干热岩科普

探索地球的能量——干热岩专题

卷首语

能源是人类社会存在于发展的基础，人类的任何生产与生存活动都离不开能源。

长期以来，化石燃料对世界经济的高速发展有着深远的影响，给人类带来前所未有的繁荣与幸福。但是，直到最近我们才开始完全认识到为此所付出的代价，人类所面临的挑战已经很清晰。我们必须减少或者改变能源的获取与使用方式。没有人可以轻视这种挑战，从现在做起，相信我们可以找到对地球更佳的、可持续的，无污染的能源利用方案。   

一、地球的起源

地球形成于几十亿年以前，初期的痕迹在地面上已很难找到了，以后的历史面貌也极为残缺不全。若想从地球面貌往前一步一步地推出它的原始情况，困难极大。

自1543年，波兰天文学家哥白尼提出了日心说之后，天体演化的讨论才开始步入科学范畴，逐渐形成了诸如“星云说”、“遭遇说”、"星子说"、“灾变说”、“潮汐说”、“大爆炸宇宙说”等学说。而其中“星云学说”在科学界是被目前人们普遍接受的学说之一，至此，我们可以对形成原始地球的物质和方式给出如下可能的结论：

大约五十亿年前，一个由尘埃与气体形成的星团，在太空中缓慢地旋转着。由于本身引力的缘故，这些物质渐渐凝聚，愈缩愈小，旋转速度愈来愈快，中心部分的温度愈来愈高。在温度极高的核心，形成了一个炽热的星球——太阳。而在核心的外围，尘埃和气体聚集成岩块和各种石头，这些岩块和石头与太空中剩余的气体结合，逐渐演变成太阳系中的各颗行星。地球，就是其中之一。

初生的地球，在旋转以及尘埃和气体星云凝聚收缩的过程中，内部放射性物质元素（如铀、钍等）蜕变生热，使地球温度不断升高，形成一个熔融的热火球。熔融火球经历了1000万至2000万年尘埃吸积，地表不断增厚，炙热物质被包裹于地表以内，地表温度不断下降，当地表温度降低至沸点以下时，存在于原始大气中的水蒸气开始大量液化，倾盆大雨降落到地球表面低凹之处，形成了江河、湖泊和海洋。大量水的存在使地球表面温度持续下降至适宜生命的存在，地球初具今天的模样：地表以下是巨大的热库，地表以上是生命的家园。

二、地球的年龄

科学家已测定太阳系中碎屑的年龄都在45亿年至47亿年之间。19世纪60年代，在月球上发现的岩石经测定吻合了这一时间，而包括地球在内的太阳系成员大都在同一时期形成，因此，科学家推测地球大约已经存在了46亿年左右。在加拿大的东北方向冰雪覆盖的格陵兰岛西部，发现了迄今地球上最古老的岩石------阿米佐克片麻岩，距今大约38亿年，这也大致验证了科学家们的研究，更早的岩石证据还有待发现。

按照对地球寿命100岁的推算，现在的它正处于中年。

三、地球的形状和大小

人类对地球形状的认识经过了漫长的过程，从最开始认为的“天圆地方”，到“球形”，最后科学家经过长期的精密测量，发现地球并不是一个规则球体，而是一个两极部位略扁赤道稍鼓的不规则椭圆球体。

若将地球比作一个“鸭梨”， “梨身”是鼓起的赤道部分；“梨蒂”是放尖的北极点；而凹进的南极点，是它的“梨脐”。

地球赤道的平均半径为6738公里，极半径为6357公里，地球北极地区约高出18.9米，南极地区则低24至30米。

地球子午线方向周长约为3.99万公里，赤道周长约为4万公里，如果一个人每天走55公里 ,大约要2年才能绕地球一周。

地球的表面积大概有5.1亿平方公里，陆地面积占29%，海洋面积占71%，可谓“三分陆地，七分海洋”。

太阳可以轻松装下100万个地球。

四、地球的结构

地球分为地球内部圈层和地球外部圈层两大部分。

地球内部圈层结构

地球内部存在地壳、地幔和地核三个圈层，好比是一个煮熟的鸡蛋，蛋壳相当于地壳，蛋白相当于地幔，蛋黄相当于地核。

地壳是地球的最表层，由于地球表面有陆地和海洋，因此，又有大陆地壳和大洋地壳之分。大洋壳的厚度很小，平均仅为6-8公里。大陆地壳一般厚度为33-35公里，最厚地区大约为50-70公里。中国青藏高原地区，地壳平均厚度可以达到70公里，是世界上地壳厚度最大的地区之一。大陆地壳由三种不同成分的岩石组成，最上面是沉积岩层，向下依次是花岗岩层和玄武岩层。地球内部的温度和压力随深度加深而增加，经检测，地壳岩石的年龄绝大多数小于20多亿年，而地球生成到现在大约已有46亿年，这说明构成地壳的岩石不是地球的原始壳层，是地壳内部的物质通过火山活动和造山活动形成的。

