地球內(nèi)熱的能源化探索
——“深部熱能探測與開發(fā)利用”專輯特邀主編寄語

唐顯春

中國地質(zhì)科學(xué)院, 北京 100037;自然資源部地?zé)崤c干熱巖勘查開發(fā)技術(shù)創(chuàng)新中心, 河北石家莊 050061;自然資源部深地科學(xué)與探測技術(shù)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100037

從能源資源角度來看, 地球內(nèi)熱形成的地?zé)崮苁蔷哂懈偁幜Φ目稍偕茉? 其開發(fā)利用具有低成本、可持續(xù)利用和環(huán)保等其他能源不可比擬的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn), 近五十年來在應(yīng)對能源危機(jī)、溫室效應(yīng)、能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型等方面發(fā)揮了積極作用, 已成為全球各國新能源領(lǐng)域的重要拓展方向。

中國在經(jīng)歷60年代溫泉療養(yǎng)、70年代石油危機(jī)替代能源普查、80年代地?zé)岚l(fā)電能源化利用、90年代地?zé)峁┡袌龌辈殚_發(fā)等多個(gè)階段后, 地?zé)崮芴綔y和開發(fā)利用趨于穩(wěn)定化和溫和化。2016年以來,隨著環(huán)境保護(hù)理念深入人心, 低碳化、無碳化成為世界未來能源的發(fā)展趨勢, 具有清潔、可再生優(yōu)點(diǎn)的地?zé)崮茉俅伪患挠韬裢?/p>

作為地球內(nèi)能, 深部熱能賦存規(guī)律、熱能探測與評價(jià)方法、開發(fā)利用方式既與地球本身的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)有關(guān), 與熱能地球物理和地球化學(xué)屬性特征有關(guān),也與地?zé)豳Y源開發(fā)利用條件和科學(xué)技術(shù)水平有關(guān)。本專輯征集了諸多學(xué)者在基礎(chǔ)性地?zé)崮芾碚撗芯俊⒉煌責(zé)豳Y源類型(淺層地?zé)崮?、水熱型、干熱巖)要素組合(源、通、儲(chǔ)、蓋)探測和評價(jià)與開發(fā)利用關(guān)鍵技術(shù)方面形成的階段性成果, 以及典型地?zé)岬刭|(zhì)條件和應(yīng)用場景下取得的代表性成效, 從“熱能機(jī)理、探測與評價(jià)、開發(fā)利用”三個(gè)方面, 為提高深部熱能綜合利用效能提供參考。

1 深部熱能賦存機(jī)理

地球內(nèi)部蘊(yùn)藏的巨大熱能, 通過傳導(dǎo)、對流、輻射等形式由地球內(nèi)部向淺層和地表傳輸, 表現(xiàn)為火山、溫泉、巖漿活動(dòng)、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等形式, 既推動(dòng)著地球本身的形成、發(fā)展和演化, 也為人類生存和發(fā)展必需的物質(zhì)提供了能源基礎(chǔ)(汪集旸, 2015)。自深而淺,地球巖石圈結(jié)構(gòu)、巖石熱物性和傳導(dǎo)-對流方式、淺層封蓋條件和熱導(dǎo)率都影響著地?zé)嵯到y(tǒng)的完整性(唐顯春等, 2023)。

從深層次的地球動(dòng)力學(xué)和構(gòu)造-熱演化過程來看,高溫地?zé)岙惓?如大地?zé)崃髦?、溫泉溫度、地?zé)峋販靥荻鹊?一般都與深部熱結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。如新修正的渤海灣盆地高溫地?zé)岙惓^(qū)與“熱殼”結(jié)構(gòu)、居里面起伏形態(tài)具有相關(guān)性, 改變了以往“冷殼熱?！钡恼J(rèn)識(shí)(張健等, 2023); 渭河盆地深部具有隆起的地幔異常, 控制了高熱異常的分布(蘆佳飛等, 2023);青藏高原巖石圈塑性流變條件控制了地?zé)岙惓７植?藺文靜等, 2023); 渤海灣盆地魯西北平原地?zé)岙惓Ｊ軞ぴ礋峒捌鋫鲗?dǎo)作用控制(崔洋等, 2023)。

構(gòu)造作用是影響地球深部內(nèi)熱向地表傳輸和熱能再分配的關(guān)鍵因素之一。一般地, 巖石圈尺度的熱擾動(dòng)和熱松弛效應(yīng)具有長期性和相對穩(wěn)定性, 如渤海灣盆地三疊世以來的巖石圈減薄效應(yīng)仍然在影響區(qū)域性地?zé)釥顟B(tài)(張健等, 2023); 而川東地區(qū)二疊紀(jì)峨眉山玄武巖已不再影響區(qū)域性熱狀態(tài)(蘭鐳等,2023); 挽近活動(dòng)構(gòu)造對地?zé)岙惓５姆植家?guī)律具有重要的控制和影響作用(如青藏高原東北緣, 唐顯春等,2023); 在傳導(dǎo)作用下, 古潛山和古隆起等局部構(gòu)造對熱能分配有聚集作用(如北京市城市副中心, 雷曉東等, 2023; 華北雄安新區(qū), 余鳴瀟等, 2023; 松遼盆地坳陷區(qū), 王貴玲等, 2023)。

