来自地心的能源——地热

正当世界面临能源短缺之时，人们自然会想起地球母亲怀抱中的能源—

—地热。我们的祖先早在二千多年前，就开始享用地下热水，后来开发蒸汽井采热。但因条件限制，只能利用地表的有限热能，而地球深处的能量被埋没了许多个世纪。从 70 年代开始，地热的开发利用受到了世界各国的重视， 深埋了亿万年之久的地下热源被开采出来，为人类供暖和发电，开辟了能源世界新天地。

拜访地宫难一百多年前，法国一名叫凡尔纳的作家，曾在他的科幻小说里提出去月球旅行和入地心探险的遐想。经过了一个世纪，人类终于排除了千难万险，探访了“月宫”，在宁静的月面上踏上了深深的脚印。但入地却比登天难得多，人类至今伸向地球深处的“铁臂”最长也只不过 9600 米，更没人敢乘坐一辆钻地探险车去拜访地宫。

原来，半径 6300 多公里的地球，并非是古人想象的那种空心球，也不完全是一个坚硬的实心球，而是一个谜一样的高温高压世界。

今天，人类已经开始探索地球深处的奥秘。实践告诉人们：入地之所以比登天难，是因为地表的岩石密度比最稠密大气层密度大几千倍，而且越往深处密度越大，甚至大上万倍。如果要驾驶一辆钻地探险车去拜访地宫，将会遇到多大阻力啊！

地球表面是气象万千的天地，可是地下却是面目皆非的严酷世界。它的外层是平均厚度只有三十几公里的岩层，称为地壳，海底最薄的地壳只有 5 公里。

往下 2800 公里则是带塑性的岩浆，叫地幔。它比岩石还致密（大约是水

密度的 5 倍），难怪有人将地壳比作漂浮在地幔之上的板块。

离地面 2900 公里以下，则是地球的核心，它是超高密度的固体（密度是

水的 10 倍），叫地核。

如果将地球比作熟鸡蛋，则地壳就好比是薄薄的蛋壳，地幔就像蛋白； 地核就似蛋黄。

地球深处是高温高压的神秘世界。实测资料估计，平均每深 33 米，温度上升 1℃，到地壳底层温度已达 1000℃以上，地幔的温度则达 1200～2000℃， 地核温度竟高达 5000℃以上，火山爆发时，地球内部从几十公里深处喷射出来的岩浆，经过了长途跋涉来到地面，仍有 1000℃以上高温，就是一个证明。美国钻了一口最深的井，钻杆伸到 9600 米深处时，被 220℃熔融硫磺粘住而动弹不得，可知要突破挡路的岩浆是多不容易呀！

人类还能战胜几千度的高温，但地心深处的高压却难以对付。印度南部有一个名叫科拉的金矿，当坑道还没有沿伸到 3000 米深时，钻孔在一天之内就被四周的压力封闭了。由此可知，地层深处有多大压力啊！

科学家预测，离地面 2900 公里处的压力可达 13 多万兆帕，地心的压力

竟达 36 多万兆帕。有人作过试验，在 12 万兆帕下，金刚石竟变得像黄油一样软，这想必就是地幔成了粘稠岩浆的原因所在。我们目前使用的任何一种材料，都不能适应这样严酷环境的考验。只凭当代的科学技术水平，要想拜访地宫，真比登天还难得多！

然而，任何事物总是一分为二的，难入的地宫却也是一座珍贵的地下热库，它对人们同样充满诱惑，人们是绝不会放弃任何与地热有关的种种利用。

丰富的地热资源——

地球内部像一座高温高压的火炉，当雨水渗入地下或地下水流经这个火炉时，就被加热成蒸汽或热水，再沿着石头的缝隙冒出地面，变成一股股滚烫的热泉。

岩浆是炽热的粘稠熔融体，它受热而大大膨胀了身子，总是气鼓鼓地往外挤，但地壳却死死地将它闸住，“火炉”里始终憋着一股劲儿。

在地壳较薄的地方，岩浆有时冲破地壳的束缚，像脱缰的野马一样奔放出来，这时甚至把整块地皮和石头一齐抛到高高的天空中去。

火山爆发往往会毁坏森林和村庄，甚至危害生命。但是，火山周围也常常形成许多能源源不断地供应地下热水或蒸汽的地热田，那里常是景色宜人的旅游胜地或天然公园。

一般称温度在 20℃以上天然露头的地下水为温泉。它们按温度高低分为：低温泉（20～40℃）、中温泉（40～60℃）、高温泉（60～100℃）和过热温泉（100℃以上）四种。

