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地震&地热的关联:灾前取能,取热减灾!

时间:05-11 12:32

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摘要:地热能决定了地球分层流变、洋陆与盆山的关联成因、成矿成藏和自然灾害链,由此带动地学革命、能源革命和减灾革命。要实现这个宏伟目标,应开展两项重要工作:一是在地球系统动力学和热流体撞击地震成因模式指导下,科学预测地震及其关联灾害;二是在地球内部系统动力学和动态热源思想指导下,梯级综合开发地热能,特别是干热岩地热能低成本大规模持续发电,既能解决能源问题,又能从根本上解决灾害问题和环境问题。简要论述了地震与地热的关联机理,认为地球上没有板块,只有洋陆和盆山,它们由地壳和地幔固态流变物质层流而成,物质非均匀流动产生地震,断层是地震的结果。在热动力驱动地球物质非均匀层流的思想指导下,进一步阐明了地震预测和地热开发的思路和方法,明确指出沿着隐伏的活动韧性剪切带通过超长超导重力热管、U形钻井和U形挖掘进行高效采热,不仅能够解决供暖和电力问题,而且具有减灾减排作用。

 

开发地热能 取热减灾减排

 

人类在能源、环境、灾害多重问题夹击下,其根本出路是取热减灾。减灾过程可分为灾前取能、临灾预测、灾后救援三阶段。灾前取能是上策,临灾预测是中策,灾后救援是下策,而三位一体、重心前移是上上策。其关键科学技术问题是正确认识以干热岩地热能为主的地热来源、控热构造、勘查与评价方法和梯级系统开发技术体系。

 

热源与控热构造

 

不考虑太阳辐射热能对地表浅层低温地热能的影响,根据孕热和控热构造、温度(及深度)与岩石相态协调变化、热储性质,将地热能综合划分为水热型、干热型、浆热型、气热型和混合型。

 

关于干热岩的热源,目前的认识有高放射性花岗岩生热、岩浆残余热、地球深层传导热和断层摩擦生热,以高放射性花岗岩生热占主导。后3种认识的问题显而易见,至于高放射性花岗岩生热,与大量事实不符。首先,国内外铀矿和含铀花岗岩体的分布与现今地壳热结构不吻合。其次,已知干热岩地热能分布区的花岗岩放射元素含量并不高。再次,很多地热异常区带没有或少有花岗岩体。此外,就算高放射性花岗岩是热源并作为热储,其生热率也远远低于干热岩发电的采热率。

 

地核是地球的心脏,为动态生热构造系统;极高温导致地球深部岩石部分熔融,构成地球储热构造系统;内幔流层因物性和温度的非均匀性而发生分异,构成地球导热构造系统;地球深部热能以对流和传导的方式传输到地球浅部,由洋陆作用、岩浆活动、变质作用、构造作用和热泉温泉等方式释放能量,构成释热构造系统。除上述全球控热构造系统外,从地热带、地热省到地热田,都具有结构类似的控热构造系统。

 

地热能的热源和控热构造是地热能勘查、评价和开发利用的基础,也是从本质上减灾减排的核心。只有真正解决了这个重大科学问题,才能实现地热能综合利用和减灾减排方式的伟大变革。

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干热岩地热能的勘查与评价

 

关于深部地热资源勘探,国外一般用地质学、地球物理学、地球化学的方法间接获取地热资源信息,勘探周期长,投入资金大,可靠性较差。针对干热岩地热能的动态热源和控热构造系统,可以地空一体化直接快速高效获取地热资源信息。首先在已有资料基础上,参考过滤背景值的卫星和无人机热红外数据,确定干热岩地热能目标区带;然后根据地质结构和目标需求取合适深度,利用车载钻孔光纤测温测气系统开展系统的三维热构造普查和详查,不断精细化目标区的三维热结构;最后在有利区段采用地震、大地电磁等地球物理探测手段与已知三维热结构进行耦合,最终确定靶区的精细三维热结构,准确高效确定干热岩地热能钻井位置。

 

关于地热资源评价,国内外通常按地热能分层均匀分布模型估算一定区域特定深度干热岩地热资源总量,按一定的可采比例(如2%)换算成标准煤量级。这种方法将干热岩地热能当成不可再生能源。李德威等一直强调,地球内部热能四维非均匀动态演变制约洋陆-盆山系统的物质运动及其相关的构造变形、岩浆活动、变质作用、成矿成藏、环境演变和生物演化。地热能当积累超过临界状态时,释放热能形成链式演变的自然灾害。

 

人类主动开发地热能,可从根本上减灾减排。人类应当尽最大努力趋利避害,充分开发利用中小型热灾害链级别的剩余地热能,人类难以开发利用巨型和大型热灾害链的巨量高温地热能,只能起到弱化作用,最终还是无法阻止洋陆转换、盆山形成、大规模构造岩浆活动和生物灭绝与锐减。

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干热岩地热能开发新思路

 

应当梯级、综合开发利用沿隐伏的活动韧性剪切带发育的干热岩地热能,这种区域具有地势平坦、水源丰富、交通便利等特点,适合于人类居住,同时也是自然灾害多发和连发区,特别是地震活动频繁。因此,生活在这片“热土”之上的人们急需地热能供暖、发电,同时减灾减排。

 

研发具有真空超导热性能的超长重力热管,取出动态干热岩热储中的高温地热能,可用于发电、供暖、油田油气分离、养殖、道路的融雪化冰等广泛领域。就供暖而言,超长超导重力热管采热不抽水,而且取出与动态干热岩有关的热能而不是地球表层土壤中的热能,由此可一举解决地源热泵存在的供热不足(特别是高层建筑)、地下水位下降、地面沉降、尾水回灌、地下水污染、管道结垢等问题。

 

干热岩地热能发电是当务之急。目前越来越多的国家已经利用干热岩地热能发电,国外一般将干热岩热储人工提高渗透率后取热发电的工程称为增强型地热系统。注入井与生产井之间以人工压裂方式连通。目前,中国干热岩的勘探尚处于初级阶段,除西藏羊八井具有良好的浆热-干热-水热型地热能组合外,在青海共和盆地已发现干热岩,还没有进入商业发电阶段。

 

在干热岩地热能发电站建设的初级阶段,可针对具有动态热源的高温单井(“穴位”)采用超长超导重力热管两相高效传热技术进行发电,为了提高采热效率和供热持续稳定性,应当对热储进行放射状压裂改造,在井下部封闭改造热储内通过流体介质增强热传输能力,建设稳定的分布式井口型干热岩地热能发电站。

 

要实现能源结构的转型与升级,急需以地球系统动力学思想为指导,采用并联、串联、丛联的U型对接井采热方法或U型掘进联通隧道方法,在对高温动态热储进行人工压裂-封装流体的基础上,增强和稳定热储的性能,工质注入端与输出端之间还可以管道连通,在钻孔或隧道的下部吸热段、上部绝热段管道材料的热物理性能与需求配套,由此建设中型和大型干热岩地热能发电站(下图)。

本文节选自《地球科学与环境学报》,Vol39,No4,<地震与地热的关联性:从预测减灾到取能减灾>一文,该文分为3部分,分别是1.地震的热动力成因;2.地震的热关联前兆及其预测体系;3.取热减灾减排,本文改编自第3部分:取热减灾减排,由于篇幅过长,有删减。

 


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