第1章　地热能与地热资源

1.1　概述

1.1.1　地热能与地热增温率

地球内部包含的热能叫做“地热能”。地热能有两种不同的来源，一种来自地球外部，另一种来自地球内部。地球表层的热能主要来自太阳辐射，表层以下约15～30m的范围内，温度随昼夜、四季气温的变化而交替发生明显的变化，这部分热能称为“外热”。从地表向内，太阳辐射的影响逐渐减弱，到一定深度，这种影响消失，温度终年不变，即达到所谓“常温层”。从常温层再向下，地温受地球内部热量的影响，逐渐升高，这种来自地球内部的热能称为“内热”。每垂直深入地下100m或1km的地温增加值称为“地热增温率”或称“地温梯度”，单位为℃/100m或℃/km。

地球是一个巨大的椭球体，构造很像鸡蛋，主要分为三层：外表相当于蛋壳的一个薄层叫“地壳”，厚度10～70km不等；地壳下面相当于蛋白的那一部分叫“地幔”，总厚度约2900km；地球内部相当于蛋黄的那一部分叫“地核”（液核与内核），约3450km（图1-1）。地表至15km深处，地热增温率平均为2℃/100m；15～25km深处，地热增温率降为平均1.5℃/100m；再往下，则只有0.8℃/100m左右。

地热增温率与该地区的地质构造条件、岩石的导热性能、火山与岩浆活动情况以及水文地质等因素有关。对于近代火山和岩浆活动地区，地热增温率一般在6～8℃/100m；对正在喷发和不久前喷发的活火山区，地热增温率达每百米几十摄氏度；对地壳活动不活跃的古老结晶岩地区，增温率则＜1℃/100m；对于主要由沉积岩组成的近代沉降地区和年轻的山地，增温率为2～4℃/100m；对绝大部分地区，增温率为2～5℃/100m。

凡地热增温率超过某一正常值的地区，我国规定为3.5℃/100m，统称为“地热异常区”。

根据地热增温率的变化计算，地壳底部温度约为900～1000℃，至100km深处的地幔上部，温度可达1300℃左右。至于地幔下部和地核的温度，根据地球物理学有关资料推断，约在2000～5000℃之间。所以说，地球是一个巨大的热库，内部蕴藏着几乎取之不尽的热能。根据目前的钻井技术，超深井的钻井深度也只有1万多米，还不及地壳平均厚度的1/3，而一般钻井深度都在3000m以内，因而现在人们利用的地热能仅仅是“沧海一粟”，潜力还很大。

地热能的由来涉及地球起源的学说，虽然目前对这种学说有不同的学术观点，但都承认岩石中放射性元素蜕变产生的热量是地球内热的主要来源。据计算，在地球历史中，地球内部中、长半衰期放射性元素蜕变产生的热量平均每年有20.934×1020J。由于地壳中放射性元素含量逐渐减少，目前产生的热量约为30亿年前的40%，略少于地球每年向宇宙散失和由火山、温泉携出的热量的总和，因而地壳在最近的地质历史时期正处在极其缓慢的冷却之中。根据计算，要使地壳上部的冷却区向下移至地心，约需100亿年的时间。除放射性元素蜕变放热外，地球内部的热源还可来自重力分异、潮汐摩擦、化学反应等，但这些都不占主导地位。

可产生衰变的放射性元素很多，但只有满足以下3个条件的元素才能作为地球的热源：①必须具有足够的丰度；②放射性热效率较高；③半衰期和地球年龄相当。目前所知，具备上述3个条件的放射性元素只有U（铀）、Th（钍）、K（钾）3种，它们的半衰期见表1-1，在地球各层的平均含量和生成热见表1-2（《能源百科全书》编辑委员会，1997）。

根据放射性元素放热热源的分布，地球不同深度的热源所占的比例估计如下：

0～100km　　占50%

100～200km　　占25%

200～300km　　占15%

300～400km　　占8%

400km以上　　占2%

这些放射性物质在地球演化和分异过程中集中于上部，又以地壳上部酸性岩浆岩（如花岗岩）的生热率最多，达3.422512×10-5J/（g·a）。1g花岗岩中含的K、U、Th每秒可产生10.88×10-3J/g的热量。其他如236U、146Sm、244Pu、247Cm等半衰期短的放射性元素，在地球形成后的107～108年间曾对地球加热。

