1.全球能源形勢與我國相關(guān)政策

全球為了構(gòu)建綠色宜居的地球，應(yīng)對全球氣候變暖、化石能源日漸短缺、環(huán)境持續(xù)污染惡化和節(jié)能減災(zāi)減排，提出了能源結(jié)構(gòu)調(diào)整政策，即從傳統(tǒng)化石能源轉(zhuǎn)向清潔可再生新能源。

我們現(xiàn)在所知的能源有傳統(tǒng)能源，如煤、石油、天然氣及核能;新能源有頁巖氣，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、太陽能和地?zé)崮堋６責(zé)崮芤云渚G色、安全、利用率高、穩(wěn)定、分布廣、儲量大等優(yōu)點，成為當(dāng)前可再生能源中全球關(guān)注的焦點。

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展進入新常態(tài)，社會各界對于綠色低碳可持續(xù)發(fā)展的要求越來越高，同時應(yīng)對北方地區(qū)頻發(fā)的霧霾，我國最近幾年頻繁出臺各種政策和法規(guī)以解決北方地區(qū)清潔取暖、南方冬冷夏涼采暖制冷、西南多熱發(fā)電，為地?zé)岚l(fā)展迎來了一輪快速發(fā)展的機遇期。2014年6月13日，習(xí)近平總書記主持召開中央財經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第六次會議，研究中國能源安全戰(zhàn)略，提出推動能源消費、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(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會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年前實現(xiàn)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”意味著一個以化石能源為主支持發(fā)展的時代開始結(jié)束，一個新的綠色環(huán)保時代開始了，一個向非化石能源過渡的(地?zé)崮?時代來臨，全球追求一個共同的目標，一個共同的價值觀—碳中和。要實現(xiàn)碳中和這個遠景目標，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始受到全球關(guān)注，不同國家根據(jù)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(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟條件下可以利用的巖石體，是地?zé)豳Y源中一種特殊的能源。目前，國內(nèi)生產(chǎn)實踐過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，地溫主要受太陽光輻射熱的影響，隨季節(jié)、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，熱量來自于地球內(nèi)部地?zé)幔販嘏c當(dāng)?shù)啬昶骄鶞囟却笾孪喈?dāng)，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，熱量來自于地球內(nèi)部。地球有顆火熱的心，據(jù)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(nèi)部的熱能是非常巨大的。據(jù)估算，全球地?zé)豳Y源量接近5000萬億噸標煤，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?zé)豳Y源總量約為2.5×1025J，相當(dāng)于856萬億噸標煤，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(shù)來計算，那么我國3-10km干熱巖的可采資源量可供我國使用7萬年。

干熱巖是當(dāng)前公認的利用率高(遠高于風(fēng)能、太陽能)、無污染(不會影響生態(tài)、環(huán)境變化)、儲量巨大(可以供人類使用幾萬年)、分布廣(全球深部無處不在)、持續(xù)穩(wěn)定(不受天氣、季節(jié)變化而影響)、安全性好(不會引起較大次生災(zāi)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(yǎng)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?zé)豳Y源綜合梯級利用圖

地?zé)豳Y源一般指淺層地?zé)帷⑺疅嵝偷責(zé)岷透蔁釒r型地?zé)幔蔁釒r型地?zé)岢艘陨蟽?yōu)勢和特征外，相對于前兩者來說，其利用率更高，不需要進行尾水回灌，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(dǎo)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(zāi)害的發(fā)生。干熱巖的開發(fā)利用能夠很好地達到取熱減災(zāi)減排的作用，是全球建設(shè)綠色宜居地球的利器。

3.干熱巖成因與分布

地?zé)豳Y源具有同源共生、殼幔生熱、構(gòu)造聚熱等多種成因理論。目前，根據(jù)干熱巖熱源的主要來源及其形成背景，主要劃分有四種干熱巖地?zé)豳Y源即沉積盆地型(地殼減薄區(qū))干熱巖、強烈構(gòu)造活動帶型干熱巖、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(dǎo)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(wěn)定的特征。由于地幔熱物質(zhì)向上運移，軟流圈上涌導(dǎo)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(dǎo)體及韌性剪切流變帶快速將熱能向上傳導(dǎo);深部熱源向上傳導(dǎo)到達覆蓋層時，由于沉積覆蓋層熱導(dǎo)率小的特點，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?zé)醿?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(dāng)。據(jù)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(xiàn)在花崗巖中含量大且生熱率高，因而，這類干熱巖往往發(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巖體的地區(qū)。由于該類巖體具有較高的放射性產(chǎn)熱特征，加之幔源傳導(dǎo)型熱量也較高時，在覆蓋層理想的地方，可以獲取具有開發(fā)潛力的干熱巖資源。

近代火山型干熱巖熱源為巖漿活動，生熱方式為高溫熔漿沿斷裂系統(tǒng)向淺部運移生熱。國際上很多知名的干熱巖資源區(qū)如冰島、日本干熱巖區(qū)均屬于這種類型。受底部未冷卻巖漿的作用，地表具有明顯的水熱活動現(xiàn)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、長白山、五大連池等地區(qū)。

圖2 裂谷盆地區(qū)干熱巖成因概念模型

強烈構(gòu)造活動帶型干熱巖熱源為地殼運動，生熱方式為強烈的構(gòu)造運動減壓熔融生熱。青藏高原南部、滇西沸泉、高溫泉分布區(qū)和臺灣沸泉、高溫泉，屬中國新構(gòu)造造山運動最為劇烈的地區(qū)。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(nèi)低速層發(fā)育、新構(gòu)造運動強烈、與活動性非均勻固態(tài)-半固態(tài)流變有關(guān)的強烈韌性變形-熱隆伸展構(gòu)造發(fā)育。

4.碳中和與干熱巖

歐盟從達峰到2050年實現(xiàn)碳中和有60年時間，美國從達峰到2050年碳中和有40多年時間，我國從達峰到實現(xiàn)碳中和僅30多年時間。中國實現(xiàn)碳中和的時間短、起點強度高。因此，國家地?zé)崮?ldquo;十四五”規(guī)劃構(gòu)想將通過實施“一點、兩帶、三區(qū)、國際化”的發(fā)展路徑，以此帶動地?zé)崮墚a(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量快速發(fā)展。“一點”是打造雄安新區(qū)地?zé)岙a(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展樣板，占領(lǐng)全球行業(yè)制高點;“兩帶”是圍繞黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略與長江經(jīng)濟帶發(fā)展戰(zhàn)略打造兩個流域的地?zé)崮墚a(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿?“三區(qū)”是重點發(fā)展北方地區(qū)的冬季清潔取暖、南方夏熱冬冷地區(qū)的供暖(制冷)和青藏高原地區(qū)的地?zé)岚l(fā)電;“國際化”是配合國家“一帶一路”戰(zhàn)略，通過國際交流與合作，加強國外先進技術(shù)的引進、消化和吸收，推進地?zé)岙a(chǎn)業(yè)在“一帶一路”沿線地區(qū)的布局與推廣，實現(xiàn)走出去的目標。

2021年4月18日，中國科技部部長王志剛在香山科學(xué)會議上表示，碳達峰碳中和將帶來一場由科技革命引起的經(jīng)濟社會環(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，人類社會進入蒸汽時代，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，人類社會進入電器時代，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(xiàn)代，由可再生新能源取代化石能源，干熱巖的開發(fā)利用將會開啟第三次工業(yè)革命，人類進入數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、高科技時代，哪個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(shè)綠色宜居地球的利器

作者：劉德民，中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)

來源：地質(zhì)調(diào)查科普網(wǎng)