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從太空觀察地球，我們會看到一顆蔚藍美麗的星球。由于海洋的藍色和森林的綠色都是冷色調，這樣的地球可能看上去會讓我們感到清朗涼爽。

不過眼睛總是會騙人，實際情況或許出乎大家意料。地球其實是一個外冷內熱的小火球，內部蘊含著很高的熱量。雖然不能與太陽這種大火球相比，但據估計地球中心的溫度也達到了驚人的 6000 ℃。

地球內部結構

圖片來源：flickr/ Argonne ’ s Advanced Photon Source

有學者認為地球熱量來源主要有三個，一是地球內部放射性元素衰變產生的熱量，二是地球內部致密物質下沉到地心時重力勢能轉化成的熱量，三是地球形成時尚未散失的熱量。總而言之，這些都是地球自身產生的熱量。

這些能量能不能被人類利用起來？今天，就給大家介紹一種 " 未來能源 " ——干熱巖。

地下除了溫泉，巖石也很熱啊

雖然地心高溫，但是據資料顯示，地表年平均溫度只有 15 ℃左右。這是因為從地心到地表熱量逐漸散失，溫度越來越低，這也讓地層中出現了地溫梯度。在靠近地表的區域，平均地溫梯度是 3 ℃ /100m，即每深入地下 100 m，溫度就升高 3 ℃；反過來，每向地表靠近 100m，溫度降低 3 ℃。

發現這些來自地下的熱量后，人類就想加以利用，將其稱為地熱資源，并按照產出方式分為水熱型地熱資源和干熱型地熱資源。

水熱型地熱資源可以簡單理解為地下熱水。溫泉就屬于水熱型地熱資源，這是地下熱水冒出地表后的產物。還有一些地下熱水并不冒出地表，而是一直封存于地下。水熱型地熱資源的應用實例，除了泡溫泉之外，在國內比較著名的就是西藏羊八井地熱田了，1977 年我國就在此建了一座地熱發電站，并取得了良好效益。

泡溫泉就是利用的水熱型地熱資源

圖片來源：wikipedia

相應的，干熱型地熱資源可以理解為雖然地下的巖層很熱，但沒有水或者只存在很少的水。一般是指埋藏于地殼 3~10 km 深處、溫度高于 180 ℃（也有學者認為是 150 ℃或者 200 ℃）的高溫巖體，因此干熱型地熱資源也被稱為干熱巖。

之所以強調 3~10 km 這個深度，倒不是說更深的就不熱了，而是因為更深的地方我們夠不著了。目前人類最深的鉆井記錄是蘇聯的科拉超深井，花了 20 年時間才達到 12.2 km，而且耗資巨大。因此我們一般只關注那些地溫梯度比較高，即挖得不深就能很熱的地方，這里投入產出比比較高。中國的干熱巖資源主要集中在西藏羊八井地區、云南騰沖地區以及青海共和盆地等地。

中國干熱巖資源分布圖

圖片來源：參考文獻 [ 13 ]

干熱巖的資源量是相當可觀的。據麻省理工學院保守估計，地殼中可開采的干熱巖儲量接近 1.3×1027 J，可供全球使用大約 2.17 億年。而中國大陸 3~10 km 深度的干熱巖資源據統計約為 2.52×1025 J，大致相當于 860 萬億噸的標準煤。根據中國 2021 年的能源消費總量 52.4 億噸標準煤計算，如果這部分干熱巖可以實現 2% 的開采率，那么將能夠維持中國 3282 年的能源供給。

不過，干熱巖這種資源這么好，怎么還不開采利用呢？

能量誘人，開采不易

雖然干熱巖資源的前景非常誘人，但開采起來困難極大，直到上世紀 70 年代才有了較大的理論突破。1970 年，美國洛斯阿拉莫斯實驗室提出了增強型地熱系統（Enhanced geothermal system， EGS）的概念，基本原理大概是這樣的：向地熱儲層中打兩個井，注入井和生產井。向注入井中注入冷水，等冷水流經地熱儲層被加熱后，再用生產井把熱水抽上來，然后就能用這熱水供暖或發電了，用完還可以將這些水導入地下循環利用。

EGS 工程示意圖

圖片來源：作者自制

這個方案乍聽起來簡便劃算，等于說讓冷水去地熱儲層串門后，就能帶著熱量滿載而歸了，但實際存在很多工程技術上的難題。比如干熱巖資源所處的地層往往又熱又硬，鉆井難度大、成本高；又比如干熱巖儲層可能致密不透水，注入的冷水無法向鉆井周邊擴散吸熱，難以流到生產井被抽出。

盡管我們可以通過水力壓裂技術（注入高壓水破壞儲層結構，在其中形成裂隙網絡）來改善儲層的滲透率，但由于地下操作看不見摸不著，高壓水注下去后，難以保證裂隙就只按我們想要的方向發展，萬一它向遠離生產井的方向發展，那我們注入的水就收不上來了。

