地热能的来源

地热能的来源

地球的内部是一个高温高压的世界，是一个巨大的“热库”，蕴藏着无比巨大的热能。地球内部蕴藏的热量有多大呢？假定地球的平均温度为2000℃，地球的质量为6×10²⁴ kg，地球内部的比热为1．045J/g·℃，那么整个地球内部的热含量大约为1．25×10³¹J。即便是在地球表层10km厚这样薄薄的一层，所贮存的热量就有10²⁵J。地球通过火山爆发、间歇喷泉和温泉等等途径，源源不断地把它内部的热能通过传导、对流和辐射的方式传到地面上来。据估计，全世界地热资源的总量大约为14．5×10²⁵J，相当于4948×10¹²t标准煤燃烧时所放出的热量。如果把地球上贮存的全部煤炭燃烧时所放出的热量作为100来计算，那么，石油的贮量约为煤炭的8%，目前可利用的核燃料的贮量约为煤炭的15%，而地热能的总贮量则为煤炭的17000万倍。可见，地球是一个名副其实的巨大“热库”，我们居住的地球实际上是一个庞大的“热球”。

地球内部的温度这样高，它的热量是从哪里来的呢？多数科学家认为，其热源乃是长寿命的放射性同位素进行的热核反应（另一种观点认为，地球最初是由一团高热物质组成，是从太阳派生出来的一个行星，经过四五十亿年以后，表面逐渐冷却，而形成地壳）。地球物质中放射性元素衰变产生的热量是地热的主要来源。放射性元素有铀238、铀235、钍232和钾40等。放射性元素的衰变是原子核能的释放过程。放射性物质的原子核，无需外力的作用，就能自发的放出电子和氦核、光子等高速粒子并形成射线。在地球内部，这些粒子和射线的动能和辐射能，在同地球物质的碰撞过程中便转变成了热能。地球内部的热不断向太空释放。这种地球物理现象就叫大地热流。由于地球的表面积很大，单位面积内放出的热量极其微小，所以全球平均大地热流量并不大，以致人们很难直接感觉出来。但是，其总量却非常大，而且不同地区的大地热流量是不同的，热流高的地区地热资源较丰富。

目前一般认为，地下热水和地热蒸汽主要是由在地下不同深处被热岩体加热了的大气降水所形成的。地壳中的地热主要靠传导传输，但地壳岩石的平均热流密度低，一般无法开发利用，只有通过某种集热作用，才能开发利用。例如盐丘集热，常比一般沉积岩的导热率大2～3倍。大盆地中深埋的含水层，也可大量集热，每当钻探打到这种含水层，就会出过大量的高温热水，这是天然集热的常见形式。岩浆侵入地壳浅处，是地壳内最强的热传导形式。侵入的岩浆体形成局部高强度热源，为开发地热能提供了有利条件。岩浆侵入后，冷却的时间相当长，一般受下列因素影响：

侵入的岩浆总体积；

侵入的深度或岩浆体顶面的埋深；

侵入岩浆的性质，酸性岩浆温度较低。约650℃～850℃，基性岩浆温度较高，1100℃左右，结晶潜热也有差异，酸性岩浆为65carl/g，基性岩浆80carl/g；

侵入体的形状；

有无水热系统。

据科学家推测，一个埋深为4公里的酸性岩浆侵入体，体积为1000公里，初始温度为850℃，若要使侵入体的中心温度冷却到300℃，大约需几十万年。可见地热的扩散是非常慢的。换言之，若要利用这种热能也是比较稳定的。一个天然的温泉，长年不息地流出地热水，而且几百年温度变化不大。

深度（km）

地球内部推测温度分布曲线

在地壳中，地热的分布可分为三个带，即：可变温度带、常温带和增温带。可变温度带，由于受太阳辐射的影响，其温度有着昼夜、年份、世纪、甚至更长的周期性变化，其厚度一般为15～20m；常温带，其温度变化幅度几乎等于零，深度一般为20～30m；增温带，在常温带以下，温度随深度增加而升高，其热量的主要来源是地球内部的热能。地球每一层次的温度状况是很不相同的。在地壳的常温带以下，地温随深度增加而不断升高，越深越热。这种温度的变化，以“地热增温率”来表示，也叫做“地温梯度”。各地的地热增温率，差别是很大的，平均地热增温率为每加深100m，温度升高8℃。到达一定的温度后，地热增温率由上而下逐渐变小。根据各种资料推断，地壳底部至地幔上部的温度大约1100℃～1300℃，地核的温度大约在2000℃～5000℃之间。假如我们按照正常的地热增温率来推算，80℃的地下热水，大致是埋藏在2000～2500m左右的地下。