地幔厚度约2900千米，上地幔主要是橄榄石，下地幔是具有一定塑性的固体物质。上地幔上部存在一个地震波传播速度减慢的层，一般又称为软流层，推测是由于放射性元素量集中，蜕变放热，使岩石高温软化，并局部熔融造成的，很可能是岩浆的发源地。

地核的平均厚度约3400千米，外核是液态的，由铁、镍、硅等物质构成的熔融态或近于液态的物质组成，液态外核会缓慢流动，故有人推测地球磁场的形成可能与它有关。内核是固态的，从源自其他行星核心的铁陨石来推测，主要由铁、镍等金属元素构成。

地核占地球总体积的16%，地幔占83%，与人们关系最密切的地壳，仅占地球总体积的1%。

地球外部圈层

地球还包括大气圈、水圈和生物圈。这三个圈层之间没有明显的界线，它们彼此渗透，相互影响，在太阳和人类生活的参与下，使整个地球生机盎然。

五、地球的能量

地球并不是一个封闭的体系

她每时每刻都在宇宙中运动着

同时也在宇宙中进行着能量与物质的交换

而且能量与物质总是紧密的联系在一起的

伴随着物质的获得或丧失

地球系统也同时获得或丧失了能量    

能量的产生

地球的内能（热能、动力能、重力能）

热能

地球内部是个庞大的热库，放射性元素的衰变是地球热能的主要来源。

联合国有关新能源报告显示：全球地热能资源总量，相当于全球资源总消耗量的45万倍。

地球从地面至地心，随着深度的增加，温度也在不断地提高。据地球物理资料及数据推断，整个地球的平均温度约为2000℃，地核的温度约为6000摄氏度，其炙热程度可与太阳表面相媲美。

动力能

地球是太阳系的九大行星之一，它除了围绕太阳进行公转外，本身还在不停地自转，地球自转产生的惯性离心力，能够给予地球体巨大的能量，这种能量就称为旋转能，或叫动力能，有人计算这种能为2.1×1029焦耳，如果换算成电能它相当于全球发电总量的数亿倍。

重力能

地心引力给予地球体本身的能量，是重力能，它可以转换为热能或动力能，也叫策略能。

不同方面的能量也在互相转换，如重力能可转换成热能，热能又可转换成动能等。

地球的外能（太阳辐射能、引力、人类活动、其他）

太阳辐射能是地球表面最主要的能源，也是地表水和大气运动的主要动力，它能使地球表面发生风化，剥蚀而改变原来的外貌。

日、月的吸引力对地球产生作用力，这个作用力本身也可转化为能量。

另外，地球上数以万计的不停地奔腾流淌的河流，将流域内的大量泥沙，冲向异处；人类大规模开采矿藏，每年有数亿立方米的矿物被搬动，这些同样可改变区域性地壳平衡，并与之相伴产生一定的能量。

能量的传递

地热能传递的方式有传导、对流、辐射。

地幔对流是热量由地心向地表传输的主要途径。

地球内部高温熔融的地核，使其周围的地幔被加热熔化，产生上升热流，遇到地壳降温后，向四周分流，密度增大，又向地幔下部沉降，在地核附近再遇热上升，如此往复，形成地幔对流。

地幔对流，带动了其上方的地壳大陆板块或海洋板块的上升、下沉与平移，形成山脉、海洋、大陆，形成大洋中脊裂谷和大陆裂谷，同时也是地表热点的分布、地震和火山活动，以及某些矿物生成的重要因素。

地幔的热对流就像运动的传送带，被认为是地球演化变迁最可能的原始驱动力。

能量的释放

在46亿年长河中，运动的地球不断的蓄积和释放着能量。

地球释放能量的形式多样，其中主要有以下四种：

热传导

大地通过岩石向外传导热能，是地球热能释放的主要渠道，称为大地热流。地球每年通过热传导从地球表面散失的热量约为1.399×1021焦耳。

火山喷发

地下的岩浆循着地壳的薄弱带攀援上升，喷出地表形成火山爆发，使地球内部积聚的热能得到释放，之后再形成新的平衡。地球每年通过火山喷发释放的热量大约为3.3×1019焦耳。

