探索地球的能量——干熱巖專題

【資料簡介】

一	地球的起源
二	地球的年齡
三	地球的形狀和大小
四	地球的結構
五	地球的能量
六	清潔熱源地熱能
七	潛力的地熱資源—干熱巖型地熱

 

 

卷首語

 

能源是人類社會存在于發展的基礎，人類的任何生產與生存活動都離不開能源。

長期以來，化石燃料對世界經濟的高速發展有著深遠的影響，給人類帶來的繁榮與幸福。但是，直到近我們才開始*認識到為此所付出的代價，人類所面臨的挑戰已經很清晰。我們必須減少或者改變能源的獲取與使用方式。沒有人可以輕視這種挑戰，從現在做起，相信我們可以找到對地球更佳的、可持續的，無污染的能源利用方案。   

 

 

一、地球的起源

 

地球形成于幾十億年以前，初期的痕跡在地面上已很難找到了，以后的歷史面貌也極為殘缺不全。若想從地球面貌往前一步一步地推出它的原始情況，困難極大。

自1543年，波蘭天文學家哥白尼提出了日心說之后，天體演化的討論才開始步入科學范疇，逐漸形成了諸如“星云說”、“遭遇說”、"星子說"、“災變說”、“潮汐說”、“大爆炸宇宙說”等學說。而其中“星云學說”在科學界是被目前人們普遍接受的學說之一，至此，我們可以對形成原始地球的物質和方式給出如下可能的結論：

大約五十億年前，一個由塵埃與氣體形成的星團，在太空中緩慢地旋轉著。由于本身引力的緣故，這些物質漸漸凝聚，愈縮愈小，旋轉速度愈來愈快，中心部分的溫度愈來愈高。在溫度*的核心，形成了一個熾熱的星球——太陽。而在核心的外圍，塵埃和氣體聚集成巖塊和各種石頭，這些巖塊和石頭與太空中剩余的氣體結合，逐漸演變成太陽系中的各顆行星。地球，就是其中之一。

初生的地球，在旋轉以及塵埃和氣體星云凝聚收縮的過程中，內部放射性物質元素（如鈾、釷等）蛻變生熱，使地球溫度不斷升高，形成一個熔融的熱火球。熔融火球經歷了1000萬至2000萬年塵埃吸積，地表不斷增厚，炙熱物質被包裹于地表以內，地表溫度不斷下降，當地表溫度降低至沸點以下時，存在于原始大氣中的水蒸氣開始大量液化，傾盆大雨降落到地球表面低凹之處，形成了江河、湖泊和海洋。大量水的存在使地球表面溫度持續下降至適宜生命的存在，地球初具今天的模樣：地表以下是巨大的熱庫，地表以上是生命的家園。

 

 

二、地球的年齡

 

科學家已測定太陽系中碎屑的年齡都在45億年至47億年之間。19世紀60年代，在月球上發現的巖石經測定吻合了這一時間，而包括地球在內的太陽系成員大都在同一時期形成，因此，科學家推測地球大約已經存在了46億年左右。在加拿大的東北方向冰雪覆蓋的格陵蘭島西部，發現了迄今地球上古老的巖石------阿米佐克片麻巖，距今大約38億年，這也大致驗證了科學家們的研究，更早的巖石證據還有待發現。

按照對地球壽命100歲的推算，現在的它正處于中年。

 

 

三、地球的形狀和大小

 

人類對地球形狀的認識經過了漫長的過程，從開始認為的“天圓地方”，到“球形”，后科學家經過長期的精密測量，發現地球并不是一個規則球體，而是一個兩極部位略扁赤道稍鼓的不規則橢圓球體。

若將地球比作一個“鴨梨”， “梨身”是鼓起的赤道部分；“梨蒂”是放尖的北極點；而凹進的南極點，是它的“梨臍”。

地球赤道的平均半徑為6738公里，極半徑為6357公里，地球北極地區約高出18.9米，南極地區則低24至30米。

地球子午線方向周長約為3.99萬公里，赤道周長約為4萬公里，如果一個人每天走55公里 ,大約要2年才能繞地球一周。

地球的表面積大概有5.1億平方公里，陸地面積占29%，海洋面積占71%，可謂“三分陸地，七分海洋”。

太陽可以輕松裝下100萬個地球。

 

 

四、地球的結構

 

地球分為地球內部圈層和地球外部圈層兩大部分。

 

地球內部圈層結構

 

地球內部存在地殼、地幔和地核三個圈層，好比是一個煮熟的雞蛋，蛋殼相當于地殼，蛋白相當于地幔，蛋黃相當于地核。

地殼是地球的表層，由于地球表面有陸地和海洋，因此，又有大陸地殼和大洋地殼之分。大洋殼的厚度很小，平均僅為6-8公里。大陸地殼一般厚度為33-35公里，厚地區大約為50-70公里。中國青藏高原地區，地殼平均厚度可以達到70公里，是世界上地殼厚度大的地區之一。大陸地殼由三種不同成分的巖石組成，上面是沉積巖層，向下依次是花崗巖層和玄武巖層。地球內部的溫度和壓力隨深度加深而增加，經檢測，地殼巖石的年齡絕大多數小于20多億年，而地球生成到現在大約已有46億年，這說明構成地殼的巖石不是地球的原始殼層，是地殼內部的物質通過火山活動和造山活動形成的。

