探索地球的能量——干熱巖專題

卷首語

能源是人類社會存在于發(fā)展的基礎，人類的任何生產(chǎn)與生存活動都離不開能源。

長期以來，化石燃料對世界經(jīng)濟的高速發(fā)展有著深遠的影響，給人類帶來前所未有的繁榮與幸福。但是，直到最近我們才開始完全認識到為此所付出的代價，人類所面臨的挑戰(zhàn)已經(jīng)很清晰。我們必須減少或者改變能源的獲取與使用方式。沒有人可以輕視這種挑戰(zhàn)，從現(xiàn)在做起，相信我們可以找到對地球更佳的、可持續(xù)的，無污染的能源利用方案。 ??

一、地球的起源

地球形成于幾十億年以前，初期的痕跡在地面上已很難找到了，以后的歷史面貌也極為殘缺不全。若想從地球面貌往前一步一步地推出它的原始情況，困難極大。

自1543年，波蘭天文學家哥白尼提出了日心說之后，天體演化的討論才開始步入科學范疇，逐漸形成了諸如“星云說”、“遭遇說”、"星子說"、“災變說”、“潮汐說”、“大爆炸宇宙說”等學說。而其中“星云學說”在科學界是被目前人們普遍接受的學說之一，至此，我們可以對形成原始地球的物質(zhì)和方式給出如下可能的結(jié)論：

大約五十億年前，一個由塵埃與氣體形成的星團，在太空中緩慢地旋轉(zhuǎn)著。由于本身引力的緣故，這些物質(zhì)漸漸凝聚，愈縮愈小，旋轉(zhuǎn)速度愈來愈快，中心部分的溫度愈來愈高。在溫度極高的核心，形成了一個熾熱的星球——太陽。而在核心的外圍，塵埃和氣體聚集成巖塊和各種石頭，這些巖塊和石頭與太空中剩余的氣體結(jié)合，逐漸演變成太陽系中的各顆行星。地球，就是其中之一。

初生的地球，在旋轉(zhuǎn)以及塵埃和氣體星云凝聚收縮的過程中，內(nèi)部放射性物質(zhì)元素（如鈾、釷等）蛻變生熱，使地球溫度不斷升高，形成一個熔融的熱火球。熔融火球經(jīng)歷了1000萬至2000萬年塵埃吸積，地表不斷增厚，炙熱物質(zhì)被包裹于地表以內(nèi)，地表溫度不斷下降，當?shù)乇頊囟冉档椭练悬c以下時，存在于原始大氣中的水蒸氣開始大量液化，傾盆大雨降落到地球表面低凹之處，形成了江河、湖泊和海洋。大量水的存在使地球表面溫度持續(xù)下降至適宜生命的存在，地球初具今天的模樣：地表以下是巨大的熱庫，地表以上是生命的家園。

二、地球的年齡

科學家已測定太陽系中碎屑的年齡都在45億年至47億年之間。19世紀60年代，在月球上發(fā)現(xiàn)的巖石經(jīng)測定吻合了這一時間，而包括地球在內(nèi)的太陽系成員大都在同一時期形成，因此，科學家推測地球大約已經(jīng)存在了46億年左右。在加拿大的東北方向冰雪覆蓋的格陵蘭島西部，發(fā)現(xiàn)了迄今地球上最古老的巖石------阿米佐克片麻巖，距今大約38億年，這也大致驗證了科學家們的研究，更早的巖石證據(jù)還有待發(fā)現(xiàn)。

按照對地球壽命100歲的推算，現(xiàn)在的它正處于中年。

三、地球的形狀和大小

人類對地球形狀的認識經(jīng)過了漫長的過程，從最開始認為的“天圓地方”，到“球形”，最后科學家經(jīng)過長期的精密測量，發(fā)現(xiàn)地球并不是一個規(guī)則球體，而是一個兩極部位略扁赤道稍鼓的不規(guī)則橢圓球體。