1.1.2　地热资源

赋存于地球内部的热能，是一种巨大的自然能源，它通过火山爆发、温泉、间隙喷泉及岩石的热传导等形式不断地向地表传送和散失热量。火山爆发时喷出的熔岩浆，或是从地下喷出或涌出的热水和蒸汽，都是巨大的载热体，它们不断地将地球内部的热能带到地表，在地表或近地表处形成强烈的地热显示和具有经济开发价值的地热田，为人类提供廉价的洁净能源。凡是在某一未来时间内能被经济而合理地取出来的那部分地下热能，我们称之为地热资源。可见地热资源只是地热能中很小的一部分。

地热资源按其形成的4个要素（热储层、热储体盖层、热流体通道和热源）可划分为3种基本类型：①近期岩浆活动型；②断裂（裂隙）型；③沉降盆地型。

地热资源若按其在地下储存的形式可分为5种类型：①蒸汽为主型地热资源——以蒸汽形式赋存于地下热储中的地热资源；②水为主型地热资源——以热水的形式赋存于地下热储中的地热资源；③地压地热资源——埋藏在沉积盆地可渗透的沉积岩中，流体压力明显超过正常静水压力的异常高压层中的地热资源，它不但具有高压（机械能）、高温（热能），水中还溶有饱和的可回收的碳氢化合物（天然气甲烷）；④干热岩型地热资源——干热岩泛指地下不存在热水或蒸汽的热岩体，干热岩地热资源则专指埋藏较浅、温度较高且有较大开发经济价值的热岩体中赋存的地热资源；⑤熔岩（岩浆）型地热资源——指蕴藏在熔融状态和半熔状态岩浆中的巨大能量。

根据资源的研究程度，地热资源又可分为远景地热资源、推测地热资源及已查明地热资源。

远景地热资源系指在小比例尺（相当于1∶1000000或1∶500000）区域调查的基础上，根据某些地热现象，如温泉、浅层地温等物探资料，并基于一般的地热地质条件和理论，推测其存在的地热资源，它可作为进行中比例尺调查和制定规划的依据。

推测地热资源系指在中比例尺（相当于1∶200000或1∶100000）区域调查的基础上，相应开展了地热地质、地热地球化学和地温调查，重力、磁、电或地震等物探以及钻探工作后得出的地热资源，它可作为规划大比例尺地热调查、地热普查计划编制及初步勘探设计的依据。

已查明地热资源又称已确认地热资源，系指在大比例尺（相当于1∶50000等）调查的基础上，相应开展了地热地质、地热地球化学、地温调查，重力、磁、电或地震等物探工作，经钻探验证，地质构造和热储边界清楚，同时经过长时间单井、多井抽水试验或放喷试验以后，能够计算出的地热资源，它是开采设计的依据。

地热资源按温度可分为高温（t≥150℃）、中温（90℃≤t＜150℃）和低温（t＜90℃）三类。温度均指主要热储代表性温度。

1.1.3　地热区、地热田与热储

在现时条件下，在技术经济上有开发利用价值的地热相对富集区，即地温梯度大于正常值的地区，一般称为地热区。这里没有提到热储的渗透性。只有具备良好渗透性热储的地热区，才成为地热田。地热田的概念及其面积圈定，在不同地区，对不同的利用方式，有很大的差别。如世界上一些用来发电的高温地热田，是以热储温度高于150℃来圈定地热田面积的；如果今后发电技术有所突破或高温资源不能满足需要而使开发150℃以下的资源成为必要时，热田面积就可以相应扩大。目前中国的一些中低温地热田，热水的利用温度很低，因此，有时将热储温度在40℃以上的地区也称为地热田。

热储系指地热流体相对富集，具有一定渗透性并含载热流体的岩层或岩体破碎带。热储分为孔隙热储和裂隙热储。砂层、砂卵砾石层、胶结较差的砂岩、砾岩和部分碳酸岩等属孔隙热储。火成岩、变质岩、部分碳酸盐岩和致密砂岩、砾岩属裂隙热储。它们以储存热流体的形式而加以区别，如两者并存时，则按孔隙热储考虑。