地层中如果存在开放的对流水系，就会把地热带到地球浅层或表面，形成温泉、热泉或蒸汽田，而这种条件是不很多的。实际上，在有开采价值的地热资源中，以不含水的热干岩最引人注目。

热干岩温度高达 650℃，储热量大，通常埋藏于离地表只有 2～3 公里的深处，现代钻探技术已能达到。热干岩地热的开采利用已深受国际上普遍重视，在采用先进的遥感遥测、地质勘探、物理探查和化学分析技术，探明热干岩的类型、埋藏深度和规模之后，就不难加以开采利用。

世界地热资源

地球内部蕴藏着难以想象的巨大能量。据估计，仅地壳最外层 10 公里范

围内，就拥有 1254 亿亿亿焦热量，相当于全世界现产煤炭总发热量的 2000

倍。如果计算地热能的总量，则相当于煤炭总储量的 1.7 亿倍。有人估计， 地热资源要比水力发电的潜力大 100 倍。可供利用的地热能即使按 1％计算， 仅地下 3 公里以内可开发的热能，就相当于 2.9 万亿吨煤的能量。这是多么惊人的数字啊！不过世界各地的地热资源分布是不均匀的，有些国家地热资源特别丰富。冰岛就是富地热资源的国家。它地处北极圈附近，尽管气候寒冷，但地下却蕴藏着巨大的热能。冰岛的岩流几乎占全球岩流的三分之一， 近几个世纪里，平均每五年有一次火山爆发，有形成地热的得天独厚的条件。据统计，冰岛拥有温泉、热泉、蒸汽泉、间歇泉等达 1500 多个。

美国也蕴藏着丰富的地热资源，据地质调查表明，美国高温地热发电潜力相当于 755～7297 亿吨标准煤，或 600～4750 亿桶石油；可以直接利用的中、低温热能则相当于 1606～9139 亿吨标准煤。

此外，日本、新西兰、意大利、前苏联、印度、菲律宾、法国、匈牙利、墨西哥、肯尼亚等许多国家都蕴藏着地热资源。

我国的地热资源也比较丰富。目前已发现的地热露头有 2700 多处（包括天然和人工露头），还有大量地热埋藏在地下尚待发现。

我国大多数省（区）都有为数不同的地热露头，地热点分布比较多的有： 云南（345 处），西藏（342）处，河北（320 处），四川（295 处），广东

（229 处）等省区。我国地热资源大部分属于中低温热水，80℃以上的地热点只有 600 多处。从我国地热分布情况来看，有从中部向东部大陆边缘和西南部地热数量逐渐增多和水温逐渐增高的趋势。

西藏羊八井地热田闻名世界，它在海拔 4200 米高处，两侧是 5000～6000 米的高山雪岭。谷地平坦，热水沼泽星罗棋布，热汽喷口爆炸遍地可见，许多温泉、热泉和沸泉连成一片。最引人瞩目的是热水湖，湖面 7300 多平方米， 最深处达 16 米，水温常常在 46～57℃。

北京蕴有多处低温地热田，它的总面积至少有 600 平方公里。埋藏浅者只有 400 米，深者 2500 米，水温最低的 38℃，最高可达 70℃。

除西藏外，云南和台湾省属高温地热区；福建、广东等沿海省份属中、低温地热带；内地一些盆地蕴有低温地热田。

开发地热，造福人类

地热是大自然恩赐给人类的宝贵能源，开发利用地热能可节约大量煤炭、石油和天然气，人们从而有更多的化工原料可用。特别是在因大量烧煤对环境造成严重污染的情况下，开发地热对保护环境有着更重要的意义。

国内外都广泛重视地热的开发利用，它已广泛为工业、农业、国防、医疗卫生事业服务。世界上已有六十多个国家开发了地热能源。

利用地热能无非有直接利用地热和地热发电两条途径。

①地热能的直接利用：我国利用地热能有悠久的历史。近代，我国直接利用地热的范围更为广泛，地热这股“暖流”已流遍农、林、牧、副、渔、工业，以及医疗卫生等各行各业。

在农业生产中利用地热温室育种育秧，种植蔬菜。寒冬腊月为市场提供新鲜的西红柿、黄瓜、辣椒、西瓜等果蔬。地热烘干和催芽既可节省燃料， 又能提高工效，保证质量。用地下热水灌溉和加温土壤，随时可取；热水中含有多种有助于农作物生长的化学元素，促进作物增产。地下热水为水生作物（水浮莲、红萍、绿萍、水葫芦等）的生长、繁殖、越冬提供了有利条件。

