能源是人類(lèi)生存與發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是當(dāng)今國(guó)際政治、軍事、外交關(guān)注的焦點(diǎn)．中國(guó)作為一個(gè)發(fā)展中的大國(guó)，其經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)快速的發(fā)展離不開(kāi)有力的能源保證．過(guò)去近200 年來(lái)建立起來(lái)的以煤炭、石油、天然氣等化石燃料為主能源的支撐體系，在推動(dòng)人類(lèi)社會(huì)發(fā)展和文明進(jìn)步方面發(fā)揮了關(guān)鍵性作用．盡管世界化石能源儲(chǔ)量豐富，據(jù)統(tǒng)計(jì)截至2006 年底，世界煤炭探明儲(chǔ)量約9,091 億噸，按目前生產(chǎn)水平可供開(kāi)采147 年；20 年來(lái)世界石油和天然氣的儲(chǔ)采比(剩余開(kāi)采量/年開(kāi)采量)始終保持在40～60 左右的水平[1]．但化石能源是地球母親經(jīng)歷了幾千萬(wàn)年乃至數(shù)億年復(fù)雜的地質(zhì)過(guò)程才為人類(lèi)留下的寶貴財(cái)富，對(duì)人類(lèi)發(fā)展歷史來(lái)說(shuō)，她是有限的、不可再生的．隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的加速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)能源的需求越來(lái)越大，對(duì)化石能源的開(kāi)采規(guī)模也將越來(lái)越大，因此，化石能源的快速減少甚至枯竭就不可避免．同時(shí)，人類(lèi)大規(guī)模消耗化石能源對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響也日益突出，如：有毒、有害氣體的排放給人類(lèi)健康造成了負(fù)面效應(yīng)；CO2 溫室氣體大規(guī)模排放引起的溫室效應(yīng)，導(dǎo)致全球變暖等．這些都對(duì)人類(lèi)的生存環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重?fù)p害，也早已為全球科學(xué)家、政治家以及普通民眾所關(guān)注．公認(rèn)的20 世紀(jì)八大公害事件中有五個(gè)事件(1930 年12 月1—5 日比利時(shí)馬斯河谷煙霧事件；1948 年10 月26—31 日美國(guó)賓夕法尼亞州多諾拉鎮(zhèn)煙霧事件；20 世紀(jì)40 年代美國(guó)洛杉磯市化學(xué)煙霧事件；1952 年12 月5—8 日英國(guó)倫敦?zé)熿F事件；1961 年日本四日市哮喘病事件)都與利用化石燃料而排放的有毒、有害氣體有關(guān)[2]．

 

  正是由于目前人類(lèi)所依賴(lài)的對(duì)化石能源的利用面臨著資源枯竭和環(huán)境破壞的雙重壓力，所以，節(jié)約高效、多元發(fā)展、清潔環(huán)境、科技先行、國(guó)際合作成為未來(lái)能源發(fā)展戰(zhàn)略的必然選擇[1]．研發(fā)、推廣節(jié)能新技術(shù)和大力開(kāi)發(fā)可再生能源(如太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?/a>等)替代不可再生能源成為解決人類(lèi)未來(lái)能源危機(jī)問(wèn)題，支撐人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的兩個(gè)主要途徑[2-3]．作為資源潛力巨大，且綠色環(huán)保、可再生的地球內(nèi)部高溫巖體地?zé)豳Y源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用，無(wú)疑應(yīng)該成為我國(guó)未來(lái)能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要一環(huán)．

 

  1 高溫巖體地?zé)豳Y源的概念

 

  高溫巖體(也稱(chēng)干熱巖體)地?zé)?/a>資源，是指溫度在200,℃以上的巖體中蘊(yùn)藏的熱能資源，它可以通過(guò)開(kāi)采，提取過(guò)熱水蒸氣，直接用于發(fā)電等．美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們用了一個(gè)更專(zhuān)業(yè)的名稱(chēng)“hot dry rock”，中文直譯為干熱巖，其明確的科學(xué)和工程意義為：巖石是干的、無(wú)水的、致密的、不滲透的；另一層含義為巖石是熱的，具有較高溫度的．1984年，干熱巖地?zé)衢_(kāi)發(fā)在美國(guó)成功后，“hot dryrocks”及其縮寫(xiě)HDR 廣泛出現(xiàn)在科技文獻(xiàn)中[4]．地球是一個(gè)龐大的熱庫(kù)，蘊(yùn)藏著巨大的熱能，它通過(guò)火山爆發(fā)、溫泉、噴泉及巖石等熱能方式源源不斷地向地表傳送[5]．理論上講，從地殼表層向地殼深部，巖體溫度是逐漸增高，到一定深度，巖體溫度都會(huì)達(dá)到高溫巖體的溫度．但由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的原因，并不是地殼內(nèi)部所有的高溫巖體都能為人類(lèi)所開(kāi)發(fā)利用，而只有那些在一定地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域內(nèi)的地?zé)?/a>異常區(qū)存在的、埋深較淺的高溫巖體，才有利于人類(lèi)的開(kāi)發(fā)和利用．所以，地?zé)衢_(kāi)發(fā)中所說(shuō)的高溫巖體不是一般意義上的高溫巖體，它特指在特定巖石圈動(dòng)力學(xué)環(huán)境中和特定地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域內(nèi)，存在于地殼中，且溫度在200,℃以上的巖體．根據(jù)該巖體的巖石組成、結(jié)構(gòu)、埋置深度、地應(yīng)力狀態(tài)等特征和所處的地表人文環(huán)境、自然環(huán)境、社會(huì)環(huán)境等特點(diǎn)，可以在當(dāng)前或不遠(yuǎn)的將來(lái)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件下開(kāi)發(fā)利用[6]．