热储周围常是较凉的渗透性岩石，它们与热储具有水力联系，因此，天然状态下，水可在热储和围岩之间流动，形成一个大的地热系统。热储仅是这一大地热系统的一部分。

1.1.4　大地热流

大地热流是指从地球内部经岩石的热传导作用源源不断地流出地表的热量。一般用它表示地球内部热能向地球表面散失的状况。大地热流值（或热流量）指单位时间内通过地球表面单位面积散失的热流量。热流单位通常用HFU（heat flow unit）表示，1HFU=4.18×10-6J/（cm2·s）[约为1μcal/（cm2·s）]。全球热流值变化范围为0.6～3.0HFU，平均为1.47HFU[约为0.06J/（m2·s）]。

大地热流量q的数值的计算公式为

　　（1-1）

式中　k——岩石导热率；

——地温梯度。

大地热流量是一个矢量，在各向同性的均匀介质内部的任何一个点，热流的方向总是垂直于温度恒定的某一个等温面。

大地热流测量是了解地壳、上地幔内部的热状态和热过程的基本途径，也是寻找有无地热异常区的重要手段之一。如大洋中脊热流平均值为1.9，高于海沟（约1.16）和海盆（1.27）。现代地壳运动剧烈的部分，其热流变化也大，反之则小。大地热流值变化大于0.5的地方，正好与板块边界相吻合；陆上愈是古老的地区，热流值愈低；构造性愈大的地区，热流值愈高。

大地热流值因不受各类岩石导热率的影响，较之地温梯度值（地热增温率）更能全面地反映地区的热状况。因此，通过热流测量不仅可以了解深部地质构造、地球物理条件及深部地层的地质特征，而且能够有效地圈定地热异常区，为地下热能勘探开发提供依据。

1.1.5　地热异常

凡地热增温率超过某一正常值的地区，或是地表热流量显著地高于地球热流平均值的地区，统称为地热异常区。它是地壳深部热流上移对地表作用所形成的异常现象。例如，某一地区的正常地热增温率在2～3℃/100m范围内，那么，我们就可以规定，凡增温率超过3.5℃/100m的地区均为地热异常区。若以热流值作为标准，正常的热流值变化范围在0～3μcal/（cm2·s），其平均值=1.5μcal/（cm2·s）。当热流值平均达到102μcal/（cm2·s），甚至达到105μcal/（cm2·s）时，则可称为地热异常。寻找地热异常区对开发利用地热十分重要，因为在这种地区凿地热井，同样的深度（同样的投资）可以获得较高的热流体温度。所以，地热异常是圈定和评价地热田极为重要的因素。地热异常是由于火山活动、岩浆作用、地震及其他地壳被破坏的构造所引起的。地热异常表现的形式可划分为：物理异常、化学异常、地温异常、热流值异常、地震异常、岩浆及火山活动异常等。这些异常往往在同一空间出现。

（1）物理异常

自由空间物理异常与热流密度有关。后面将要介绍的许多物理勘探方法，就是通过某些与热流密度有关的物理量的异常来发现和圈定地热异常区。如高热流值一般位于重力高异常区，低热流值位于重力低异常区；利用航磁资料计算的居里等温面，反映磁性岩石达到居里点温度与岩石的界面关系，界面上隆距地表愈近，对热田的形成愈有利；地下热水与电阻率关系密切，因为温度升高引起溶液黏滞性减小，离子活动增加，离子的迁移率增大，致使电阻率降低，因此，通过电阻率变化也可显示地热异常；岩石孔隙率对弹性波传播的速度不同，人工地震反射波P波的速度变化，可用以探测构造破碎带、储水层及岩体位置。同时，许多高温热田，具有较大的地噪声和微震反应，可借以获得地下热水循环深部信息，了解断层活动与热水的流动关系。总之，物理异常主要是探明构造活动与地热的关系，探索热储层的深度、规模及产状。

（2）化学异常

化学异常是以地热田的微量元素作为指标，以其含量的多少来判断地热田性质及圈定地热田规模。如高温地热田中，Hg、As、Sb、Bi、Li、Rb等含量会出现异常；而中低温地热田，土壤中的Hg、As、Sb、Bi、B、Be、Li、Rb、Cs、W、Sn、Pb、Zn、Mn、Ni、Co等微量元素也会出现异常。此外，放射性元素Rn、Th、U及其同位素，也是反映地热异常的重要标志。