林业上也已广泛使用，地热温室培育苹果苗，可缩短育苗期两个多月； 栽培葡萄，可人为地打破休眠期，做到长年结果；还可培育珍贵树种。用地下热水浇灌核桃、苹果、梨、葡萄等多种果树，生长茂盛，果大味鲜。

在畜牧业中，建立牲畜地热浴池，为牲畜治疗皮肤病，消灭吸血寄生虫。供牛羊饮用，增强了消化能力，使牲畜长得膘肥体壮。可利用高温地热水烫煺已屠宰的猪、牛、羊的毛。用地下热水煮饲料喂养牲口等等。

副业上用地热孵化鸡鸭，可控制孵化量的大小，不受季节限制，温差小而稳定，孵化率高，管理方便。可用地下热水加工兽皮、洗羊毛等等。

渔业上用水温 40℃的地下热水，使非洲鲫鱼能在北京越冬并生长繁殖。利用温流水高密度放养莫桑比克罗非鱼，三个月内亩产达 9000 公斤，建立地热温水鱼池，养殖鳗鱼喜获丰收。

此外，采用地热制冷设备，可用来制冰或冷藏蔬菜、瓜果、种子等。利用地下热水还可为沼气池加热，在严寒的季节，沼气池照常产气。帕米尔高原的群众在炽热的岩洞里烤羊肉。西藏的群众还经常把牛肉干放在热泉中煮食。西藏农牧民还常常直接用不含有害物质的地下热水沏茶。

工业上利用地下热水来漂染布料，控制车间的温度和湿度。橡胶厂利用地热水供锅炉用水、缫丝厂缫丝用热水。有的地热水井是高浓盐卤水，从中可提取盐类和贵重的微量元素。

还有，可利用地热为房屋取暖，既节煤又干净。利用地热水建立冬季游泳池。

在医疗卫生上，地热温泉浴对皮肤病、风湿性关节炎疗效显著。全国有

不少温泉疗养院。

世界上有不少国家利用地热为工农业生产、居民取暖和医疗卫生服务。冰岛利用地热采暖已占全国人口的 70％以上，居世界首位。在冰岛，用喷泉的热水就能在室内洗澡和取暖。首都雷克斯雅未克市已经全部利用地热采暖，节约了大量常规能源，大大减轻了城市的环境污染，市内空气洁净，市容幽雅美观，有“无烟城市”美称。冰岛 1925 年开始利用地热温室栽培蔬菜，

1974 年开始由地热温室生产的蔬菜和花卉自给有余。全国消耗的热能有 80

％来自地热。还利用高温蒸汽干燥羊毛、鱼类、海藻、青草和各种谷物。 日本是多火山的国家，地热资源丰富。1916 年起利用地热温室栽培花

草。并利用地热水取暖、烧饭、洗医疗浴，洁净的温泉水还作为饮用。在农业上，利用地热温室栽培蘑菇、木瓜、香蕉、西红柿、黄瓜等蔬菜及各种花卉，还有热带作物橡胶、椰子等。并用地热加温饲养鳗鱼、鳝鱼；孵化鸡鸭； 对猪舍加温等。日本北海道多冰雪的城镇，甚至巧妙地利用地热供暖使道路上的冰雪解冻。

新西兰对地热直接利用也十分重视，除打浅井供家庭采暖、取家庭热水、游泳池热水外，还利用地热蒸汽干燥木材、干燥纸张等。还专门开设温泉、矿泉和治疗浴场。

此外，美国、前苏联、匈牙利、意大利、法国对地热的直接利用也都十分重视，而且发展得比较快。

今后，地热能直接利用的重点领域将是采暖和农业生产。随着常规燃料价格的上涨，利用地热采暖将越来越经济。农业上重点利用地热能提高粮食产量，使以前不能大规模生产商品粮的寒冷地区高产谷物，用地热提高土温， 以延长生长季，大幅度增产。加工业方面对地热的直接利用的要求将会有所增长。干旱和缺淡水的地区，将利用地热来淡化盐水。

②地热发电：地热发电是利用地下热能的重要途径之一。由于地下热水或蒸汽温度因地而异，有的高达 280℃以上，有的还不到 100℃；有的压力高达几十兆帕，有的还不到几兆帕。有的热水纯净，含杂质少；有的则含多种腐蚀性强的成分。针对这些不同情况，地热发电的方式也相应而异，大体可分成三种：

