“如果我們能把中深層的地?zé)崤c淺層地?zé)嵯嘟Y(jié)合，再進(jìn)一步探索干熱巖的深層地?zé)岬拈_發(fā)利用，都會對我們的可再生能源，以及整個能源供應(yīng)起到更大的作用。”

龐忠和

中科院地質(zhì)與地球物理研究所

地?zé)豳Y源研究中心主任

人類社會的需求至關(guān)重要的兩大主題，一個是健康，一個是能源。可是當(dāng)健康跟能源發(fā)生沖突的時候怎么辦呢？

因為當(dāng)回過頭來看化石能源，它雖然促進(jìn)了工業(yè)化，帶動了社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但是同時也帶來了很現(xiàn)實的問題——環(huán)境污染。

例如霧霾，就是這兩者沖突的一大體現(xiàn)。大氣污染正是非常突出、迫切的問題。

所以，我們需要找到一條出路。而可再生的清潔能源，或許能解決我們現(xiàn)在面臨的能源與環(huán)境的巨大沖突。

這次我想分享其中一種可能性——地?zé)?/span>。火山噴發(fā)、溫泉、噴氣孔這些自然現(xiàn)象，都與它相關(guān)。

作為一種可再生能源，地?zé)嵩诘厍蛏戏植紡V泛。

下圖是全球的四大地?zé)釒?/span>——從環(huán)太平洋地?zé)釒У桨柋八怪料柴R拉雅地?zé)釒В缓蟮綎|非裂谷地?zé)釒В俚酱笪餮笾屑沟責(zé)釒А?/span>

圖中右下方是亞速爾群島，這里的地?zé)豳Y源是非常豐富的。

中國也有非常豐富的地?zé)豳Y源。西藏、滇西、川西都位于喜馬拉雅地?zé)釒希几缓邷氐責(zé)豳Y源，并且是可利用的。

什么是地?zé)?/span>

作為一種能源，地?zé)豳Y源的特點是可再生且清潔，以及來自地球內(nèi)部。

我們常說“地?zé)崾堑厍騼?nèi)心的奉獻(xiàn)”，實際上它與太陽能是可比的。

地心的溫度可達(dá)五千到六千度，所以它能量巨大。其中約50%的“熱”是來自地球，因為地球本來就是熱的。

在宇宙大爆炸學(xué)說中，地球是在慢慢的冷卻中，到目前為止，地球應(yīng)該是到中年時期。它已經(jīng)過了45億年，或許還能夠再活45億年。

那另外一部分，大約50%的熱量，是來自地殼當(dāng)中的鈾、釷、鉀等放射性元素。它們不斷衰變產(chǎn)生放射性衰變熱量。

因此，地球不僅是個熱庫，同時還在不斷地生熱，也就是說地球的熱量是可持續(xù)的。

所以我們可以總結(jié)出地?zé)豳Y源顯著的特點：

它能量巨大。人類利用的能量大小占地球總能量的比例非常小，小到可以忽略不計。所以它是可持續(xù)，甚至可以說是取之不盡，用之不竭的。

它是連續(xù)穩(wěn)定的。與太陽能、風(fēng)能不一樣，它不受天氣干擾，一天24小時、一周7天、一年365天都存在的

它是綠色能源。在滿足人類能源需求的同時，它不排放污染物，不會產(chǎn)生大量的二氧化碳等溫室氣體，更不會加重溫室效應(yīng)。所以在環(huán)境成本上，它競爭力強(qiáng)。

它儲集方便。因為地?zé)豳Y源是在地下儲層中，它們就像電池一樣，幫助人類儲集能量。

能源領(lǐng)域最突出、最現(xiàn)實的技術(shù)瓶頸是儲能技術(shù)，而儲能技術(shù)上限制了很多的能源利用。并且，地?zé)崮芘c太陽能、風(fēng)能等其他能源相互結(jié)合或互補(bǔ)，以起到儲集的作用，這也是未來的發(fā)展前景。

那么有哪些叫地?zé)豳Y源？

我喜歡用這六個字來歸納地?zé)豳Y源的三種類型：淺熱、水熱和干熱。

淺熱是淺層地?zé)崮埽谖覀兡_下兩百米以內(nèi)的淺度，也就主要是土壤層里邊的熱能；

水熱是像溫泉、噴氣孔這些以水的形式出現(xiàn)的地?zé)崮堋Ｎ覀儸F(xiàn)在主要利用了這部分常規(guī)的地?zé)崮埽蟾攀窃趦砂倜椎饺椎纳疃取?/span>

干熱是只有熱沒有水，所以很難開采。地球越往地心越熱，并且隨著深度的升高，巖石的滲透性卻是逐漸下降的。這樣一對矛盾促成了這一類型地?zé)岬奶攸c：有熱無水難開采。