地幔厚度約2900千米，上地幔主要是橄欖石，下地幔是具有一定塑性的固體物質。上地幔上部存在一個地震波傳播速度減慢的層，一般又稱為軟流層，推測是由于放射性元素量集中，蛻變放熱，使巖石高溫軟化，并局部熔融造成的，很可能是巖漿的發源地。

地核的平均厚度約3400千米，外核是液態的，由鐵、鎳、硅等物質構成的熔融態或近于液態的物質組成，液態外核會緩慢流動，故有人推測地球磁場的形成可能與它有關。內核是固態的，從源自其他行星核心的鐵隕石來推測，主要由鐵、鎳等金屬元素構成。

地核占地球總體積的16%，地幔占83%，與人們關系密切的地殼，僅占地球總體積的1%。

 

地球外部圈層

 

地球還包括大氣圈、水圈和生物圈。這三個圈層之間沒有明顯的界線，它們彼此滲透，相互影響，在太陽和人類生活的參與下，使整個地球生機盎然。

 

 

五、地球的能量

 

地球并不是一個封閉的體系

她每時每刻都在宇宙中運動著

同時也在宇宙中進行著能量與物質的交換

而且能量與物質總是緊密在一起的

伴隨著物質的獲得或喪失

地球系統也同時獲得或喪失了能量    

 

能量的產生

 

地球的內能（熱能、動力能、重力能）

熱能

地球內部是個龐大的熱庫，放射性元素的衰變是地球熱能的主要來源。

 

 

有關新能源報告顯示：地熱能資源總量，相當于資源總消耗量的45萬倍。

地球從地面至地心，隨著深度的增加，溫度也在不斷地提高。據地球物理資料及數據推斷，整個地球的平均溫度約為2000℃，地核的溫度約為6000攝氏度，其炙熱程度可與太陽表面相媲美。

動力能

地球是太陽系的九大行星之一，它除了圍繞太陽進行公轉外，本身還在不停地自轉，地球自轉產生的慣性離心力，能夠給予地球體巨大的能量，這種能量就稱為旋轉能，或叫動力能，有人計算這種能為2.1×1029焦耳，如果換算成電能它相當于發電總量的數億倍。

重力能

地心引力給予地球體本身的能量，是重力能，它可以轉換為熱能或動力能，也叫策略能。

 

不同方面的能量也在互相轉換，如重力能可轉換成熱能，熱能又可轉換成動能等。

 

地球的外能（太陽輻射能、引力、人類活動、其他）

太陽輻射能是地球表面主要的能源，也是地表水和大氣運動的主要動力，它能使地球表面發生風化，剝蝕而改變原來的外貌。

日、月的吸引力對地球產生作用力，這個作用力本身也可轉化為能量。

另外，地球上數以萬計的不停地奔騰流淌的河流，將流域內的大量泥沙，沖向異處；人類大規模開采礦藏，每年有數億立方米的礦物被搬動，這些同樣可改變區域性地殼平衡，并與之相伴產生一定的能量。

 

 

能量的傳遞

 

地熱能傳遞的方式有傳導、對流、輻射。

地幔對流是熱量由地心向地表傳輸的主要途徑。

地球內部高溫熔融的地核，使其周圍的地幔被加熱熔化，產生上升熱流，遇到地殼降溫后，向四周分流，密度增大，又向地幔下部沉降，在地核附近再遇熱上升，如此往復，形成地幔對流。

地幔對流，帶動了其上方的地殼大陸板塊或海洋板塊的上升、下沉與平移，形成山脈、海洋、大陸，形成大洋中脊裂谷和大陸裂谷，同時也是地表熱點的分布、地震和火山活動，以及某些礦物生成的重要因素。

地幔的熱對流就像運動的傳送帶，被認為是地球演化變遷可能的原始驅動力。

 

 

能量的釋放

 

在46億年長河中，運動的地球不斷的蓄積和釋放著能量。

地球釋放能量的形式多樣，其中主要有以下四種：

熱傳導

大地通過巖石向外傳導熱能，是地球熱能釋放的主要渠道，稱為大地熱流。地球每年通過熱傳導從地球表面散失的熱量約為1.399×1021焦耳。

火山噴發

地下的巖漿循著地殼的薄弱帶攀援上升，噴出地表形成火山爆發，使地球內部積聚的熱能得到釋放，之后再形成新的平衡。地球每年通過火山噴發釋放的熱量大約為3.3×1019焦耳。

地震

地震是地殼快速釋放能量過程中造成振動，期間會產生地震波的一種自然現象。據不*統計，地球上每年發生大大小小五百萬次地震，其中能對一個地區造成巨大災難的地震約十來次。地球每年通過地震活動釋放的熱量大約為5×1017焦耳。

