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      干熱巖科普

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      干熱巖科普 干熱巖地熱能的發展 干熱巖清潔供熱技術 技術應用(按功能) 技術應用(按規模)

      干熱巖科普

      探索地球的能量——干熱巖專題



      地球的起源

      地球的年齡

      地球的形狀和大小

      地球的結構

      地球的能量

      清潔熱源地熱能

      最具潛力的地熱資源—干熱巖型地熱



      卷首語


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

      長期以來,化石燃料對世界經濟的高速發展有著深遠的影響,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,人類所面臨的挑戰已經很清晰。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,從現在做起,相信我們可以找到對地球更佳的、可持續的,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和方式給出如下可能的結論:

      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著。由于本身引力的緣故,這些物質漸漸凝聚,愈縮愈小,旋轉速度愈來愈快,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,在旋轉以及塵埃和氣體星云凝聚收縮的過程中,內部放射性物質元素(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。熔融火球經歷了1000萬至2000萬年塵埃吸積,地表不斷增厚,炙熱物質被包裹于地表以內,地表溫度不斷下降,當地表溫度降低至沸點以下時,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,在月球上發現的巖石經測定吻合了這一時間,而包括地球在內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,發現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,更早的巖石證據還有待發現。

      按照對地球壽命100歲的推算,現在的它正處于中年。



      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”,最后科學家經過長期的精密測量,發現地球并不是一個規則球體,而是一個兩極部位略扁赤道稍鼓的不規則橢圓球體。

      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,地球北極地區約高出18.9米,南極地區則低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、地球的結構


      地球分為地球內部圈層和地球外部圈層兩大部分。


      地球內部圈層結構


      地球內部存在地殼、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,最厚地區大約為50-70公里。中國青藏高原地區,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。地球內部的溫度和壓力隨深度加深而增加,經檢測,地殼巖石的年齡絕大多數小于20多億年,而地球生成到現在大約已有46億年,這說明構成地殼的巖石不是地球的原始殼層,是地殼內部的物質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。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,很可能是巖漿的發源地。

      地核的平均厚度約3400千米,外核是液態的,由鐵、鎳、硅等物質構成的熔融態或近于液態的物質組成,液態外核會緩慢流動,故有人推測地球磁場的形成可能與它有關。內核是固態的,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的交換

      而且能量與物質總是緊密的聯系在一起的

      伴隨著物質的獲得或喪失

      地球系統也同時獲得或喪失了能量    


      能量的產生


      地球的內能(熱能、動力能、重力能)

      熱能

      地球內部是個龐大的熱庫,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。據地球物理資料及數據推斷,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外,本身還在不停地自轉,地球自轉產生的慣性離心力,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電總量的數億倍。

      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換,如重力能可轉換成熱能,熱能又可轉換成動能等。


      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,它能使地球表面發生風化,剝蝕而改變原來的外貌。

      日、月的吸引力對地球產生作用力,這個作用力本身也可轉化為能量。

      另外,地球上數以萬計的不停地奔騰流淌的河流,將流域內的大量泥沙,沖向異處;人類大規模開采礦藏,每年有數億立方米的礦物被搬動,這些同樣可改變區域性地殼平衡,并與之相伴產生一定的能量。



      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的主要途徑。

      地球內部高溫熔融的地核,使其周圍的地幔被加熱熔化,產生上升熱流,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

      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,使地球內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,期間會產生地震波的一種自然現象。據不完全統計,地球上每年發生大大小小五百萬次地震,其中能對一個地區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,開發潛力巨大。 

      早在1970年,地質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,就像人類發現煤炭、石油可以燃燒一樣”。



      地熱能的幾種表現型式

      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果。

      干熱巖型地熱,即埋深至地下數千米,內部不存在流體或僅有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、醫療、取暖、到建造農作物溫室、水產養殖及烘干谷物等。目前,人類開始建立地熱資源的現代概念,著手開發利用。

      地熱能發電

      地熱發電是地熱利用的工業用途。地熱發電和火力發電的原理相同,都是利用蒸汽的熱能在汽輪機中轉變為機械能,帶動發電機發電。在地熱發電中,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,直接可做機械能轉換,帶動發電。



      地熱能供暖

      地熱能可直接用于采暖、供熱和供熱水。



      溫室種植和水產養殖

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



      溫泉洗浴和醫療

      溫泉水自古以來就用于洗浴和醫療,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,如偏硅酸、偏硼酸、硫化氫、氡、鐳、氟等成分,形成醫療礦水,并在一些地熱區形成礦泥,具有醫療價值。



      七、最具潛力的地熱資源——干熱巖型地熱


      干熱巖是埋藏于地面以下1000米至10000米,內部不存在流體或僅有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、發電的清潔可再生熱源。

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


          


      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:中國地質科學院水文地質環境地質研究所國家“863”計劃項目“干熱巖地熱地質資源評價與開發技術研究”對我國陸區干熱巖資源潛力進行了估算,結果顯示,在中國,干熱巖地熱能(300010000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?!笨梢哉f,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,干熱巖發電幾乎是零排放,開發安全,持續性好。

      與其他清潔能源相比,干熱巖能夠實現穩定、可靠且安全的能源供應。

      風能不穩定;太陽能占地面積大,受夜晚及季節的局限;水能受季節影響,還可能造成流域生態破壞;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。



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