 

  2 高溫巖體地?zé)衢_(kāi)發(fā)的基本思想

 

  具有商業(yè)用途的高溫巖體地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)的概念與思路，首先是由Morton Smith 領(lǐng)導(dǎo)的美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家小組于1970 年提出的，其基本思路是：預(yù)期一個(gè)鉆孔進(jìn)入熱的巖體，然后形成垂直裂縫，第二個(gè)鉆孔進(jìn)入裂縫帶，從一個(gè)鉆孔進(jìn)入裂隙區(qū)的水循環(huán)后，從另一個(gè)鉆孔以壓力熱水的形式排到地面(見(jiàn)圖1)[7-8]．高溫巖體開(kāi)發(fā)的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是深部人工儲(chǔ)留層的建造技術(shù)和高溫巖體中的鉆井技術(shù)[4]．人工儲(chǔ)留層建造是高溫巖體地?zé)衢_(kāi)發(fā)最關(guān)鍵的步驟[8]，它直接關(guān)系到高溫巖體地?zé)?/a>開(kāi)發(fā)的成本和經(jīng)濟(jì)性[9-12]．水壓致裂法、爆炸法和熱應(yīng)力法是建造人工儲(chǔ)留層的主要方法．

 

  3 高溫巖體地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)

 

  地球內(nèi)部蘊(yùn)藏著巨大的地?zé)崮?/a>，人類(lèi)對(duì)地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的歷史久遠(yuǎn)．但到目前為止，地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的對(duì)象僅限于地殼淺層的天然地下熱水系統(tǒng)，且主要用于城市供暖、洗浴、醫(yī)療保健、農(nóng)業(yè)種養(yǎng)殖、紡織印染、食品加工等[5,13-14]，地?zé)崮芾?/a>在整個(gè)能源結(jié)構(gòu)中所占份額很小[15-16]．同時(shí)，過(guò)度開(kāi)發(fā)地殼淺層地下熱水系統(tǒng)的地?zé)豳Y源又帶來(lái)了一系列環(huán)境破壞問(wèn)題，如地下熱水水位下降，地面沉降變形，地?zé)?/a>熱泉地貌景觀的破壞，地?zé)嵛菜?/a>排放產(chǎn)生的熱污染，地?zé)崴?/a>排放中產(chǎn)生的CO2、CH4、SO2 等有害氣體，這些就造成了對(duì)大氣環(huán)境的化學(xué)污染，以及地?zé)崴?/a>入滲對(duì)土壤的污染等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題．

 

  地殼深部的高溫巖體中蘊(yùn)藏的地?zé)崮?/a> (據(jù)估計(jì)占所有地?zé)崮?/a>的90%以上) 有著巨大的資源量，甚至可以說(shuō)是無(wú)限的資源量．高溫巖體地?zé)豳Y源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用，可以減少對(duì)不可再生化石能源的過(guò)度依賴(lài)，增加國(guó)家能源安全，同時(shí)高溫巖體地?zé)豳Y源又是非污染綠色能源，開(kāi)發(fā)不會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題．

 

  概括地說(shuō)，高溫巖體地?zé)豳Y源具有以下優(yōu)勢(shì)：

 

  ①高溫巖體地?zé)豳Y源量巨大，分布廣泛；②對(duì)高溫巖體地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用不會(huì)排放有毒有害氣體(如CO2、SO2、NO2 等)，也沒(méi)有其他流體或固體廢棄物．因此，高溫巖體地?zé)豳Y源系統(tǒng)可以維持對(duì)地表環(huán)境最低水平的影響；③高溫巖體地?zé)衢_(kāi)發(fā)系統(tǒng)本質(zhì)上是安全型，沒(méi)有爆炸危險(xiǎn)，更不會(huì)引起災(zāi)難性事故或傷害性污染；④高溫巖體地?zé)衢_(kāi)發(fā)可以提供不間斷的電力供應(yīng)，不受季節(jié)、氣候、晝夜等自然條件的影響；⑤高溫巖體地?zé)豳Y源可以有效維持發(fā)展中國(guó)家的戰(zhàn)略與經(jīng)濟(jì)的平衡；⑥美國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)對(duì)高溫巖體地?zé)岬那捌陂_(kāi)發(fā)試驗(yàn)已經(jīng)充分說(shuō)明，高地溫梯度(80,℃/km)的高溫巖體地?zé)犭妰r(jià)，在今天已具有一定的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，其電價(jià)大約在4～7 美分/