溫泉

地球每年通過地熱帶溫泉釋放的熱量估計約為2×1018焦耳。

 

 

六、清潔熱源地熱能

 

地熱資源是一種無污染的清潔能源，隨著石油、煤炭等傳統能源逐漸枯竭，地熱資源將成為未來能源的一個重要組成部分。

目前，上有一百多個國家在開發利用地熱資源，并以每年12%的速度遞增。預計到2100年，地熱利用將在世界能源總值中占30%到80%。

中國屬于地熱資源豐富國家，開發潛力巨大。 

早在1970年，地質部部長李四光先生高瞻遠矚地提出“地下是一個大熱庫，是人類開辟自然能源的一個新來源，就像人類發現煤炭、石油可以燃燒一樣”。

 

 

地熱能的幾種表現型式

水熱型地熱，即地球淺處（地下100～4500m）所見的熱水或水熱蒸氣，例如溫泉、間歇泉。這些地下熱水和蒸汽，其實是大氣降水在地下深處被熱巖體加熱的結果。

干熱巖型地熱，即埋深至地下數千米，內部不存在流體或僅有少量地下流體的高溫巖體。

地壓型地熱，某些大型沉積盆地（或含油氣）深處（3000～6000m）存有大量高溫高壓流體。

熔巖地熱，即儲存在高溫（700～1200℃）熔融巖體中的巨大熱能，例如火山巖漿。

 

 

地熱能的應用

人類利用地熱能歷史久遠，從溫泉沐浴、醫療、取暖、到建造農作物溫室、水產養殖及烘干谷物等。目前，人類開始建立地熱資源的現代概念，著手開發利用。

地熱能發電

地熱發電是地熱利用的工業用途。地熱發電和火力發電的原理相同，都是利用蒸汽的熱能在汽輪機中轉變為機械能，帶動發電機發電。在地熱發電中，大地就是鍋爐，它所用的地熱能源，從大地出來時，就是蒸騰高溫蒸氣，直接可做機械能轉換，帶動發電。

 

 

地熱能供暖

地熱能可直接用于采暖、供熱和供熱水。

 

 

溫室種植和水產養殖

反季節新鮮蔬菜、花卉和鮮活水產品大量進入現代人生活。中低溫地熱資源可以直接用于溫室供暖（包括土壤加溫）和溫水養殖，供暖穩定且產值高。

 

 

溫泉洗浴和醫療

溫泉水自古以來就用于洗浴和醫療，礦水成分有普通熱水所不具備的洗浴功效。地下熱水在地下深部較高溫度、壓力的條件下，能溶解豐富的礦物質，如偏硅酸、偏硼酸、硫化氫、氡、鐳、氟等成分，形成醫療礦水，并在一些地熱區形成礦泥，具有醫療價值。

 

 

七、具潛力的地熱資源——干熱巖型地熱

 

干熱巖是埋藏于地面以下1000米至10000米，內部不存在流體或僅有少量地下流體的高溫巖體。它的溫度在50°C至650°C之間，是一種可用于采暖、發電的清潔可再生熱源。

干熱巖的熱能賦存于各種變質巖或結晶巖類巖體中，較常見的巖石有黑云母片麻巖、花崗巖、花崗閃長巖等。

 

    

 

干熱巖地熱能儲量

范圍儲量：目前保守估計，在3000～10000米深處的地殼中，干熱巖所蘊含的能量相當于所有石油、天然氣和煤炭所蘊藏能量的300倍以上。

我國儲量：中國地質科學院水文地質環境地質研究所國家“863”計劃項目“干熱巖地熱地質資源評價與開發技術研究”對我國陸區干熱巖資源潛力進行了估算，結果顯示，在中國，干熱巖地熱能（3000～10000米）理論資源量相當于860萬億噸標準煤，如開采2%，則相當于2013年中國能源消費總量的5200倍。

 

 

干熱巖地熱能的意義

干熱巖地熱能是無處不在，取之不盡的新能源。

“有深度，就有熱度。”可以說，站在地球的每一個角落，腳下幾千米深處的巖石，都是熱源。

與傳統化石能源相比，干熱巖地熱能是一種清潔可再生能源。

干熱巖清潔無污染，是友好型、親環境的可再生能源。石油、煤炭燃燒的排放物會造成霧霾、促進酸雨的形成，增加大氣二氧化碳的濃度，排放物中的汞還會污染水源。和火電、水電相比，干熱巖發電幾乎是*，開發安全，持續性好。

與其他清潔能源相比，干熱巖能夠實現穩定、可靠且安全的能源供應。

風能不穩定；太陽能占地面積大，受夜晚及季節的局限；水能受季節影響，還可能造成流域生態破壞；核電雖清潔，但其危害程度重、范圍大，有安全隱患，2011年日本地震造成的核泄露事故，至今令世界心有余悸。

 

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