第一种是直接利用天然蒸汽发电。这种方法简单，只要打好钻井，将地下热蒸汽直接引入汽轮机，推动汽轮发电机旋转就可发电。如果引出的蒸汽夹杂着热水的话，可先通过汽水分离器，将水除去，再引入汽轮发电机。

但要求温度在 100℃以上，压力在 2～3 兆帕以上，而且不含严重腐蚀汽轮机的有害成分的地下热蒸汽。

第二种方法叫减压扩容法。它可适用于略低于 100℃的地下热水。基本原理好比在海拔很高的山顶上煮开水一样， 因气压低于 1.013 兆帕，水温不到 100℃也会沸腾。用人工方法造成低压的条件，使得不到 100℃的地下热水也沸腾起来，变成蒸汽，再去推动汽轮发电机。具体办法是在汽轮机前方设一扩容器，在后方设有冷凝器和抽气器。起动时先开动抽气器，使整个系统处在负压下（即气压小于 1.013 兆帕），然后将地下热水引入扩容器。在负压下，不到 100℃的热水即刻沸腾起来，产生大量蒸汽，推动汽轮机。尾汽进入冷凝器，冷凝成水排出。这样不断地冷凝和排水，就可以保持系统始终处在一定负压下。如果地下热水里含有别的气体，这些气体不会在冷凝器里变成水，可通过除气器和抽气器除去，使系统保持负压。这种方法易行，是

利用较低水温地热水发电的好办法。

第三种是利用低沸点工质发电的方法。它是将地下热水引入蒸汽发生器的一侧，加热另一侧通过的低沸点有机化合物液体，使它沸腾产生大量蒸气， 推动汽轮发电机组发电。从汽轮机排出的低沸点工质的乏气，通过冷凝器， 再次变成液体，由循环泵打入预热器，再回到蒸汽发生器中加热，如此循环不已。低沸点工质种类较多，例如氯乙烷（C2H5Cl）、异丁烷等等都是理想的低沸点工质。氯乙烷的沸点为 12.3℃，当地下热水只有 60℃时，就可以得到 55℃，（4～5）×1.031 兆帕的氯乙烷蒸气，完全可用来推动汽轮发电机发电。这种方法不但可用于地下热水温度低于 100℃的场合，也适用于地下蒸汽中含有腐蚀性成分，不宜直接导入汽轮机的场合。这种方法的缺点是设备较复杂。

③世界地热利用新情况：据世界能源委员会（WEC）1993 年发表的 1992 年能源资源调查报告指出，地热资源在几千年前已开始向人类不断提供热能。至 1904 年才开始在意大利实现了工业规模的应用，建立了世界第一座地

热电站——拉德瑞罗地热电站。目前该电站的装机容量为 54.8 万千瓦。此

后，新西兰、美国、日本、菲律宾等 24 个国家相继开展地热发电利用。现在

最大的地热电站是美国的盖塞兹（Geysers）地热电站，装机容量共 283.7 万千瓦。装机容量次于美国的有菲律宾（88.8 千瓦），墨西哥（70 万千瓦）， 意大利（54.8 万千瓦），日本（27 万千瓦），新西兰（26.4 万千瓦），印度尼西亚（14.3 万千瓦）等。当前主要国家的地热发电容量共约 600 万千瓦， 年发电量共约 300 亿千瓦时。

表 2 － 7 一些国家地热资源利用量

此外，地热资源还在非发电（直接利用）方面被大量利用，所被利用的热能约为发电利用能量的 10 倍。报告中列出了一些国家的地热资源发电利用和非发电利用量，见表 2-7。

美国电力大户 OESI 公司在加州和内华达州建了两座大型地热发电站，于1993 年秋投产。建在加州南部的含拜尔地热发电站装机 32 万千瓦，投资 1.15 亿美元，生产的电力交当地供电公司并网销售；建在内华达州北部的腊依帕奇地热发电站，装机 12.5 万千瓦，投资 3800 万美元，生产电力由当地电力公司并网销售，建设资金全部由 GE 公司金融部门融资。

菲律宾政府和国有石油公司为解决国内电力严重不足，决定在莱特岛建

60.5 万千瓦地热发电站，其中 44 万千瓦向首都马尼拉所在的吕宋岛供电， 另 16.5 万千瓦向附近的宿务岛供电。同时建设连接各岛间的输电线路。为了减少输电损失，将采取直流输电，由世界银行融资；发电工程将采取建设、运营一揽子的 BOT 方式，并于 1993 年 4 月进行国际招标。