（3）地温异常

地温异常是探寻地热田的直接标志。因此，在地热田普查阶段，首先要进行地温测量，以圈定地热异常范围及分布特点等。热流值是作为区域地热评价的要素，热流值高的地区往往是高温地热异常区。

地震常出现在活动构造带，它也是地热流体向上运移的有利地带，所以地热异常带常常与地震活动带相吻合，而岩浆及火山活动则是直接探寻高温地热异常的重要线索。

1.1.6　奇特的地热显示

地热在地表有各种奇特的显示，如火山爆发、沸泉、沸喷泉、间歇喷泉、冒气穴、汽泉、喷气孔、沸泥塘、泉华沉积、水热蚀变以及水热爆炸、水热矿化等等。这些奇特的地热显示，有许多形成了难得的自然景观并成为旅游的热点。在这里介绍这些地热显示，不是为了介绍旅游景点，首先是因为它可以作为找热探热的标志。地热显示的存在，也可以预示深部可能存在着热田。研究地热在地表的各种显示，对开发利用地热、发展国民经济和改善人民生活都有重要意义。当然，从地热利用的角度来审视这些千姿百态的地热显示，它又是十分宝贵的旅游资源。许多地热田由于拥有各种奇特的地热显示，加上秀丽的自然景色，会构成一幅十分动人的画面，成为人们理想的疗养和旅游胜地。此外，在地下热水及热卤水中，不仅含有许多有用的元素及化合物可供提取，如碘、硼、锂、铷、铯、氦、重水、各种气体和盐类等，而且有些金属和非金属能从地下热水及热卤水中沉淀出来，形成各种矿物。例如在热田附近常会发现金-银、铁-铜、铅、锌等多金属矿化以及硫磺矿、汞矿、萤石、重晶石、硬石膏等矿化。这些矿化现象，通常都可作为找矿、探矿的重要标志而加以利用。常见的地热显示有下面几种（黄尚瑶等，1986）。

（1）火山爆发

火山爆发是电视、电影或图片中经常能见到的一种地热显示。灼热的岩浆从地下喷发出来，一切都被熊熊的烈火席卷着、燃烧着、毁坏着，呈现出一片可怕的景象。火山爆发现象常常给附近居民造成极大的威胁和危害，造成生命财产的严重损失。但是，火山也会给人类带来巨大的能源。如日本最大的八丁原地热电站就是建造在距阿苏火山30km的地方；冰岛克拉弗拉地热电站就建造在破火山口内等。

火山爆发是一种最强烈的地热显示。近期历史上最强烈的一次火山爆发，于1883年8月27日发生在爪哇岛和苏门答腊岛之间的喀拉喀托火山岛上，释放出来的能量相当于20万个投在广岛的原子弹，一个75km2的海岛全部被炸毁，火山灰上升到27km高空。1815年4月5日到7日发生在印尼巴畦岛坦博腊火山的一次大爆发，是喷出物质最多的一次，喷出的火山物质体积估计达到151.7km3，喷发后火山的海拔约降低了1200m，形成了直径为11km的火山口。

目前已知地球上的活火山有820多个，其中海底火山近70个。世界活火山中大约有80%分布在环太平洋地区，形成世界上著名的“火山环”。其次是大洋中脊，以大西洋中脊最为典型。此外还有地中海地区、埃塞俄比亚-东非裂谷带等。如果把世界火山分布与世界地热分布相比较，可以发现两者之间有许多相似之处，说明火山与地热有密切的关系。目前世界上许多正在开发的高温地热田都处于这些火山带上，如意大利、新西兰、冰岛、美国、日本和菲律宾等国的一些高温地热田都是如此。

（2）温泉

温泉又称热泉或热矿泉，是指不断溢出地表的水温在20℃以上的热水和矿水的水泉。由于气候、纬度和海拔高度的变化各地不一，所以目前各国多以20℃作为温泉的下限。矿化度超过1g/L者为矿水。

（3）沸泉

沸泉又称过热泉，指水在泉口不断沸腾着的水泉，水温达到或超过当地沸点。如我国西藏查孜沸泉海拔5500m，是中国已知海拔最高的沸泉，水温达86℃，高于当地沸点6℃以上。