因此淺熱和水熱是人類目前開發(fā)利用地?zé)岬闹饕问剑鴮τ诟蔁幔瑲W美發(fā)達(dá)國家已探索將近四十年，仍未達(dá)到真正的產(chǎn)業(yè)化，我國也只是處于基礎(chǔ)研究階段。

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地?zé)岬膽?yīng)用

那我們?yōu)槭裁匆_發(fā)地?zé)?/span>呢？

它可以減緩霧霾。為了打造“無煙城”，地質(zhì)工作者堅持不懈地勘測隱伏的地?zé)豳Y源，并且完成了規(guī)模化利用，從而成功實現(xiàn)了北方的冬季供暖。

大家對南方桂林、云南石林都很熟悉，也許很多人去看過蘆笛巖、象鼻山。在那個地方，有很多的巖溶的縫孔，以及地下的暗河。

研究地下水的工作人員都知道這是最好的含水層，因為它的儲水空間是最大的。

但是我們不太清楚實際上，在華北地區(qū)——北京、天津的地下也存在著巖溶。

比方說北京的石花洞，洞里邊的空間巨大，具備儲集熱水的極佳條件。

所以我們發(fā)現(xiàn)這一種儲集層，如要作為地?zé)衢_發(fā)利用，在三千米以淺的深度上是最有利的。

一是因為它單井出水量非常大，可達(dá)三千方，也就是三千噸，甚至每天可以到八千方，個別情況能到上萬噸的。

而在花崗巖地區(qū)，一般的井只能出三百噸至五百噸。這就是數(shù)量級的差別，

另一個是因為它水質(zhì)較好，礦物質(zhì)含量較低；

以及最重要的特點是，在這種儲層，把水采出后、用完后還能輕易地灌回去。這能很大程度上消解在堅硬巖石中開發(fā)利用地?zé)崴畮淼呢?fù)面影響，例如地面沉降。

地質(zhì)工作者正是在河北的雄縣找到了極佳的地?zé)衢_采區(qū)。

雄縣位于北京、天津、保定這個金三角的左下角上。北邊是燕山山脈，西邊是太行山脈。

實際上，河北雄縣是牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽锏钠渲幸徊糠?/span>。作為大熱田，牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽锓秶鷱V——北到固安，固安實際上距離天安門只有幾十公里。

雄縣就是在這個大熱田的最南端。這個地方的地質(zhì)條件比較特別。例如北邊有燕山山脈，西邊有太行山脈，它的地層是很厚的，最厚的有三四千米。

表面是新生代松散的沙層、土層等沉積物，往下是好幾層的石灰?guī)r，有碳酸鹽的這種儲層，也就是前面提到的大型巖溶熱儲。

大家要注意，大型巖溶熱儲與上邊的石灰?guī)r儲層，它們的熱導(dǎo)率要相差兩倍到三倍。

熱導(dǎo)率差別很大，也就影響了深部的地?zé)岱峙?/span>。

地球深部向外散發(fā)的熱量是均勻的，但到了兩三公里的地方，它就開始分離，進(jìn)行重新分配——熱流會涌向、集中導(dǎo)熱性質(zhì)好的巖石地層。因此，這會出現(xiàn)熱流向碳酸鹽集中的趨勢。

所以如果在碳酸鹽儲層打個鉆孔，我們就會拿到高溫度的地?zé)幔诎枷莸暮诘纳硨尤ゴ虻脑挘蜁窃跍囟群艿偷臒崴〉綔囟鹊偷牡責(zé)帷?/span>

另外，地下水的循環(huán)也會影響熱的再分配。

下圖表示的地下水的循環(huán)，從燕山山脈和太行山脈來的地下水，經(jīng)過兩三百公里長距離的運移，不斷把巖石當(dāng)中的熱量帶到盆地中心，使得盆地中心熱量聚集。

