无处不在的地热能

吴辉　张进江　徐继山

美国黄石公园“老忠实地热喷泉”

地热是来自地球内部的高温热能。与其他行星相比，地球是一颗名副其实的“热星”。一种看法认为，地球刚形成的时候，温度非常高，俨然一颗“火球”。随着时间的推移，地表逐渐冷却，但它内部仍然保留着大量的热能。与此同时，地球内部存在着很多放射性同位素，它们无时无刻不在产生热量，不断地加热着地球。

地球是外温而内热的。它的内部可以分为三层：地壳、地幔和地核。从地表往下到地壳、地幔再到地核，温度逐渐升高，在地核处甚至能达到6000℃以上，这相当于太阳表面的温度。地球内部存在着各式各样的热，有自转热、重力热、化学热和放射热等。这些热源源不断地从地球内部一层层、一圈圈向外传递到地壳中，成为广泛存在于地球各处的地热资源。

与其他能源相比，地热不受地域、季节、昼夜等因素限制，能够为人类提供稳定的能源供给。地热能被认为是一种可再生的清洁能源，因为地球内部一直在产生热量，可谓“取之不尽，用之不竭”。

地球内部的热能是深藏不露的，我们看不见也摸不著，但是可以通过地表的地热现象来感受和认知它，例如地热温泉、地热喷泉和火山喷发等，这些都是地球内部热能在地表的表现形式。

火山喷发是地球内部的熔融岩浆和气体在地球表面喷发的现象，是地球内部热能释放的一种形式。它的作用机理是这样的：在地球内部的高温和高压环境作用下，熔融的岩浆逐渐向上运移，在一定条件下就会开辟出一条通道，最后在地表薄弱处喷涌而出。火山喷发会释放大量的能量。以2022年1月15日发生的汤加火山爆发为例，据科学家估算，其释放的能量相当于400万到1800万吨TNT炸药，接近上千枚原子弹。世界各地的火山大多分布在板块交界处，大规模的火山带包括环太平洋火山带、洋中脊火山带、东非火山带和地中海–喜马拉雅火山带。在我国，火山主要分布在东北、西南和东南沿海地区。不过，我国境内的现代火山喷发较少，其中著名的火山包括黑龙江五大连池火山群、吉林长白山火山群和云南腾冲火山群等，它们的喷发几乎都发生在几百年前。

地热喷泉是指地下热水和蒸汽在地表喷出的现象。在地球内部热能的持续加热作用下，浅层地壳中会产生大量的水蒸气。当这些水蒸气积累到一定程度时，就会从开口或裂缝通道喷出，喷出的同时携带大量热水，形成地热喷泉。地热喷泉也是地球内部热能的释放形式，相比火山喷发，地热喷泉要柔和许多，释放的能量也要少得多。地热喷泉喷出的水汽高度与地下水蒸气的压力有关，有的地热喷泉喷出的水汽高度能达到40米以上。喷出的水蒸气凝结为液态水后，通常会在地表形成一片池塘或者湖泊，成为美丽的自然景观。世界上有很多著名的地热喷泉点，例如美国黄石公园的“老忠实地热喷泉”、冰岛的盖歇尔地热喷泉等。

地热温泉是一种更加柔和的地热能在地表的表现形式，也是一种广为人知的地热现象，在全球很多地方都存在。例如，在我国长白山地区就存在着多处地热温泉，多数温泉水的温度在60℃以上，有些甚至超过80℃。地热温泉水中含有丰富的矿物质和微量元素，是一种非常有价值的天然资源。温泉与人类生活联系紧密，是最容易被直接加以利用的地热资源之一。人类利用地热温泉的历史十分悠久。很久以前，人们就学会了利用温泉进行沐浴和取暖，比如，罗马帝国时期的古罗马浴场、我国唐朝时期的华清池。此外，还有云南腾冲地区著名的“热海大滚锅”——它的直径有3米多，水深1.5米，水温高达97℃，昼夜沸腾，四季不歇。300多年前，徐霞客曾到此考察，描述其“飞仰口而张其上颚，其中下部如喉，水与气从中喷出”，一语道出它的神韵与奥妙。

火山喷发示意图

唐朝华清池遗址

云南腾冲“热海大滚锅”温泉

冰岛盖歇尔地热喷泉

虽然地热能在地球上无处不在，但在不同地方的分布是非常不均匀的。那么，如何衡量某个地区的地热资源潜力呢？科学家们常用的一个指标是“大地热流”，它是指地球表面单位时间内、单位面积上由地球内部向外传递的热能，单位是瓦/平方米。在全球各地，科学家们开展了大量的大地热流测量工作。根据国际热流委员会2021年公布的数据，目前全球共有74548个大地热流测量数据点，其中55%的数据点位于大陆地区，45%的数据点位于海洋地区。我国科学家们同样也开展了很多大地热流的测量工作。根据2016年公布的数据，在我国大陆地区共计测明了1230个大地热流测量数据。

如果我们将大地热流值绘制在地球表面，就可以很清楚地看到，大地热流与板块活动密切相关，大地热流值高的地区与板块边界有着很好的对应关系。在全球范围内，大地热流值比较高的地区主要集中在环太平洋火山带、三大洋的洋中脊，以及非洲板块与欧亚板块的碰撞带上。在这些地区，构造运动频繁，地热能丰富，同时火山、喷泉等现象也比较普遍。而在板块内部，由于构造相对稳定，大地热流值相对较低。

在我国大陆地区，大地热流的分布整体呈现“东部高、中部低，西南高、西北低”的趋势。其中西南地区的大地热流值最高，平均达到90毫瓦/平方米，部分地区超过100毫瓦/平方米。東部地区平均大地热流值为65毫瓦/平方米；中部地区平均大地热流值为55毫瓦/平方米；西北部地区平均大地热流值为55毫瓦/平方米。与全球大地热流值相比，我国大地热流值属于正常偏低水平。

根据温度的差异，地热资源可以大致分为三类。第一类是低温地热资源，温度在25到90℃之间，主要储存在浅层岩土体和地下温热水体中，通常可以直接用来供热取暖。第二类是中温地热资源，温度通常在90到150℃之间，主要储存在地下岩石和高温热水中，除供热外，也可以用来发电。第三类是高温地热资源，温度超过150℃，储存在岩石中（又称为干热岩），其深度通常在3000米以上，主要用于发电。根据自然资源部的评估数据，我国低温地热资源量相当于95亿吨标准煤，中温地热资源量相当于8530亿吨标准煤，而3000到10000米深度范围内的高温地热资源量相当于860万亿吨标准煤。如果按照2%的可开采资源量来计算，高温地热资源的可利用总量，相当于我国2021年能源消耗总量的3282倍，足够我们使用几千年。

虽然地热资源十分丰富，但是开发利用地热资源并不是一件易事，尤其是高温地热资源。承载高温地热的干热岩通常埋藏在3000米以下的深地空间中，其开发利用不仅成本高昂，还涉及一系列高难度的科学和工程技术问题。

地热能具有储量丰富、分布广泛、绿色无污染等优点，近年来受到了学术界和工业界的广泛关注，尤其是在我国提出“2030年碳达峰”和“2060年碳中和”的“双碳”目标之后，已经有很多科学家和工程师投入地热开发利用的科研攻关和工程建设中。随着科技的发展和突破，地热有望在不久的将来成为人类重要的基础能源之一，为人类文明的发展提供不竭的热力和无穷的动力！

致谢

感谢国家重点研发计划项目（2021YFA0716000）、中国石油-北京大学基础研究合作项目支持。