱率高，因而，這類(lèi)干熱巖往往發(fā)育在地表及淺部發(fā)育許多大型的中、新生代酸性花崗巖類(lèi)巖體的地區。由于該類(lèi)巖體具有較高的放射性產(chǎn)熱特征，加之幔源傳導型熱量也較高時(shí)，在覆蓋層理想的地方，可以獲取具有開(kāi)發(fā)潛力的干熱巖資源。

近代火山型干熱巖熱源為巖漿活動(dòng)，生熱方式為高溫熔漿沿斷裂系統向淺部運移生熱。國際上很多知名的干熱巖資源區如冰島、日本干熱巖區均屬于這種類(lèi)型。受底部未冷卻巖漿的作用，地表具有明顯的水熱活動(dòng)現象。深部的巖漿沿斷裂向運移并把大量的熱帶到地表，通常在較淺的地方就可以獲得較高的溫度。我國如騰沖、長(cháng)白山、五大連池等地區。

圖2 裂谷盆地區干熱巖成因概念模型

強烈構造活動(dòng)帶型干熱巖熱源為地殼運動(dòng)，生熱方式為強烈的構造運動(dòng)減壓熔融生熱。青藏高原南部、滇西沸泉、高溫泉分布區和臺灣沸泉、高溫泉，屬中國新構造造山運動(dòng)最為劇烈的地區。因此這里具有高熱流、高地溫梯度、高溫泉和沸泉以及水熱爆炸等熱顯示。歐亞和印度洋板塊擠壓，有侵入體和熔融體等高溫巖漿熱源，殼內低速層發(fā)育、新構造運動(dòng)強烈、與活動(dòng)性非均勻固態(tài)-半固態(tài)流變有關(guān)的強烈韌性變形-熱隆伸展構造發(fā)育。

4.碳中和與干熱巖

歐盟從達峰到2050年實(shí)現碳中和有60年時(shí)間，美國從達峰到2050年碳中和有40多年時(shí)間，我國從達峰到實(shí)現碳中和僅30多年時(shí)間。中國實(shí)現碳中和的時(shí)間短、起點(diǎn)強度高。因此，國家地熱能“十四五”規劃構想將通過(guò)實(shí)施“一點(diǎn)、兩帶、三區、國際化”的發(fā)展路徑，以此帶動(dòng)地熱能產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量快速發(fā)展。“一點(diǎn)”是打造雄安新區地熱產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展樣板，占領(lǐng)全球行業(yè)制高點(diǎn);“兩帶”是圍繞黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展戰略與長(cháng)江經(jīng)濟帶發(fā)展戰略打造兩個(gè)流域的地熱能產(chǎn)業(yè)發(fā)展潛力帶;“三區”是重點(diǎn)發(fā)展北方地區的冬季清潔取暖、南方夏熱冬冷地區的供暖(制冷)和青藏高原地區的地熱發(fā)電;“國際化”是配合國家“一帶一路”戰略，通過(guò)國際交流與合作，加強國外先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)、消化和吸收，推進(jìn)地熱產(chǎn)業(yè)在“一帶一路”沿線(xiàn)地區的布局與推廣，實(shí)現走出去的目標。

2021年4月18日，中國科技部部長(cháng)王志剛在香山科學(xué)會(huì )議上表示，碳達峰碳中和將帶來(lái)一場(chǎng)由科技革命引起的經(jīng)濟社會(huì )環(huán)境的重大變革，其意義不亞于三次工業(yè)革命。我們知道，第一次工業(yè)革命發(fā)生18世紀，由煤取代木柴，人類(lèi)社會(huì )進(jìn)入蒸汽時(shí)代，歐洲英、德等國家成為了世界強國;第二次工業(yè)革命發(fā)生19世紀，由石油取代煤，人類(lèi)社會(huì )進(jìn)入電器時(shí)代，美國成為了世界霸主。那么，第三次工業(yè)革命是否可能就發(fā)生在21世紀的現代，由可再生新能源取代化石能源，干熱巖的開(kāi)發(fā)利用將會(huì )開(kāi)啟第三次工業(yè)革命，人類(lèi)進(jìn)入數字化、網(wǎng)絡(luò )化、高科技時(shí)代，哪個(gè)國家掌控了高科技和可再生新能源就有可能成為世界新的超級大國。綠色宜居的地球急切需要高科技開(kāi)發(fā)利用可再生新能源-干熱巖。(第五屆“保護地球 精彩地質(zhì)”科普作品大賽優(yōu)秀作品)

原標題：干熱巖——建設綠色宜居地球的利器

作者：劉德民，中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)

來(lái)源：地質(zhì)調查科普網(wǎng)