按照地热增温率的差别，我们把陆地上的不同地区划分为“正常地热区”和“异常地热区”。地热增温率接近3℃的地区，称为“正常地热区”。远超过3℃的地区，称为“异常地热区”。在正常地热区，较高温度的热水或蒸汽埋藏在地壳的较深处。在异常地热区，由于地热增温率较大，较高温度的热水或蒸汽埋藏在地壳的较浅部位，有的甚至露出地表。那些天然出露的地下热水或蒸汽叫做温泉。温泉是在当前技术水平下最容易利用的一种地热资源。在异常地热区，除温泉外，人们也较易通过钻井等人工方法把地下热水或蒸汽引导到地面上来加以利用。

人们要想获得高温地下热水或蒸汽，就得去寻找那些由于某些地质原因，破坏了地壳的正常增温，而使地壳表层的地热增温率大大提高了的“异常地热区”。“异常地热区”的形成，一种是产生在近代地壳断裂运动活跃的地区，另一种则是主要形成于现代火山区和近代岩浆活动区。除此两种之外，也还有由于其他原因所形成的局部“异常地热区”。在“异常地热区”，如果具备良好的地质构造和水文地质条件，就能够形成有大量热水或蒸汽的具有重大经济价值的，“热水田”或“蒸汽田”统称为“地热田”。目前世界上已知的一些地热田中，有的在构造上同火山作用有关，另外也有一些则是产生在火山中心地区的断块构造上。

地热能是来自地球深处的可再生热能。它起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。地下水的深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后，把热量从地下深处带至近表层。在有些地方，热能随自然涌出的热蒸汽和水而到达地面，自史前起它们就已被用于洗浴和蒸煮。通过钻井，这些热能可以从地下的储层引入水池。房间、温室和发电站。这种热能的储量相当大。据估计，每年从地球内部传到地面的热能相当于100PW·h。不过，地热能的分布相对来说比较分散，开发难度大。实际上，如果不是地球本身把地热能集中在某些地区（一般来说是那些与地壳构造板块的界面有关的地区），用目前的技术水平是无法将地热能作为一种热源和发电能源来使用的。严格地说，地热能不是一种“可再生的”资源，而是一种像石油一样，可开采的能源，最终的可回采量将依赖于所采用的技术。将水（传热介质）重新注回到含水层中可以提高再生的性能，因为这使含水层不枯竭。然而在这个问题上没有明确的结论，因为有相当一部分地热点可采用某种方式进行开发，让提取的热量等于自然不断补充的热量。实事求是地讲，任何情况下，即使从技术上来说地热能不是可再生能源，但全球地热资源潜量十分巨大，因此问题不在于资源规模的大小，而在于是否有适合的技术将这些资源经济开发出来。

地热能是指贮存在地球内部的热能。其储量比目前人们所利用的总量多很多倍，而且集中分布在构造板块边缘一带、该区域也是火山和地震多发区。如果热量提取的速度不超过补充的速度，那么地热能便是可再生的。高压的过热水或蒸汽的用途最大，但它们主要存在于干热岩层中，可以通过钻井将它们引出。

地热能在世界很多地区应用相当广泛。老的技术现在依然富有生命力，新技术业已成熟，并且在不断地完善。在能源的开发和技术转让方面，未来的发展潜力相当大。地热能是天生就储存在地下的，不受天气状况的影响，既可作为基本负荷能使用，也可根据需要提供使用。

地热能的利用自古时候起人们就已将低温地热资源用于浴池和空间供热，近来还应用于温室、热力泵和某些热处理过程的供热。在商业应用方面，利用干燥的过热蒸汽和高温水发电已有几十年的历史。利用中等温度（100℃）水通过双流体循环发电设备发电，在过去的10年中已取得了明显的进展，该技术现在已经成熟。地热热泵技术后来也取得了明显进展。由于这些技术的进展，这些资源的开发利用得到较快的发展，也使许多国家的经济上可供利用的资源的潜力明显增加。从长远观点来看，研究从干燥的岩石中和从地热增压资源及岩浆资源中提取有用能的有效方法，可进一步增加地热能的应用潜力。地热能的勘探和提取技术依赖于石油工业的经验，但为了适应地热资源的特殊性（例如资源的高温环境和高盐度）要求，这些经验和技术必须进行改进。地热资源的勘探和提取费用在总的能源费用中占有相当大的比例。这些成熟技术通过联合国有关部门（联合国培训研究所和联合国开发计划署）的艰苦努力，已成功地推广到发展中国家。