在成熱成儲(chǔ)過程中, 除了深部熱源與構(gòu)造作用影響, 巖石本身的熱物性直接影響了熱能傳導(dǎo)效率和賦存規(guī)模。構(gòu)成巖石圈的不同巖性具有差異性熱物性, 不同深度下放射性元素含量的生熱率不同,不同巖石的熱導(dǎo)率也不同。一般地花崗巖、白云巖具有較高的熱導(dǎo)率, 而黏土、砂巖的導(dǎo)熱效率較差。在地?zé)嵯到y(tǒng)中, 巖性組合的配置關(guān)系也將影響深部熱能的賦存能效, 這也是干熱巖、水熱型、淺層地?zé)崮艿姆植蓟A(chǔ)(唐顯春等, 2023; 李瀟等, 2023; 王貴玲等, 2023)。

2 深部熱能探測與評價(jià)

深部熱能的探測評價(jià)既包括地?zé)嵋亟M合(熱源、水源、熱儲(chǔ)、斷層、蓋層等)的識(shí)別和刻畫, 也包括地?zé)豳Y源類型(淺層地?zé)崮?、水熱型、干熱巖)的區(qū)分, 以及資源稟賦條件的分類分級(jí)。

在探測技術(shù)和方法方面, 電磁法以其低成本、較高的分辨率、較強(qiáng)的適應(yīng)性, 在深部熱源、水和通道、巖性和構(gòu)造識(shí)別方面廣泛應(yīng)用(吳佳文等, 2023)。通過井間測井提取地溫梯度異?；蛴?jì)算大地?zé)崃? 進(jìn)而評價(jià)熱能賦存條件, 在早期靶區(qū)優(yōu)選和資源類型劃分中具有很強(qiáng)的適用性(雷玉德等, 2023; 蘭鐳等,2023; 閆曉雪等, 2023)。從重磁電震等傳統(tǒng)地球物理學(xué)角度劃分區(qū)域性控?zé)針?gòu)造(雷曉東等, 2023)、反演關(guān)鍵地球物理界面和異常起伏(張健等, 2023), 在評價(jià)有利目標(biāo)和識(shí)別熱源方面較為便捷有效。地球化學(xué)方法在估算巖石圈結(jié)構(gòu)(如氦-氖氣體同位素, 崔洋等, 2023)、熱儲(chǔ)水-熱化學(xué)和交代作用(如水熱蝕變和水文地球化學(xué), 魏正安等, 2023; 王貴玲等, 2023;蒙暉仁等, 2023)方面效果較好。

在地?zé)豳Y源評價(jià)方面, 一方面評價(jià)覆蓋面從地域和類型均不斷擴(kuò)大, 另一方面不同類型的地?zé)豳Y源評價(jià)與地質(zhì)和構(gòu)造條件不斷配套(蒙暉仁等, 2023;唐顯春等, 2023; 雷玉德等, 2023), 并拓展了數(shù)值模擬(黃永輝等, 2023)、迭代逼近(余鳴瀟等, 2023)、熱儲(chǔ)擾動(dòng)修正(高俊等, 2023)等評價(jià)方法, 評價(jià)精度進(jìn)一步提升, 進(jìn)而指導(dǎo)有序和科學(xué)開發(fā)。

但就目前研究程度而言, 地?zé)崮芴綔y和評價(jià)技術(shù)仍然有待提升完善。如直接與溫度參數(shù)敏感的地球物理和地球化學(xué)指標(biāo)尚未甄別, 不能有效探測深部熱源和熱儲(chǔ)流體規(guī)模等; 傳導(dǎo)型盆地或干熱巖資源量計(jì)算方法較為準(zhǔn)確, 但裂隙帶內(nèi)對流型水熱型資源量評價(jià)方法有待進(jìn)一步完善; 基于三維數(shù)值模擬計(jì)算的地?zé)豳Y源評價(jià), 其建模邊界條件需要科學(xué)約束等等。

3 深部熱能開發(fā)利用

深部熱能開發(fā)利用效率直接影響到能源需求側(cè),針對不同資源類型而優(yōu)化的開發(fā)方式則能直接提升綜合利用能效。淺層地?zé)崮?、水熱型、干熱巖因資源類型不同, 其開發(fā)利用均需要考慮資源賦存深度、分布規(guī)模、能量密度、利用方式的差異性。