（4）沸泥塘

沸泥塘是温泉的一种特殊类型，以泥浆的形式存在。这种泥浆由水热蚀变的矿物及沸水组成。由于水热蚀变矿物的成分不同，因而呈现出各种不同的色彩。一般地说，水热蚀变矿物的成分主要是黏土，其中常常夹有明矾石、氧化铁和硫化铁等，使沸泥塘的泥浆具有乳白、黄褐或橙红等颜色。沸泥塘的泥浆因所含水量和水热蚀变矿物质的多少而有稀有稠，沸泥塘直径也由几十厘米到几十米不等。这种泥浆可作医用。图1-2所示为新西兰Rotorua的沸泥塘（Armstead，1978）。

（5）喷泉与间隙喷泉

喷泉又称沸喷泉，是从地下连续不断地将热水或沸水喷射到地表的水泉。如云南腾冲澡塘河的蛤蟆口沸喷泉，水温超过当地沸点。间歇喷泉又称间歇泉，它和其他类型温泉不同之处在于它具有周期性活动的特点，即间歇喷泉是地下的热水和蒸汽间断性地喷射出地表的水泉。间歇喷泉多属高温水热活动，热水的温度一般接近或高于纯水的沸点。这些喷泉区，泉华沉积十分发育，常呈大面积分布，构成奇异的景观。

间歇喷泉是一种奇特而罕见的自然现象，常常坐落在风景秀丽的谷地。它是温泉的一种特殊形式，目前已知世界上有成千上万处温泉，但间歇喷泉为数不超过400处（John S Rinehart，1980）。在间歇喷泉区，还常见有大量的热泉、沸泉、沸泥塘、喷气孔等地表水热活动显示。作者曾两次访问新西兰Rotorua的间隙喷泉，该泉每隔十几分钟就喷发一次，蔚为壮观，周围还有大量如图1-2所示的沸泥塘、热泉、沸泉等，风景秀丽，吸引了各国游客。为保护这一罕见的间歇喷泉，当地政府明令禁止大量抽取地下热水，地热供暖也多采用不抽水只取热的井下换热器供热系统。

间歇喷泉是在特定的大地构造环境中形成的，它的形成必须具备三个条件：储水室、供水通道及热源。储水室应能逐渐聚集起足够喷泉一次喷发的水量；供水通道的作用是将热水不断地从下部补充上来，而热源是最基本的条件，因为只有巨大的源源不断的热量才能驱动整个过程发生对流循环。上述三个条件缺一不可，例如，如果只有通道和热源而没有储水室，那就只能形成普通的温泉或沸泉。

（6）喷气孔

喷气孔的喷气现象常与火山作用和岩浆活动相伴生，与火山喷气活动和火山喷发后期的放气现象有关。这种从炽热岩浆中分离出的大量水蒸气和气体，沿着岩石裂隙和构造通道喷出地表。这种喷出水蒸气和气体的孔隙就称为喷气孔。喷气的成分以水蒸气为主，其次为硫化氢、碳酸气、硼酸以及氨气等。按照喷气成分的不同，喷气孔可分为喷气孔、硫质喷气孔、碳酸喷气孔和硼酸喷气孔等，其水温常在180℃以上。如果水热活动区的地表是由砂土等松散沉积物覆盖时，地面一般无明显的孔洞，此时，水蒸气是沿砂粒间隙冒出地表，形成大面积分布的冒汽地面。世界上许多水热活动区由于分布有大量的喷气孔而成为可供工业提取硼砂、硫磺、碳酸气以及一些金属矿产的产地。值得注意的是，在火山喷气区，常常可以见到有毒的喷气孔，如意大利那波里附近的大洞、美国落基山的孔谷、日本兵库县马的岛地狱以及我国云南腾冲的扯雀塘等，由于这些地方的火山喷气中含有砷、硫化氢、碳酸气及其他有害气体，因此，会造成飞鸟及昆虫等生物的死亡。

（7）水热爆炸

在高温地热区，常见到大大小小的坑穴，有的充水，有的不充水，坑穴的周围，还可见到散落的石块和砂土。这些坑穴就是由水热爆炸产生的。

水热爆炸是比较罕见的地热现象。一般认为，在高温地热区，由于近地表岩体中含有水温高达200～250℃以上的过热水，当这些过热水上升到近地表时，因压力降低而突然大量汽化，容积大大膨胀，并产生强烈的冲击，冲破盖层并使盖层的岩石块及砾石、砂土等连同热水和蒸汽一起抛掷出地表，在地表形成坑穴，有的还形成热水湖和热水塘。这就是水热爆炸。

