1.全球能源形勢(shì)與我國(guó)相關(guān)政策

全球?yàn)榱藰?gòu)建綠色宜居的地球，應(yīng)對(duì)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(yè)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(yáng)能和地?zé)崮?。而地?zé)崮芤云渚G色、安全、利用率高、穩(wěn)定、分布廣、儲(chǔ)量大等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前可再生能源中全球關(guān)注的焦點(diǎn)。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，社會(huì)各界對(duì)于綠色低碳可持續(xù)發(fā)展的要求越來(lái)越高，同時(shí)應(yīng)對(duì)北方地區(qū)頻發(fā)的霧霾，我國(guó)最近幾年頻繁出臺(tái)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(lái)了一輪快速發(fā)展的機(jī)遇期。2014年6月13日，習(xí)近平總書(shū)記主持召開(kāi)中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第六次會(huì)議，研究中國(guó)能源安全戰(zhàn)略，提出推動(dòng)能源消費(fèi)、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(guó)大會(huì)一般性辯論上鄭重宣布，“中國(guó)將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)2030年前達(dá)到峰值(碳達(dá)峰)，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。目前全世界都在力爭(zhēng)“碳達(dá)峰”和“碳中和”的遠(yuǎn)景目標(biāo)。“碳中和”意味著一個(gè)以化石能源為主支持發(fā)展的時(shí)代開(kāi)始結(jié)束，一個(gè)新的綠色環(huán)保時(shí)代開(kāi)始了，一個(gè)向非化石能源過(guò)渡的(地?zé)崮?時(shí)代來(lái)臨，全球追求一個(gè)共同的目標(biāo)，一個(gè)共同的價(jià)值觀—碳中和。要實(shí)現(xiàn)碳中和這個(gè)遠(yuǎn)景目標(biāo)，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(kāi)始受到全球關(guān)注，不同國(guó)家根據(jù)本國(guó)地質(zhì)條件給干熱巖的定義也有差別;我國(guó)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(jì)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(guó)內(nèi)生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中通常把埋藏深度在3～5km，溫度達(dá)到150℃以上的儲(chǔ)熱固態(tài)地質(zhì)體作為干熱巖勘探開(kāi)發(fā)利用對(duì)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(yáng)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(lái)自于地球內(nèi)部地?zé)?，地溫與當(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(lái)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(dá)870℃，核幔邊界的溫度達(dá)3700℃，而地核溫度高達(dá)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(wàn)億噸標(biāo)煤，而中國(guó)約占全球資源量的六分之一;其中，我國(guó)3-10km干熱巖地?zé)豳Y源總量約為2.5×1025J，相當(dāng)于856萬(wàn)億噸標(biāo)煤，是我國(guó)油氣、煤炭總資源量的30倍;如果干熱巖的可開(kāi)采率40%，按我國(guó)2019年能源消費(fèi)總量為48.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤作為基數(shù)來(lái)計(jì)算，那么我國(guó)3-10km干熱巖的可采資源量可供我國(guó)使用7萬(wàn)年。

干熱巖是當(dāng)前公認(rèn)的利用率高(遠(yuǎn)高于風(fēng)能、太陽(yáng)能)、無(wú)污染(不會(huì)影響生態(tài)、環(huán)境變化)、儲(chǔ)量巨大(可以供人類(lèi)使用幾萬(wàn)年)、分布廣(全球深部無(wú)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(huì)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(jí)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(jí)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(jí)利用圖

