地下“天然鍋爐”新成員——干熱巖

深藏于地殼內(nèi)的高溫很早以前就被人類(lèi)認(rèn)識(shí)了，并將其作為一種極具潛力的能量資源。從舊石器時(shí)代起，古人就利用溫泉中的水進(jìn)行沐浴和治療身體的不適，而自古羅馬時(shí)代起就將其用于空間取暖。近年來(lái)，人們對(duì)用地?zé)崮艽婊剂系呐κ刮覀儗?duì)地?zé)岬呐d趣再度燃起。絕大部分地?zé)崮鼙恢苯佑糜跒榻ㄖ锕岷凸I(yè)加工，即用于房間的供熱和發(fā)電。

地?zé)崮苁堑厍騼?nèi)部產(chǎn)生和存儲(chǔ)的熱能。地殼內(nèi)的地?zé)崮芷鹪从谛行堑脑冀Y(jié)構(gòu)和物質(zhì)的放射性衰變，地幔邊界溫度可能達(dá)到4000℃以上。地球內(nèi)部的高溫和高壓會(huì)導(dǎo)致一些巖石融化，而固體地幔則具有塑性，因此它比周?chē)膸r石輕，導(dǎo)致部分地幔向上對(duì)流。地殼中的巖石和水被加熱，有時(shí)會(huì)高達(dá)370℃，這些水就是被 “天然鍋爐”加熱的溫泉。

地?zé)岚l(fā)電與常規(guī)蒸汽發(fā)電廠(chǎng)使用的技術(shù)密切相關(guān)，但整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完全不同，取決于人們利用的地?zé)豳Y源的類(lèi)型。最簡(jiǎn)單的地?zé)岚l(fā)電廠(chǎng)是利用地?zé)岬貐^(qū)自然產(chǎn)生的“干氣”直接驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力，這個(gè)過(guò)程與使用常規(guī)化石燃料的發(fā)電機(jī)原理完全一樣。在地下，水流經(jīng)幾千米處灼熱的巖石層時(shí)會(huì)產(chǎn)生蒸汽。

大地深處的 “新鍋爐”—— 干熱巖

近年來(lái)，一個(gè)新名詞頻頻見(jiàn)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(shí)就是又干又熱的巖石，通俗點(diǎn)說(shuō)，就是地下“發(fā)燒”的巖石。從巖石分類(lèi)來(lái)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(jiǎn)單，因?yàn)樗鼈兎植荚跍囟群芨叩牡貙由钐?，或者直接受到巖漿這類(lèi)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?zé)崮茉?，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(dá)7000℃的熾熱的熔漿，其熱量向上傳導(dǎo)，穿過(guò)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(huì)獲得高溫能量，進(jìn)而形成了干熱巖。地球內(nèi)部蘊(yùn)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(guó)大西北的青海湖畔，有一個(gè)藏族、漢族、回族、撒拉族、蒙古族等22個(gè)民族聚集的縣城——共和縣，意為“五族共和”，素有“青藏咽喉”之稱(chēng)，古時(shí)因文成公主進(jìn)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(chēng)。現(xiàn)在，卻因干熱巖成為“網(wǎng)紅”，走上了世界舞臺(tái)。2014年，在青海共和盆地首次鉆探獲得181℃的干熱巖，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)干熱巖勘探零的突破。

青海共和干熱巖形成機(jī)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(dòng)形成的花崗巖為儲(chǔ)熱載體而形成。

2017年，我國(guó)科學(xué)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(guó)首次發(fā)現(xiàn)大規(guī)模可利用干熱巖資源，該資源屬清潔能源，可用于地?zé)岚l(fā)電。

共和盆地位于青藏高原腹地，東西長(zhǎng)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(diǎn)，填補(bǔ)了我國(guó)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(dá)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(guò)程中形成的一系列地?zé)豳Y源，從干熱巖地?zé)豳Y源區(qū)域分布看，青藏高原南部約占我國(guó)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(guó)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(biāo)準(zhǔn)煤總計(jì)超過(guò)187.79億噸。

全球陸區(qū)干熱巖資源量相當(dāng)于4950萬(wàn)億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，是全球所有石油、天然氣和煤炭蘊(yùn)藏能量的近30倍。

中國(guó)大陸3～10千米深處干熱巖資源量約合856萬(wàn)億噸標(biāo)準(zhǔn)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(kāi)發(fā)利用有多難

干熱巖的利用，實(shí)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(lèi)、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(wèn)題來(lái)了，怎樣才能夠利用這些干熱巖呢？首要問(wèn)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(lèi)的技術(shù)水平，太深的地方我們是無(wú)能為力的，所以只能找相對(duì)比較淺的干熱巖加以利用。通過(guò)地質(zhì)勘探可以找到幾百米深處的煤炭，同樣可以通過(guò)地質(zhì)勘探，找到相對(duì)淺層的干熱巖。對(duì)于幾萬(wàn)米深處的干熱巖的利用，無(wú)論是勘探手段還是開(kāi)采技術(shù)，都無(wú)法做到，一般來(lái)說(shuō)，2000~4000米的干熱巖是可以被勘探的，并且通過(guò)地?zé)徙@井技術(shù)加以利用。

人類(lèi)又該如何獲取干熱巖的熱能呢？主要分為以下幾個(gè)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(gè)面狀的熱儲(chǔ)構(gòu)造；四是從地表向下鉆幾個(gè)“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(huì)通過(guò)注入井返回到干熱巖中，從而實(shí)現(xiàn)能源的循環(huán)利用。

干熱巖因其得天獨(dú)厚的較高溫度，一旦成功開(kāi)采，將是冬季供暖的良好熱源。但因其造價(jià)較高，對(duì)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(guò)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(wú)法鉆達(dá)，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(jì)性上來(lái)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(jì)效益。

另外，還有很多需要仔細(xì)考量的問(wèn)題，比如干熱巖開(kāi)發(fā)過(guò)程中可能會(huì)造成的環(huán)境問(wèn)題，地球內(nèi)部本身就是生態(tài)脆弱的地帶，別說(shuō)是在幾千米深處開(kāi)發(fā)地?zé)崃?，就是在地面修一條鐵路都要小心翼翼。

干熱巖熱能采集勢(shì)必會(huì)破壞地下的高溫高壓環(huán)境，必然會(huì)影響這個(gè)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(gè)“聚寶盆”一樣的干熱巖地?zé)豳Y源區(qū)域，實(shí)際開(kāi)發(fā)依然面臨很多困難，如果不仔細(xì)考量，強(qiáng)行開(kāi)發(fā)，后續(xù)可能引發(fā)一系列意想不到的問(wèn)題。

無(wú)論遇到多大的困難，人類(lèi)從未停止前進(jìn)的腳步。2022年1月，我國(guó)研制的4200米重力熱管采熱試驗(yàn)裝置試運(yùn)行成功，首次在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了干熱巖熱能的長(zhǎng)距離輸運(yùn)，也為中國(guó)干熱巖的開(kāi)采利用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

作者：王大銳