若將地球比作一個“鴨梨”， “梨身”是鼓起的赤道部分；“梨蒂”是放尖的北極點；而凹進的南極點，是它的“梨臍”。

地球赤道的平均半徑為6738公里，極半徑為6357公里，地球北極地區(qū)約高出18.9米，南極地區(qū)則低24至30米。

地球子午線方向周長約為3.99萬公里，赤道周長約為4萬公里，如果一個人每天走55公里 ,大約要2年才能繞地球一周。

地球的表面積大概有5.1億平方公里，陸地面積占29%，海洋面積占71%，可謂“三分陸地，七分海洋”。

太陽可以輕松裝下100萬個地球。

四、地球的結(jié)構(gòu)

地球分為地球內(nèi)部圈層和地球外部圈層兩大部分。

地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)

地球內(nèi)部存在地殼、地幔和地核三個圈層，好比是一個煮熟的雞蛋，蛋殼相當于地殼，蛋白相當于地幔，蛋黃相當于地核。

地殼是地球的最表層，由于地球表面有陸地和海洋，因此，又有大陸地殼和大洋地殼之分。大洋殼的厚度很小，平均僅為6-8公里。大陸地殼一般厚度為33-35公里，最厚地區(qū)大約為50-70公里。中國青藏高原地區(qū)，地殼平均厚度可以達到70公里，是世界上地殼厚度最大的地區(qū)之一。大陸地殼由三種不同成分的巖石組成，最上面是沉積巖層，向下依次是花崗巖層和玄武巖層。地球內(nèi)部的溫度和壓力隨深度加深而增加，經(jīng)檢測，地殼巖石的年齡絕大多數(shù)小于20多億年，而地球生成到現(xiàn)在大約已有46億年，這說明構(gòu)成地殼的巖石不是地球的原始殼層，是地殼內(nèi)部的物質(zhì)通過火山活動和造山活動形成的。

地幔厚度約2900千米，上地幔主要是橄欖石，下地幔是具有一定塑性的固體物質(zhì)。上地幔上部存在一個地震波傳播速度減慢的層，一般又稱為軟流層，推測是由于放射性元素量集中，蛻變放熱，使巖石高溫軟化，并局部熔融造成的，很可能是巖漿的發(fā)源地。

地核的平均厚度約3400千米，外核是液態(tài)的，由鐵、鎳、硅等物質(zhì)構(gòu)成的熔融態(tài)或近于液態(tài)的物質(zhì)組成，液態(tài)外核會緩慢流動，故有人推測地球磁場的形成可能與它有關。內(nèi)核是固態(tài)的，從源自其他行星核心的鐵隕石來推測，主要由鐵、鎳等金屬元素構(gòu)成。

地核占地球總體積的16%，地幔占83%，與人們關系最密切的地殼，僅占地球總體積的1%。

地球外部圈層

地球還包括大氣圈、水圈和生物圈。這三個圈層之間沒有明顯的界線，它們彼此滲透，相互影響，在太陽和人類生活的參與下，使整個地球生機盎然。

五、地球的能量

地球并不是一個封閉的體系

她每時每刻都在宇宙中運動著

同時也在宇宙中進行著能量與物質(zhì)的交換

而且能量與物質(zhì)總是緊密的聯(lián)系在一起的

伴隨著物質(zhì)的獲得或喪失

地球系統(tǒng)也同時獲得或喪失了能量? ??

能量的產(chǎn)生

地球的內(nèi)能（熱能、動力能、重力能）

熱能

地球內(nèi)部是個龐大的熱庫，放射性元素的衰變是地球熱能的主要來源。

聯(lián)合國有關新能源報告顯示：全球地熱能資源總量，相當于全球資源總消耗量的45萬倍。

地球從地面至地心，隨著深度的增加，溫度也在不斷地提高。據(jù)地球物理資料及數(shù)據(jù)推斷，整個地球的平均溫度約為2000℃，地核的溫度約為6000攝氏度，其炙熱程度可與太陽表面相媲美。

動力能

地球是太陽系的九大行星之一，它除了圍繞太陽進行公轉(zhuǎn)外，本身還在不停地自轉(zhuǎn)，地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性離心力，能夠給予地球體巨大的能量，這種能量就稱為旋轉(zhuǎn)能，或叫動力能，有人計算這種能為2.1×1029焦耳，如果換算成電能它相當于全球發(fā)電總量的數(shù)億倍。