地?zé)豳Y源一般指淺層地?zé)?、水熱型地?zé)岷透蔁釒r型地?zé)?，而干熱巖型地?zé)岢艘陨蟽?yōu)勢(shì)和特征外，相對(duì)于前兩者來(lái)說(shuō)，其利用率更高，不需要進(jìn)行尾水回灌，發(fā)電可控性更強(qiáng)。有學(xué)者認(rèn)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(chǔ)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(kāi)發(fā)利用能夠很好地達(dá)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(lái)源及其形成背景，主要?jiǎng)澐钟兴姆N干熱巖地?zé)豳Y源即沉積盆地型(地殼減薄區(qū))干熱巖、強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)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(duì)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(yùn)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(dá)覆蓋層時(shí)，由于沉積覆蓋層熱導(dǎo)率小的特點(diǎn)，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?chǔ)(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?yàn)楦蔁釒r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(jì)算分析發(fā)現(xiàn)在花崗巖中含量大且生熱率高，因而，這類(lèi)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(lèi)巖體的地區(qū)。由于該類(lèi)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(shí)，在覆蓋層理想的地方，可以獲取具有開(kāi)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(dòng)，生熱方式為高溫熔漿沿?cái)嗔严到y(tǒng)向淺部運(yùn)移生熱。國(guó)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(lèi)型。受底部未冷卻巖漿的作用，地表具有明顯的水熱活動(dòng)現(xiàn)象。深部的巖漿沿?cái)嗔严蜻\(yùn)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(guó)如騰沖、長(zhǎng)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(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)帶型干熱巖熱源為地殼運(yùn)動(dòng)，生熱方式為強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(tái)灣沸泉、高溫泉，屬中國(guó)新構(gòu)造造山運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈、與活動(dòng)性非均勻固態(tài)-半固態(tài)流變有關(guān)的強(qiáng)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(dá)峰到2050年實(shí)現(xiàn)碳中和有60年時(shí)間，美國(guó)從達(dá)峰到2050年碳中和有40多年時(shí)間，我國(guó)從達(dá)峰到實(shí)現(xiàn)碳中和僅30多年時(shí)間。中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的時(shí)間短、起點(diǎn)強(qiáng)度高。因此，國(guó)家地?zé)崮?ldquo;十四五”規(guī)劃構(gòu)想將通過(guò)實(shí)施“一點(diǎn)、兩帶、三區(qū)、國(guó)際化”的發(fā)展路徑，以此帶動(dòng)地?zé)崮墚a(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量快速發(fā)展。“一點(diǎn)”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(diǎn);“兩帶”是圍繞黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略與長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展戰(zhàn)略打造兩個(gè)流域的地?zé)崮墚a(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿?“三區(qū)”是重點(diǎn)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(guó)際化”是配合國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略，通過(guò)國(guó)際交流與合作，加強(qiáng)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)、消化和吸收，推進(jìn)地?zé)岙a(chǎn)業(yè)在“一帶一路”沿線地區(qū)的布局與推廣，實(shí)現(xiàn)走出去的目標(biāo)。

2021年4月18日，中國(guó)科技部部長(zhǎng)王志剛在香山科學(xué)會(huì)議上表示，碳達(dá)峰碳中和將帶來(lái)一場(chǎng)由科技革命引起的經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(jì)，由煤取代木柴，人類(lèi)社會(huì)進(jìn)入蒸汽時(shí)代，歐洲英、德等國(guó)家成為了世界強(qiáng)國(guó);第二次工業(yè)革命發(fā)生19世紀(jì)，由石油取代煤，人類(lèi)社會(huì)進(jìn)入電器時(shí)代，美國(guó)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(jì)的現(xiàn)代，由可再生新能源取代化石能源，干熱巖的開(kāi)發(fā)利用將會(huì)開(kāi)啟第三次工業(yè)革命，人類(lèi)進(jìn)入數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、高科技時(shí)代，哪個(gè)國(guó)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(jí)大國(guó)。綠色宜居的地球急切需要高科技開(kāi)發(fā)利用可再生新能源-干熱巖。(第五屆“保護(hù)地球 精彩地質(zhì)”科普作品大賽優(yōu)秀作品)

原標(biāo)題：干熱巖——建設(shè)綠色宜居地球的利器

作者：劉德民，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)

來(lái)源：地質(zhì)調(diào)查科普網(wǎng)