 

  (kW·h)，而中等和低級(jí)高溫巖體地?zé)豳Y源，通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)開(kāi)發(fā)技術(shù)，才能與以化石能源為基礎(chǔ)的電價(jià)具有競(jìng)爭(zhēng)能力．

 

  國(guó)際公認(rèn)的新世紀(jì)能源開(kāi)發(fā)應(yīng)滿(mǎn)足的基本原則是：在不增加化石能源需求的同時(shí)，大力開(kāi)發(fā)新能源；而對(duì)新能源的基本要求是運(yùn)行安全、價(jià)格合理和低環(huán)境影響．就此意義，高溫巖體地?zé)豳Y源與核能、太陽(yáng)能或者其他可再生能源相比，更具優(yōu)勢(shì)[4]．4 高溫巖體地?zé)豳Y源潛力的估計(jì)

 

  4.1 全球高溫巖體地?zé)豳Y源潛力

 

  地球內(nèi)部總的熱能對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)是無(wú)限的，但就開(kāi)發(fā)成本而言，卻只有極小的一部分可供人類(lèi)利用，而在可供人類(lèi)利用的地?zé)崮茴?lèi)型中，天然熱水資源僅占極小的部分．以美國(guó)的統(tǒng)計(jì)資料為例，主要能源類(lèi)型底數(shù)比較如圖2 所示[3]．將各種類(lèi)型的能源都折算成熱能來(lái)比較，單位為夸特(Quad 縮寫(xiě)為Q)．1Q=1021J，1Q大體相當(dāng)于全球大地熱流全年的放熱量．圖2 美國(guó)幾種能源底數(shù)的比較[3]

 

  由圖2 可以看出，地?zé)豳Y源中熱水型資源總量?jī)H相當(dāng)于高溫巖體型地?zé)豳Y源的幾千分之一，可見(jiàn)地?zé)豳Y源最主要的存在形式應(yīng)該是高溫巖體．所以說(shuō)，開(kāi)發(fā)高溫巖體地?zé)豳Y源才能算真正打開(kāi)了地球這個(gè)龐大的熱庫(kù)．

 

  國(guó)際高溫巖體地?zé)釋?zhuān)家們按照地?zé)崽荻?，?duì)全世界，特別是發(fā)達(dá)國(guó)家的高溫巖體地?zé)豳Y源進(jìn)行了較為詳細(xì)的評(píng)價(jià)[7]．就美國(guó)而言，專(zhuān)家們基于巖石的熱容系數(shù)、地?zé)崽荻取?a href="http://yaoqilife.top/t/熱儲(chǔ).html" >熱儲(chǔ)尺度、鉆井能力、期望利用溫度等多因素的綜合考慮，鑒于目前的開(kāi)采技術(shù)水平，對(duì)地面以下10,km 以?xún)?nèi)、溫度高于150,℃的高溫巖體地?zé)豳Y源可以開(kāi)發(fā)．據(jù)此估計(jì)，美國(guó)的高溫巖體地?zé)豳Y源總量在10～13,MQ，而1982 年全世界能源消耗的總量?jī)H為250,Q．據(jù)估計(jì)全球化石燃料360,000,Q，而僅美國(guó)易于開(kāi)發(fā)的高地溫梯度區(qū)(地溫梯度大于45,℃/km)的高溫巖體地?zé)豳Y源量就在650,000,Q，遠(yuǎn)大于全世界化石能源總量[7]；全世界地殼10,km 以?xún)?nèi)高溫巖體地?zé)豳Y源總量為40～400,MQ，相當(dāng)于化石能源的100～1,000 倍．因此，高溫巖體地?zé)豳Y源是巨大的、未開(kāi)發(fā)的、安全的、可供人類(lèi)用幾千年的綠色能源，也是全世界應(yīng)該大力開(kāi)發(fā)的新能源．

 

  4.2 中國(guó)高溫巖體地?zé)豳Y源潛力

 

  我國(guó)地質(zhì)構(gòu)造條件優(yōu)越，地處歐亞板塊東南部，為印度板塊、太平洋板塊和菲律賓板塊所夾持，在太平洋板塊持續(xù)向西俯沖和印度板塊持續(xù)向北俯沖匯聚的現(xiàn)今巖石圈動(dòng)力學(xué)背景下，陸內(nèi)構(gòu)造變形強(qiáng)烈，地震成片分布，深部熱物質(zhì)活動(dòng)(巖漿)強(qiáng)烈，形成了我國(guó)豐富的、類(lèi)型多樣的地?zé)豳Y源[17-20]．特別是我國(guó)西南部的青藏高原，它是新生代印度板塊和歐亞板塊俯沖碰撞造山作用最強(qiáng)烈區(qū)域．其巨厚地殼的形成，高原快速隆升，強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)和地震活動(dòng)，強(qiáng)烈的殼幔作用引起的地幔和地殼深部熱物質(zhì)的向上運(yùn)移，形成了豐富的地?zé)豳Y源[21-26]；