火山喷发是人们了解地球内部情况的重要渠道,从火山口涌出的炽热岩浆让人们了解到地壳之下物质的状态和组成。人们从火山喷发的各种细节推测出,地壳之下充满了炽热的岩浆,地壳运动过程中如果压力不平衡,深处的液体从外壳的裂口喷涌而出。种种迹象表明,地球的硬壳并不均匀,有些地方非常薄而且脆弱,岩浆从这些脆弱地点冲破束缚而形成火山爆发;大部分地壳厚实而坚固,岩浆没有能力穿透地壳,在这样的地壳下面,岩浆在地表下面几千米的位置失去热量变为固态,这些刚刚固化的岩石与下面的高温液态熔岩相连,仍保持相当高的温度,这就是“干热岩”,也叫“火山侵入体”。
干热岩专指蕴藏于地球表层3~10千米深处,且温度处于180~650℃的致密不渗透热岩体。干热岩在全球分布广泛,几乎遍布于各大陆板块之下,是一种极具开发潜力的地热资源。干热岩赋存着巨大能量,保守估计是化石能源的30倍。干热岩型地热资源埋藏在地壳深处,储热岩体中不存在热水和蒸汽,无法形成水热型地热资源,而且因为埋藏位置过深,岩体所蕴藏的大量热能目前还难以直接利用。
将干热岩体转化为水热型地热田的地热利用方式,称为人工激发。人工激发方法很多,如高压水力破碎、化学爆炸破碎,甚至利用地下核爆炸。通过人为手段使干热岩体产生透水裂隙,然后通过钻孔将地表水送入其中汽化,得到的蒸汽从另外钻孔引出而后利用,这个过程就叫干热岩体激发。地球上的可利用地热能主要储存于干热岩体之中。通过干热岩体激发形成的水热型地热田,称为人工地热田。
人工地热田开发的原理很简单:将高压水通过注入井注入地下2000~6000米的岩层,使其渗透进入岩层的缝隙并吸收地热能量;再通过另一个专用生产深井(相距200~600米)将岩石裂隙中的高温水及水蒸气提取到地面;取出的水蒸气温度可达150~200℃,通过热交换及地面循环装置用于发电;冷却后的水再次通过高压泵注入地下循环使用,整个过程都在一个封闭的系统内完成。
美国是最早进行干热岩开发研究的国家,1974年,美国就与英国、法国、德国以及日本等联合,在新墨西哥州中北部进行干热岩的研究。20世纪70年代初,中国也开始大规模勘察和开发利用中深层地热资源,2014年中国科学家在青海共和盆地2230米深处发现干热岩体,是中国首次发现可大规模利用的干热岩资源。之后又在河北、山东、东北等地发现多处埋藏较浅的干热岩资源。
目前干热岩资源的开发还面临诸多挑战,比如,相关政策法规尚不完善,开发干热岩面临一定政策风险;干热岩资源情况不明确,勘探工作尚未全面铺开;干热岩开发技术并未完全成熟,对不同地区干热岩的开发有不同的技术细节尚待完善等。干热岩就像是低调的陌生人,外表的冷漠只是自我保护,深处却深藏着一片火热的“心”。当我们对它足够熟悉的时候,一定可以令它敞开心扉,成为人类生活中最好的伙伴。