所以以上兩個因素導(dǎo)致的熱的聚集，為二元聚熱模式，形成了我們要開發(fā)的雄縣的巖溶熱儲。

為了開發(fā)它，我們要對它進(jìn)行勘探評價——立體化描述各層、計算總的資源量，可供暖的面積，然后進(jìn)行開采井、回灌井的布局。

下圖右方是溫度場的分布。紅色的是開采井，藍(lán)色的是回灌井。

我們做各種各樣的試驗，回灌試驗包括試中試驗。這是為了獲得好的流場、溫度場，獲得不同井之間的相互連通性關(guān)系，以實現(xiàn)百分百的回灌。

回灌是指熱水被開采出來后，用了以后冷水會回灌下去。

下圖綠色的是地下熱水的水位。紅色的是開采量，藍(lán)色的是回灌量。

回灌之前，地下熱水的水位就像飛機(jī)俯沖一樣的在下降——每年它下降五米。

但是到回灌以后，它在圖中2010年后的水位就回升了。

所以我們認(rèn)為它是可持續(xù)的。

雄縣有三十萬人口。目前我們打的地?zé)峋衅呤谧笥摇Ｒ磺灏倜鬃笥业纳罹瑴囟仍诹狡呤戎g。

因此一年的冬天這四個月，90%以上的人口享受了地?zé)峁┡?/span>，并且地?zé)峁┡乔鍧嵉摹?/span>

大家可以看到整個城市是無煙囪的。

下面的卡通形象地展示了一對井——紅色是開采井，藍(lán)色的是回灌井。

如何利用這一對井對巖溶儲層進(jìn)行開采？

首先開采熱水，送到供熱站經(jīng)過換熱后，送到各家各戶，然后降溫的水，也就是地?zé)釃倩貋恚瑥睦渌毓嘞氯ァＷ罱K就實現(xiàn)了循環(huán)往復(fù)的利用。

上圖是供熱站的水泵和換熱器的管線。

因此這個工作當(dāng)時引起了國際的關(guān)注，國內(nèi)外的很多專家學(xué)者到井口、供熱站以及到老百姓家里面看我們的控制，看我們的整個系統(tǒng)，都是贊口不絕。目前來講，我們的規(guī)模應(yīng)該是世界上最大的（演講時間為2016年10月30日）。

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地?zé)岬陌l(fā)展前景

整個大華北地區(qū)也有巖溶熱儲。大華北地區(qū)包括京、津、冀、魯、豫，為了治理霧霾，我們必須是整體的。

京津冀聯(lián)動還不夠，我們要把山東把河南都加進(jìn)來，整個大華北地區(qū)一起來治理才會有效。

下圖深顏色畫圈圈的地方都是有巖溶熱儲的分布。上面的三個紅點是現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)的實例，所以在很多地方還有這樣的巖溶熱儲。

下圖展示了地?zé)嵩谌珖姆植挤秶崃渴菑牡厍騼?nèi)部向外散熱，那么在這個分布之上，我們疊加了這個陰影，也就是上面提到的巖溶熱儲的分布范圍。

可以看出來全國大約1/3的國土都有這樣非常好的熱儲，所以它的勘探和開發(fā)利用的潛力巨大。

我們?nèi)绻汛藞D與我國霧霾的分布圖對比，可以看出來它們的吻合性非常好，所以，這樣的地?zé)豳Y源是可以幫助我們緩解霧霾。

最后我們簡單地展望一下未來的發(fā)展。中國在地?zé)崂蒙吓α藢⒔?0年。從十幾年前開始，在地?zé)崮艿闹苯永梅矫妫覈攀澜绲谝弧?/span>

一方面是因為中國幅員遼闊，另一方面是在中低溫地?zé)崂蒙?/span>，我們在國際上確實是有地位的。

除了供暖，地?zé)徇€有許多的應(yīng)用。例如用溫度較高地?zé)岚l(fā)電，發(fā)電完后，溫度下降再用于供暖，最后經(jīng)過地緣熱泵提熱之后，再用于別處，比如說溫泉洗浴和溫室大棚。

我們未來的目標(biāo)是要實現(xiàn)這樣的地?zé)岬奶菁壚?/span>。充分的利用有限的地?zé)豳Y源，實現(xiàn)循環(huán)往復(fù)的可持續(xù)利用。

不僅如此，高溫發(fā)電也是具有非常好的發(fā)展前景。

在原來的西藏和云南基礎(chǔ)上，我們國家的喜瑪拉雅帶又增加了川西地區(qū)。

四川西部的地?zé)豳Y源特別豐富。大概在這一口井的三百米處就可以測到了180度，并且通過計算，我們發(fā)現(xiàn)它的儲層溫度可達(dá)260度。

另外還有干熱的開發(fā)應(yīng)用。我國對于深層的干熱巖的工程化技術(shù)發(fā)展也有一套技術(shù)路線的規(guī)劃。

上圖是中國科學(xué)院做的能源技術(shù)路線圖，預(yù)期到2030或者2035年，初步實現(xiàn)這個技術(shù)成熟；到2050年，實現(xiàn)完全地商業(yè)化應(yīng)用。

總的來說，我國大華北地區(qū)以至于整個北方地區(qū)，都有非常好的地?zé)豳Y源，并且地?zé)豳Y源巖溶儲層特別好用。

就像雄縣寶貴的巖溶熱儲可以替代燃煤，解決北方城鎮(zhèn)供暖，從而緩解大氣污染的。

而除了巖溶儲層之外，還有別的儲層，比如說砂巖儲層，它的分布也十分廣泛。因此我國的地?zé)豳Y源非常豐富。

從更廣的意義上來講，如果我們能把中深層的地?zé)崤c淺層地?zé)嵯嘟Y(jié)合，再進(jìn)一步探索干熱巖的深層地?zé)岬拈_發(fā)利用，都會對我們的可再生能源，以及整個能源供應(yīng)起到更大的作用。

所以，讓我們大家一起努力，喚醒更多沉睡的能源！