水热爆炸与间歇喷泉不同，它的活动不具有周期性，一次爆炸消耗的能量要比间隙喷泉喷发所消耗的能量大很多。水热爆炸时是将热水（蒸汽）和盖岩一起抛掷到空中，而间歇喷泉喷发的则是热水和蒸汽。水热爆炸也不同于火山喷发，后者是直接喷出炽热的岩浆和析出火山气体，而水热爆炸没有岩浆参与。

世界上能见到水热爆炸现象的地区并不多，冰岛、美国、新西兰、意大利、日本和中国是可以见到这种现象的少数几个国家。我国西藏羊八井地热田在开发过程中曾出现几次水热爆炸。据佟伟、章铭陶等1981年提供的资料，西藏普兰县水热活动区曾于1975年11月发生过水热爆炸。当时热水（汽）被抛掷到800～900m高空，爆炸后的穴口变成沸腾的热水塘，直径约25m。1975年11月，在羊八井地热田的羊2井南侧25m处突然发生水热爆炸，汽水流夹带着大量泥沙猛烈喷出，喷高近50m，喷出的细泥沙一直飘到钻孔以西300m处，40min以后停喷。此后在钻孔南15m处开始喷水喷汽，2～3天后即形成面积约30m2的沸水水塘，塘中心的沸水和热水呈间歇性喷涌。1977年12月4日下午2时半，羊八井热田的羊1井继羊2井之后，在钻孔位置上发生了一次水热爆炸。水热爆炸发生时，伴随一声巨响，泥砂、石块连同热水、蒸汽一起冲向高空，细泥砂散落在半径为300m的地方，爆炸后形成了直径为10～12m的爆炸坑。这次水热爆炸的诱因是钻孔打通了浅层热储，其内的过热水沿钻孔上涌，压力和相应的沸点也随着降低，导致大量过热水汽化扩容而发生水热爆炸。在羊八井的东北方，有一个面积达7350m2的热水湖，湖水温度平均在50℃左右，湖面上常常升起白色的水蒸气，在雪山的映照下，景色十分秀丽。据说，这个热水湖也是水热爆炸形成的。（章铭陶，1981）

（8）泉华

当地下热流体沿着一定的通道上升至地表或赋存于地下浅部，由于温度和压力条件的变化，它们在地下深循环运移过程中，曾一度溶解矿物质于其中，这时又从流体中沉淀下来，形成色彩和形态各异的沉积，通常称泉华。泉华的种类在高温水热活动区主要为硅华、硫华，低温区有时也常有钙华。中国的藏、滇高温地热带中某些泉区常见到多彩多姿、景观秀丽的泉华。

（9）水热蚀变

当高温热水（汽）沿构造通道上升与围岩中的矿物或元素产生置换，无论是热水或围岩的化学成分或矿物成分都发生相应的变化，如热水失去一些钾，得到一些钙，围岩则发生方解石化、白云石化、绢云母化、高岭石化、沸石化等，这就叫水热蚀变。在高温地热区，到处都可以见到水热蚀变现象。水热蚀变是预测深部是否存在高温热储的重要因素，地质学家十分重视地热区蚀变带的研究。在地热勘探中，应用某些水热蚀变矿物作为寻找地热储体的标志已取得显著成效。

（10）水热矿化

当地下热水（汽）沿构造通道上升到地表时，由于温度、压力等条件的变化，除有泉华沉淀和形成水热蚀变带外，同时还有一些金属或非金属矿物沉淀出来，这就是人们在高温地热区看到的水热矿化现象。例如我国西藏羊八井地热田和滇西腾冲火山温泉区都发现有可供开采的硫磺矿。有些火山岩地区，热泉中所含的金属元素沉淀后可达工业品位。除某些金属矿种外，还有一些非金属矿种，如明矾石、萤石、重晶石、石膏等矿床。许多实例证明，现代热水、热卤水的成矿作用仍在世界一些地方强烈地进行着。因此，可以说，水热矿化现象的发现对进一步研究某些有用矿床的开发是有益的，它将使地热区发挥更大的作用。