重力能

地心引力給予地球體本身的能量，是重力能，它可以轉(zhuǎn)換為熱能或動力能，也叫策略能。

不同方面的能量也在互相轉(zhuǎn)換，如重力能可轉(zhuǎn)換成熱能，熱能又可轉(zhuǎn)換成動能等。

地球的外能（太陽輻射能、引力、人類活動、其他）

太陽輻射能是地球表面最主要的能源，也是地表水和大氣運動的主要動力，它能使地球表面發(fā)生風化，剝蝕而改變原來的外貌。

日、月的吸引力對地球產(chǎn)生作用力，這個作用力本身也可轉(zhuǎn)化為能量。

另外，地球上數(shù)以萬計的不停地奔騰流淌的河流，將流域內(nèi)的大量泥沙，沖向異處；人類大規(guī)模開采礦藏，每年有數(shù)億立方米的礦物被搬動，這些同樣可改變區(qū)域性地殼平衡，并與之相伴產(chǎn)生一定的能量。

能量的傳遞

地熱能傳遞的方式有傳導、對流、輻射。

地幔對流是熱量由地心向地表傳輸?shù)闹饕緩健?/p>

地球內(nèi)部高溫熔融的地核，使其周圍的地幔被加熱熔化，產(chǎn)生上升熱流，遇到地殼降溫后，向四周分流，密度增大，又向地幔下部沉降，在地核附近再遇熱上升，如此往復，形成地幔對流。

地幔對流，帶動了其上方的地殼大陸板塊或海洋板塊的上升、下沉與平移，形成山脈、海洋、大陸，形成大洋中脊裂谷和大陸裂谷，同時也是地表熱點的分布、地震和火山活動，以及某些礦物生成的重要因素。

地幔的熱對流就像運動的傳送帶，被認為是地球演化變遷最可能的原始驅(qū)動力。

能量的釋放

在46億年長河中，運動的地球不斷的蓄積和釋放著能量。

地球釋放能量的形式多樣，其中主要有以下四種：

熱傳導

大地通過巖石向外傳導熱能，是地球熱能釋放的主要渠道，稱為大地熱流。地球每年通過熱傳導從地球表面散失的熱量約為1.399×1021焦耳。

火山噴發(fā)

地下的巖漿循著地殼的薄弱帶攀援上升，噴出地表形成火山爆發(fā)，使地球內(nèi)部積聚的熱能得到釋放，之后再形成新的平衡。地球每年通過火山噴發(fā)釋放的熱量大約為3.3×1019焦耳。

地震

地震是地殼快速釋放能量過程中造成振動，期間會產(chǎn)生地震波的一種自然現(xiàn)象。據(jù)不完全統(tǒng)計，地球上每年發(fā)生大大小小五百萬次地震，其中能對一個地區(qū)造成巨大災難的大地震約十來次。地球每年通過地震活動釋放的熱量大約為5×1017焦耳。

溫泉

地球每年通過地熱帶溫泉釋放的熱量估計約為2×1018焦耳。

六、清潔熱源地熱能

地熱資源是一種無污染的清潔能源，隨著石油、煤炭等傳統(tǒng)能源逐漸枯竭，地熱資源將成為未來能源的一個重要組成部分。

目前，國際上有一百多個國家在開發(fā)利用地熱資源，并以每年12%的速度遞增。預計到2100年，地熱利用將在世界能源總值中占30%到80%。

中國屬于地熱資源豐富國家，開發(fā)潛力巨大。?

早在1970年，地質(zhì)部部長李四光先生高瞻遠矚地提出“地下是一個大熱庫，是人類開辟自然能源的一個新來源，就像人類發(fā)現(xiàn)煤炭、石油可以燃燒一樣”。

地熱能的幾種表現(xiàn)型式

水熱型地熱，即地球淺處（地下100～4500m）所見的熱水或水熱蒸氣，例如溫泉、間歇泉。這些地下熱水和蒸汽，其實是大氣降水在地下深處被熱巖體加熱的結(jié)果。