世界各国加紧开发热干岩发电技术，北美洲和其他大陆下面都是热干岩，但埋藏的深度不同。

迄今在利用大自然的这个恩赐方面迈出最大一步的，是在美国新墨西哥州芬顿山进行的 4 个月连续不停的试验。那里附近的洛斯阿拉莫斯国立实验

所的科学家们现在正在进行迄今范围最广泛的验证。他们在地下 2438 米深处

用水的压力在一片体积为 2124 万立方米的花岗岩层冲开一些裂口，然后钻两口井，从地球表面直通到 204.45℃高温的岩石上。

通过其中一口井向热岩石注入冷水，再用比汽车轮胎里的压力大 200 倍的高压把水从这些裂口里压挤过去。接着用水泵通过另一口井把热水抽回到地面上来。这种热水将在一座发电厂中用来加热丁烷（C4H10），使丁烷膨胀， 驱动涡轮机。据科学家们说，这样发电的成本将和常规发电厂的成本不相上下。

洛斯阿拉莫斯国立实验所的这个研究项目的领导人戴维·达钦预言，第一座正式运行的这种热电厂大约将在 5 年后投产。帮助实现这个梦想的是地热电力公司，这是内华达州里诺的一家新创办的公司，它现在正在同加利福尼亚州克利尔莱克市当局合作建造一座正式运行的地热发电厂，如新墨西哥州的平原电力公司等其他美国公司正在密切注视洛斯阿拉莫斯国立实验所的研究活动，派遣顾问人员去参观这个工程项目。这项技术也在全世界引起浓厚兴趣，日本、英国、法国、德国和俄罗斯都在进行试验。

整个技术仍处于萌芽阶段。它也带有风险，例如钻井时碰上多孔的岩石， 就会像漏水一样把水流掉。但是研究人员认为，这种情况要比在勘探石油和天然气时打出空井的可能性要小得多，打空井的可能性为 20∶1。

日本中央电力研究所与我国国家地震局地壳应力研究所合作开展高温热岩发电的研究试验工作。高温热岩发电是要取出地下热岩的热量，通过地面的热交换及发电设备转换为电能。其技术关键在于如何取出热岩的热量，现在世界上许多实验中，多数是用不同方法将岩石压裂或爆裂，然后通过钻井将水或其他介质送入热岩裂缝中受热，并将热量带到地面。而地面发电的工艺过程则是利用成熟的技术。目前中日合作的试验就是水压破碎热岩、预测裂纹发展的技术研究。这次试验的场所选定在北京西南的房山。实验是在花岗岩层中进行，破碎用钻孔直径为 120 毫米，深约 250 米。还有 4 个声波观

测钻孔，其直径 90 毫米，深约 100 米，在破碎用钻孔的周围埋设有许多声波传感器，日本中央电力研究所对热岩水压破碎已掌握一定的实用技术，正在进一步完善设计。钻井工作中方已于 1993 年 7 月开始，计划破碎试验将在1994～1995 年间进行。

我国现有地热井 2000 口，其中近半数已投入开采利用。经过 20 多年的地热勘查证实，我国具有较丰富的高温和中、低温地热资源。现已完成地质勘查的地热田有 50 多处，其中西藏羊八井和羊应乡，京津及河北省牛驼镇的地热田均达大型规模。

中国的高温地热资源主要分布于藏南、滇西及川、滇交界一带，一般用于发电。中国目前的地热发电机组数在 17 个有地热发电的国家中居第 5 位，

装机容量居第 12 位。

我国最大的地热电站建在西藏羊八井地热田，现有装机容量 2.5 万千瓦，已累计发电近 4 亿千瓦时，占拉萨市电网的 40％～50％。另外湖南、广东等省也有地热电站。

中、低温地热资源主要分布于我国东部，用于纺织、印染、温室种植、水产养殖、医疗洗浴和冬季采暖等。地热利用最突出的天津市现已建成供暖面积 140 万平方米。

防范污染

地热应该被视为洁净和简易的能源，但因有些地方的地下热水中含有一些有害物质，处理不当也会污染环境。例如，热水中含有硫化氢，逸出来可以闻到臭鸡蛋的味道。有些热水中含有砷等有害物质。

在开发利用地热时，应仔细分析水中的有害元素的含量，同时采取相应的防范措施。最有效的处理办法是将废水回注到井内，这样既可解决污染问题，又可防止因大量抽水而造成地面下沉，这在技术上是完全可以办到的， 无需顾忌。