干熱巖具有較高的能量密度, 被認(rèn)為是下一代地?zé)衢_發(fā)利用的重要方向?；跇?gòu)造地質(zhì)環(huán)境的形變和應(yīng)力應(yīng)變也將影響干熱巖開發(fā)利用目標(biāo)的優(yōu)選(唐顯春, 2023)。而地應(yīng)力則是干熱巖高溫硬巖水力壓裂和熱能提取過程中重要的考慮因素(許家鼎等,2023; 雷玉德等, 2023)。

深部熱儲(chǔ)在開發(fā)利用環(huán)節(jié), 目前更多采用了精細(xì)化數(shù)值模擬計(jì)算熱儲(chǔ)產(chǎn)能, 進(jìn)而科學(xué)優(yōu)化配產(chǎn),降低投資成本, 提升資源利用效率, 并且在渤海灣盆地供暖(丁蕊等, 2023)、地?zé)岣蔁釒r發(fā)電(王令寶等,2023)等方面取得了進(jìn)步。

除了傳統(tǒng)的取水換熱供暖外, 利用含水層作為介質(zhì)儲(chǔ)熱/供能也成為新的發(fā)展方向, 進(jìn)而彌補(bǔ)能源供需的時(shí)空分布不平衡問題, 并提升地?zé)峋_發(fā)利用壽命周期(黃永輝等, 2023)。

換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)是提升熱能開發(fā)利用能效的重要方式。李娟等(2023)基于淺層地?zé)崮艿刭|(zhì)條件優(yōu)化了地埋管換熱器形式, 劉俊等(2023)則通過換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)提升了中-深層熱能換熱效果。

4 結(jié)論與展望

本專輯收錄的22篇論文, 分三個(gè)板塊介紹了地?zé)崮苣茉椿藐P(guān)鍵環(huán)節(jié)的探索性成果, 涵蓋了地?zé)崮芫奂瘷C(jī)理和探測利用技術(shù)。“向地球深部要資源”的需求導(dǎo)向下, 地?zé)崮茏鳛榈厍虮旧碓丛床粩噌尫诺膬?nèi)能, 優(yōu)勢獨(dú)特, 資源價(jià)值越來越重要, 展現(xiàn)出越來越旺盛的生機(jī)。

目前我們對地球深部結(jié)構(gòu)、能量分布和分配的認(rèn)知程度還很低, 加之中國大陸構(gòu)造地質(zhì)復(fù)雜, 地?zé)崮艿哪茉椿凤@得困難重重。但是隨著“向地球深部進(jìn)軍”的號(hào)召, 深部結(jié)構(gòu)探測資料越來越多,成像技術(shù)越來越高, 物質(zhì)識(shí)別能力越來越強(qiáng), 可獲得更為可靠的熱能探測資料和技術(shù)依據(jù); 在地球系統(tǒng)科學(xué)理念下地球動(dòng)力學(xué)和熱效應(yīng)解釋更加完善和科學(xué), 建模精度更高, 預(yù)測能力更強(qiáng), 將進(jìn)一步豐富地?zé)崂碚? 降低找熱風(fēng)險(xiǎn); 科技進(jìn)步與材料研發(fā)將進(jìn)一步提升綜合能效, 有望大幅度熱交換效率, 降低熱能開發(fā)利用成本, 拓展地?zé)崮芟掠卫玫膶挾群彤a(chǎn)業(yè)鏈長度, 提升和促進(jìn)地?zé)崮苣茉椿钠焚|(zhì)和進(jìn)度。通過理論創(chuàng)新和技術(shù)提升, 從優(yōu)質(zhì)熱源著手尋找規(guī)?；療醿?chǔ), 進(jìn)而多元化綜合利用, 地?zé)釋⒖焖購摹皽厝?jīng)濟(jì)”向能源化利用轉(zhuǎn)型, 有望為人類美好生活提供能源供給的新選項(xiàng)。

5 致謝

本專輯的出版, 得到了中國地質(zhì)科學(xué)院和同行單位的關(guān)心和支持及從事地?zé)崮苎芯康膶＜覍W(xué)者的支持和積極響應(yīng), 并由中國地質(zhì)調(diào)查局、國家自然科學(xué)基金委、中國地質(zhì)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目聯(lián)合資助?！兜厍?qū)W報(bào)》編輯部付出了大量的辛苦勞動(dòng), 多位匿名審稿人評審了專輯論文, 在此一并衷心感謝。

地?zé)崮茏鳛榍鍧嵞茉春碗p碳戰(zhàn)略下的減排內(nèi)容,其能源化被行業(yè)賦予了希望。地?zé)崮芴綔y與開發(fā)利用是地球系統(tǒng)科學(xué)下多學(xué)科相互交融的研究領(lǐng)域,本專輯難以全面涵蓋, 仍然有很多不足, 希望本次探索能吸引更多的讀者一起努力攻關(guān)。