地热科普| 蕴藏在地球深部的天然锅炉—干热岩
干热岩是来自地球深部的高温岩石，也是地球母亲馈赠给人类的一份礼物，本文对干热岩进行了详细地科普。
关键词 |地调局 北京探矿所 干热岩 科普
共2011字 | 建议阅读时间7分钟
作者 | 中国地调局北京探矿所 吴烁、翁炜、贺云超
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什么是干热岩
干热岩是来自地球深部的高温岩石，也是地球母亲馈赠给人类的一份礼物。理论上说，人类越向地球母亲的“心脏”靠近，就越能感受到炽热的“母爱”，任何地区达到一定深度都有干热岩的存在，因此科学家说干热岩是无处不在的资源。但就现阶段来看，受开采技术和手段等限制，干热岩一般是指温度高于180℃，埋深数千米，内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。
02
高温岩体形成的奥秘
干热岩岩体这个180℃以上的温度，大约就是铺路时沥青融化状态的温度，这么高的温度是从何而来的呢？有4个来源。
（1）高放射性形成大地热流
地球深部存在着许多放射性元素，它们不断进行着热核反应，具有极高的温度，这些高温热量透过厚厚的地层，时时刻刻向外释放，形成了大地热流，对干热岩进行加热。法国Soultz地区、澳大利亚Cooper盆地和我国东南沿海地区附近的地表及地壳浅部发育了许多大型的中生代酸性高放射性花岗岩类岩体，在这些地区找到的干热岩基本均依靠辐射形成的大地热流生热。
（2）沉积盆地隔热
沉积盆地的基岩覆盖层较大、表层地温梯度较大，当深部热源向上传导到覆盖层时，由于沉积覆盖层热导率小，阻止了热量的散失，就像给干热岩盖了一层厚被子，把干热岩和浅层低温地层隔绝开。此类干热岩资源分布于欧洲上莱茵地堑、我国松辽盆地和汾渭地堑等地，虽然地表热流值并不高，但由于热量聚集在在浅部，其底部基岩温度可以达到150℃以上。
（3）火山活动
地球深处每时每刻都有大量的高温岩浆形成。这些温度高达1200℃的岩浆在岩石挤压下会沿裂隙向浅部运移生热，甚至导致火山喷发。此类干热岩通常在较浅的地方就已经有了较高的温度，其热源特征与底部岩浆活动历史和岩浆活动特征密切相关，国际上很多知名的干热岩资源区，如日本、冰岛，我国的腾冲、长白山、五大连池等火山活动地区均属于这种类型。
（4）构造活动
板块交界等位置处经常发生剧烈的构造运动。在构造运动的作用下，板块逐渐抬升，板块下部受到岩浆底侵，侵入的高温热源对干热岩进行加热。此类干热岩分布广泛，较为著名的有环太平洋地震带和喜马拉雅-印度洋板块，特别是受欧亚和印度洋板块挤压的青藏高原，在侵入体和熔融体等高温岩浆热源的共同作用下，其地下蕴藏着大量优质高温干热岩资源。
03
干热岩高效开采方法
现阶段人类开发干热岩资源的方式主要为建造增强型地热系统(即EGS系统)进行发电。EGS系统的建立需要经过以下三个步骤：
（1）首先从地表向地下打一口数千米深的注入井，完井后将位于地面的井口封闭，向井中注水，憋出较高压力。若岩体致密无裂隙，高压水会使岩体产生许多裂缝，若岩体中有少量天然节理，高压水会使之扩展成更大的裂缝；随着低温水的不断注入，裂缝不断增加、扩大，并相互连通，最终形成像蜘蛛网一般的热储构造。
（2）在距注入井适当位置处再钻几口生产井，连接到人工热储构造的缝网中，然后通过注入井持续向建立的热储构造中注入大量的水。这些注入的低温水会沿着蛛网般的裂隙运动并与周围的高温岩石发生热交换，像锅炉加热暖气水一般形成高温高压水或水汽混合物，最终从生产井中被抽取至地面。
（3）到达地面的高温流体推动气轮机旋转，进而带动发电机转子转动发电；发电后的流体温度降低后，再通过注入井回灌到热储构造中，周而复始，实现水资源循环利用。 建成后的EGS系统工作过程如下图所示。干热岩发电原理与火电厂燃煤或燃气发电类似，都是用锅炉对流体进行加热，通过流体汽化后产生的蒸汽推动发电机进行发电，都是在一个封闭的系统内进行；两者间的区别是干热岩本身就是一个高温锅炉，只不过需要人类利用深井建立取热循环通道。
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为什么干热岩是能源行业的未来
从1970年美国人莫顿和史密斯首次提出利用地下干热岩体发电的设想至今，人类对干热岩的研究和利用已经有50多年的历史。与其他能源相比，干热岩在以下方面很有优势：
（1）资源蕴藏量巨大、分布极为广泛。相关数据显示，中国大陆的干热岩资源广泛分布在东北、华北、西北以及东南沿海地区，距地表3~10千米深度蕴含的资源量相当于860万亿吨标准煤燃烧所具有的能量，按2%的可开采资源量计算，相当于我国2016年能源消耗总量的3927倍。
（2）开发利用对环境影响小，排放几乎为零。燃烧煤、石油、天然气等化石能源会产生CO2等废气，严重影响气候、危及人体健康，而开采干热岩资源时仅需要循环水，全过程仅为水与蒸汽间的转换，无废气和其他流体或固体废弃物。
（3）开发方式安全，不会造成大范围污染破坏。干热岩主要采用注水循环发电方式开采，与锅炉加热蒸汽发电方式类似，不会引发核电站泄露、油气井爆炸、煤矿瓦斯爆炸、水电站决堤等灾难性事故或伤害性污染。
（4）热能连续性好。在可再生能源中，与风能、太阳能、水能相比，只有干热岩可以提供不间断的电力供应，不受季节、气候、昼夜等自然条件的影响。