干熱巖型地熱，即埋深至地下數(shù)千米，內(nèi)部不存在流體或**少量地下流體的高溫巖體。

地壓型地熱，某些大型沉積盆地（或含油氣）深處（3000～6000m）存有大量高溫高壓流體。

熔巖地熱，即儲存在高溫（700～1200℃）熔融巖體中的巨大熱能，例如火山巖漿。

地熱能的應用

人類利用地熱能歷史久遠，從溫泉沐浴、醫(yī)療、取暖、到建造農(nóng)作物溫室、水產(chǎn)養(yǎng)殖及烘干谷物等。目前，人類開始建立地熱資源的現(xiàn)代概念，著手開發(fā)利用。

地熱能發(fā)電

地熱發(fā)電是地熱利用的工業(yè)用途。地熱發(fā)電和火力發(fā)電的原理相同，都是利用蒸汽的熱能在汽輪機中轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，帶動發(fā)電機發(fā)電。在地熱發(fā)電中，大地就是鍋爐，它所用的地熱能源，從大地出來時，就是蒸騰高溫蒸氣，直接可做機械能轉(zhuǎn)換，帶動發(fā)電。

地熱能供暖

地熱能可直接用于采暖、供熱和供熱水。

溫室種植和水產(chǎn)養(yǎng)殖

反季節(jié)新鮮蔬菜、高檔花卉和鮮活水產(chǎn)品大量進入現(xiàn)代人生活。中低溫地熱資源可以直接用于溫室供暖（包括土壤加溫）和溫水養(yǎng)殖，供暖穩(wěn)定且產(chǎn)值高。

溫泉洗浴和醫(yī)療

溫泉水自古以來就用于洗浴和醫(yī)療，礦水成分有普通熱水所不具備的洗浴功效。地下熱水在地下深部較高溫度、壓力的條件下，能溶解豐富的礦物質(zhì)，如偏硅酸、偏硼酸、硫化氫、氡、鐳、氟等成分，形成醫(yī)療礦水，并在一些地熱區(qū)形成礦泥，具有醫(yī)療價值。

七、**潛力的地熱資源——干熱巖型地熱

干熱巖是埋藏于地面以下1000米至10000米，內(nèi)部不存在流體或**少量地下流體的高溫巖體。它的溫度在50°C至650°C之間，是一種可用于采暖、發(fā)電的清潔可再生熱源。

干熱巖的熱能賦存于各種變質(zhì)巖或結(jié)晶巖類巖體中，較常見的巖石有黑云母片麻巖、花崗巖、花崗閃長巖等。

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干熱巖地熱能儲量

國際范圍儲量：目前保守估計，在3000～10000米深處的地殼中，干熱巖所蘊含的能量相當于全球所有石油、天然氣和煤炭所蘊藏能量的300倍以上。

我國儲量：中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所國家“863”計劃項目“干熱巖地熱地質(zhì)資源評價與開發(fā)技術研究”對我國陸區(qū)干熱巖資源潛力進行了估算，結(jié)果顯示，在中國，干熱巖地熱能（3000～10000米）理論資源量相當于860萬億噸標準煤，如開采2%，則相當于2013年中國能源消費總量的5200倍。

干熱巖地熱能的意義

干熱巖地熱能是無處不在，取之不盡的新能源。

“有深度，就有熱度。”可以說，站在地球的每一個角落，腳下幾千米深處的巖石，都是熱源。

與傳統(tǒng)化石能源相比，干熱巖地熱能是一種清潔可再生能源。

干熱巖清潔無污染，是友好型、親環(huán)境的可再生能源。石油、煤炭燃燒的排放物會造成霧霾、促進酸雨的形成，增加大氣二氧化碳的濃度，排放物中的汞還會污染水源。和火電、水電相比，干熱巖發(fā)電幾乎是零排放，開發(fā)安全，持續(xù)性好。

與其他清潔能源相比，干熱巖能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定、可靠且安全的能源供應。

風能不穩(wěn)定；太陽能占地面積大，受夜晚及季節(jié)的局限；水能受季節(jié)影響，還可能造成流域生態(tài)破壞；核電雖清潔，但其危害程度重、范圍大，有安全隱患，2011年日本大地震造成的核泄露事故，至今令世界心有余悸。