水力壓裂技術示意圖，向地下注入高壓水溶液，利用高壓使得巖層中產生裂隙，目前頁巖油采集也主要使用本技術

圖片來源：Wikipedia

1973 年，美國開啟了Fenton Hill 干熱巖試驗項目，首次進行了 EGS 的工程嘗試。雖然這個項目最終因鉆井設備缺陷以及工程成本巨大等原因失敗了，但也證實了 EGS 技術上的可行性，對干熱巖地熱開采起到了至關重要的推進作用。此后英國、法國、德國、澳大利亞以及日本等相繼開展了一系列的 EGS 工程嘗試，其中由法、英、德三國于 Soultz 聯合開展的 EGS 系統是目前世界上較為成功的 EGS 示范項目，于 2008 年實現了干熱巖地熱發電。

在歐洲的 EGS 技術成功后，美國、韓國和中國等國家也加速了這方面研究。美國能源部于 2015 年 4 月開始實施了 " 給地球插上插頭 " 的干熱巖 " 地熱能前沿瞭望臺研究計劃 "（FORGE），計劃在 2050 年將 EGS 發電的總裝機容量提高到 10 萬兆瓦，相當于 4 個三峽大壩。

韓國于 2016 年啟動了國內第一個 EGS 項目嘗試— Pohang EGS，其最終目標是期望實現 1 兆瓦（MWe ）的發電示范。但在該項目啟動后，2017 年在項目所在地附近發生了一次 5.5 級地震，有研究認為可能是這個項目向地下注水時誘發了地震，因此這個項目被迫停止。

韓國 2017 年項浦地震一角，這是該國近年來最大的地震之一，被懷疑很可能與 EGS 有關。

圖片來源：wikipedia

中國科學家 2017 年 5 月在青海共和盆地東部的 GR1 地熱井 3705 米深處鉆獲了 236 ℃的高溫巖體，這是國內首次發現的埋藏最淺、溫度最高的干熱巖體；2022 年 1 月，在共和盆地成功實現國內首次干熱巖試驗性發電并網，取得歷史性重大突破。

共和盆地干熱巖壓裂與定向鉆探現場

圖片來源：中國地質調查局

除了傳統的 EGS 方法外，還有學者另辟蹊徑。其中值得一提的就是我國學者創新提出的重力熱管技術，原理很巧妙：把一根導熱性極好的管道插入到干熱巖地層中，然后熱管就會自動把熱量傳導上來。不過由于距離很長，只用熱管的話可能采熱效率不佳，為此我們可以向管中注入氨水，氨水受熱后容易汽化，可以很方便地把熱量以蒸汽的形式帶上來，進一步提高了采熱率。

《中國科學報》2022 年 1 月報道了中國地質調查局與中科院廣州能源研究所合作創新研制的國內最長的 4200 米重力熱管采熱試驗裝置。在雄安新區為期 3 個月的現場采熱試驗顯示，單井短時采熱功率可達1.3 兆瓦，平均采熱功率800 千瓦，長期穩定運行可支撐供暖面積超 2 萬平方米。這一技術突破也是我國科技工作者對世界地熱資源開采事業的一大貢獻。

重力熱管技術示意圖

圖片來源：作者自制

干熱巖開采的隱患，怎么解決？

有人擔憂干熱巖開采可能引發的問題。一是誘發地震，如前文提到的韓國地震。不過，事實上這里的地震問題主要是水力壓裂導致的，其他使用水力壓裂技術的工作比如頁巖氣開采等也可能引發類似的問題。而已有研究指出水力壓裂對 3 級以上地震活動影響有限，同時水力壓裂誘發的微地震可能有助于釋放累積的地應力或能量，降低大震風險。此外還有學者認為水力壓裂導致的地震是可以控制的。

二是影響地球壽命。地熱資源是地球自身熱量的一部分，我們自作主張拿走了地熱資源，有人擔心會是殺雞取卵。應該說地球內部的龐大熱量確實是地球還 " 活著 " 的象征，它是地球上多種地質活動比如火山和地震的動力來源，等哪一天它消耗用盡后，地球就可能會冷卻成月球那樣，變成沒有生機與活力的荒原。但大家對此其實不用太擔心，因為人類獲取的這一點熱量相對于整個地球而言實在是九牛一毛。而且即便人類不拿走，地球也要通過火山或地震來釋放自己的旺盛精力。

三是耗水量大，且影響生態環境。在 EGS 儲層改造過程中，通常需要耗費數萬立方米的水資源，如前文提到的 Soultz 項目壓裂液用量就超過 10 萬立方米。而我國干熱巖資源主要分布在青海、西藏等水資源缺乏及生態脆弱的干旱地區，水力壓裂帶來的水資源浪費和生態破壞等問題不能忽視。對此有學者提出了用超臨界 CO2 充當壓裂液的方法，一來節約水資源，二來助力碳中和。目前是研究熱點，希望可以早日大規模應用于實踐。

結語

總的來說，雖然很多國家都制定了開采干熱巖資源的宏偉計劃，但各國普遍還處于小規模的試驗探索階段。中國地質科學院研究員王貴玲直言："（干熱巖開采技術）50 年的時間沒有特別明顯的進展 "。而中國因為起步較晚，技術積累方面相對更加薄弱。

但毋庸置疑的是，干熱巖是極富潛力的未來能源，儲量巨大，且綠色無污染，一旦在開采技術上實現了重大突破，就能很好地造福人類社會。