地震

地震是地壳快速释放能量过程中造成振动，期间会产生地震波的一种自然现象。据不完全统计，地球上每年发生大大小小五百万次地震，其中能对一个地区造成巨大灾难的大地震约十来次。地球每年通过地震活动释放的热量大约为5×1017焦耳。

温泉

地球每年通过地热带温泉释放的热量估计约为2×1018焦耳。

六、清洁热源地热能

地热资源是一种无污染的清洁能源，随着石油、煤炭等传统能源逐渐枯竭，地热资源将成为未来能源的一个重要组成部分。

目前，国际上有一百多个国家在开发利用地热资源，并以每年12%的速度递增。预计到2100年，地热利用将在世界能源总值中占30%到80%。

中国属于地热资源丰富国家，开发潜力巨大。 

早在1970年，地质部部长李四光先生高瞻远瞩地提出“地下是一个大热库，是人类开辟自然能源的一个新来源，就像人类发现煤炭、石油可以燃烧一样”。

地热能的几种表现型式

水热型地热，即地球浅处（地下100～4500m）所见的热水或水热蒸气，例如温泉、间歇泉。这些地下热水和蒸汽，其实是大气降水在地下深处被热岩体加热的结果。

干热岩型地热，即埋深至地下数千米，内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。

地压型地热，某些大型沉积盆地（或含油气）深处（3000～6000m）存有大量高温高压流体。

熔岩地热，即储存在高温（700～1200℃）熔融岩体中的巨大热能，例如火山岩浆。

地热能的应用

人类利用地热能历史久远，从温泉沐浴、医疗、取暖、到建造农作物温室、水产养殖及烘干谷物等。目前，人类开始建立地热资源的现代概念，着手开发利用。

地热能发电

地热发电是地热利用的工业用途。地热发电和火力发电的原理相同，都是利用蒸汽的热能在汽轮机中转变为机械能，带动发电机发电。在地热发电中，大地就是锅炉，它所用的地热能源，从大地出来时，就是蒸腾高温蒸气，直接可做机械能转换，带动发电。

地热能供暖

地热能可直接用于采暖、供热和供热水。

温室种植和水产养殖

反季节新鲜蔬菜、高档花卉和鲜活水产品大量进入现代人生活。中低温地热资源可以直接用于温室供暖（包括土壤加温）和温水养殖，供暖稳定且产值高。

温泉洗浴和医疗

温泉水自古以来就用于洗浴和医疗，矿水成分有普通热水所不具备的洗浴功效。地下热水在地下深部较高温度、压力的条件下，能溶解丰富的矿物质，如偏硅酸、偏硼酸、硫化氢、氡、镭、氟等成分，形成医疗矿水，并在一些地热区形成矿泥，具有医疗价值。

七、最具潜力的地热资源——干热岩型地热

干热岩是埋藏于地面以下1000米至10000米，内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。它的温度在50°C至650°C之间，是一种可用于采暖、发电的清洁可再生热源。

干热岩的热能赋存于各种变质岩或结晶岩类岩体中，较常见的岩石有黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩等。

干热岩地热能储量

国际范围储量：目前保守估计，在3000～10000米深处的地壳中，干热岩所蕴含的能量相当于全球所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的300倍以上。

我国储量：中国地质科学院水文地质环境地质研究所国家“863”计划项目“干热岩地热地质资源评价与开发技术研究”对我国陆区干热岩资源潜力进行了估算，结果显示，在中国，干热岩地热能（3000～10000米）理论资源量相当于860万亿吨标准煤，如开采2%，则相当于2013年中国能源消费总量的5200倍。

干热岩地热能的意义

干热岩地热能是无处不在，取之不尽的新能源。

“有深度，就有热度。”可以说，站在地球的每一个角落，脚下几千米深处的岩石，都是热源。

与传统化石能源相比，干热岩地热能是一种清洁可再生能源。

干热岩清洁无污染，是友好型、亲环境的可再生能源。石油、煤炭燃烧的排放物会造成雾霾、促进酸雨的形成，增加大气二氧化碳的浓度，排放物中的汞还会污染水源。和火电、水电相比，干热岩发电几乎是零排放，开发安全，持续性好。

与其他清洁能源相比，干热岩能够实现稳定、可靠且安全的能源供应。

风能不稳定；太阳能占地面积大，受夜晚及季节的局限；水能受季节影响，还可能造成流域生态破坏；核电虽清洁，但其危害程度重、范围大，有安全隐患，2011年日本大地震造成的核泄露事故，至今令世界心有余悸。