地下“热库”

天然“大锅炉”

我们生活在地球上，脚下是“坚如磐石”的大地，可大地之下又是什么呢？

最简单的想法是地下统统是坚硬的岩石，整个地球就是一个大石球。不过也有人猜想地球的内部是空荡荡的，只要挖个洞，人就能钻到地下去——法国儒勒·凡尔纳的科学幻想小说《地心游记》曾引起很多少年朋友的兴趣。

还有的人认为地底下充满着水，水流进一个叫做“归墟”的无底深渊中去。

当然。这些想法都是简单幼稚的，并没有什么科学根据。

地球上每年要发生上百万次大大小小的地震，不过其中只有一二十次是破坏性的。强烈的地震会给人类带来可怕的灾难。

还有火山爆发，这种现象比较少见。地球上现在已知有552座活火山，其中68个在海底，它们一旦发起脾气来，就会把大量熔融赤热的岩浆喷出地面，酿成毁灭性的悲剧。

从地下流出温度超过20摄氏度的泉水——温泉，这是相当普通的事情。世界上许多国家和地区都有不同类型的温泉：有的流出热水；有的喷出热蒸汽；有的喷出的热水、热蒸汽有几米、几十米甚至几百米高。

地震、火山、温泉等自然现象说明了什么呢？它说明地球内部并不是一个平静的世界，而是一个蕴藏着巨量热能的“大热库”。

现代科学告诉我们，地球大体上是个巨大的实心球体，半径大约6370公里。地球的内部构造可以比喻作一个半生不熟的鸡蛋，分成3层：最外层叫“地壳”，相当于鸡蛋的蛋壳，厚度10～50公里；地壳下面的一层叫地幔，相当于蛋清，物质具有固态的特征，约有2900公里厚；地球最里头相当于鸡蛋蛋黄的部分叫“地核”，地核半径3500公里左右，主要成分是铁、镍一类的金属。

越往地球内部，温度越高，压力越大。比方说，离地面25～50公里深处的温度是200～1000摄氏度，100公里深处的温度是1500摄氏度，2900公里处为2700摄氏度以上，地核中心温度高达6000摄氏度。压力的变化更加惊人，32公里深处的压力为9～108帕，980公里深处的压力为38～109帕，地核中心的压力则达到大约36～1010帕。

不难想象，高温高压的地球内部蕴藏着多么惊人巨大的能量，而地震、火山、温泉等自然现象，不过是地球内部能量的某些“即兴表演”罢了。

1960年5月22日，智利发生一次8.5级的大地震，地面到处出现大裂缝，13万平方公里的土地沉陷了2米，海里涌起八九米高的巨浪，有几千万立方米的泥石流滚进湖里。这次地震释放出来的能量，相当于爆炸10万颗普通原子弹！

1883年，印度尼西亚巽他海峡的克拉卡托火山爆发，使海岛的2/3遭到毁灭，20立方公里的岩石被抛向空中，火山灰上升到27公里高处，散落在77万平方公里的范围内，爆炸声几千公里以外都能听见。

太平洋沿岸阿拉斯加的卡特迈火山区有一个“万烟谷”，方圆24平方公里，分布着几万个喷孔，每秒钟喷出97～645摄氏度的热水和热蒸汽2.3万立方米，1年内从地球内部带出的热量相当于燃烧600万吨标准煤。

历史上，人们早就在采矿和钻探的实践过程中发现，往地下越深，岩石的温度越高。平均来说，大约每深入100米，温度要升高3摄氏度。

当然喽，这里所说的“增温率”是平均数，实际上各地的差别很大。另外，每100米增温3摄氏度是对地球的浅部来说的，到了深部，温度随深度增加而增加的程度——增温率就没有那么高了。

地下的温度为什么这样高？地球经过漫长岁月的变迁，内部怎么还能保持这么多的热量呢？

说法不完全一致。

前面我们不是提到过放射性元素吗？放射性元素会不断地放出射线，放出能量，并在这个过程中衰变成为别的元素。地球内部有很多这样的放射性元素，估计它们每年至少可以产生209.34亿亿焦的热量，由于处在封闭、隔绝的环境里，热量散发不出去，日积月累，就使地球内部成了一个硕大无比的“热库”。

人们把地球内部的热能叫做地热能。

地热能有多少？有很多很多吗？

一点儿也不错。有人估计，如果把地球上的全部煤炭资源所含有的热量算作100，那么石油是3，目前技术上可利用的核燃料是15，而地球内部储存的地热能竟高达170亿！

这就是说，地热能资源大约是地球上煤炭总储量的1.7亿倍，远远超过了地球上所有矿物燃料能量的总和。在地球上所有的各种能源当中，它排行第二，只有太阳能是它的“老大哥”。

还有人通过计算后这样说，如果将整个地球的温度降低1摄氏度，那么所放出的热量按目前的耗电水平来计算，将可以满足全世界4000万年用电的需要！

地球这个庞大无比的“大热库”、“大锅炉”，一方面在不断地产生热量，另一方面又在不断地往外散热。地球每年通过地表向大气空间散发的热量，大约相当于燃烧380亿吨标准煤或者1000亿桶石油！这是一笔多么惊人巨大的能量财富啊！

地热能是一种可以再生的能源，对它的利用又不会带来环境污染的问题，因此，近年来已引起世界各国的注意。从某种意义上说，它就像当初人们发现地下的煤炭、石油一样，可以被看作是人类发现的又一种极重要能源。

“温泉水滑洗凝脂”

唐朝大诗人白居易写的著名长诗《长恨歌》中，讲述了唐明皇和杨贵妃的故事。其中有两句诗：“春寒赐浴华清池，温泉水滑洗凝脂。”华清池是长安（今陕西西安）东郊骊山脚下的温泉池，唐明皇让贵妃在春寒时到这里洗澡，池中的温泉洗着她那凝结着脂肪一样白嫩的皮肤。据说，在唐朝以前，汉武帝、秦始皇等，也都在骊山建过宫殿和浴池。东汉科学家张衡，在骊山洗浴之后，还写下了优美的诗词《温泉赋》。这样的温泉，在我国许多地方都有。据北魏时期地理学家郦道元写的《水经注》中记载，我国当时的大温泉就有10多处。各地的地方志史料记载的温泉数就更多了。从这些史料中可以看出，我国至少在秦汉之前，就知道利用地热来洗浴了。

当时，除了用温泉来洗浴之外，还用它来治疗疾病。明朝大药物学家李时珍在《本草纲目》里，列举了“温汤”的许多医疗作用，这里说的温汤也就是温泉。我国黑龙江的五大连池是由火山爆发后形成的，在这里就有许多温泉，这里的温泉也有特别奇特的医疗作用。就连这里的污泥也可以治疗皮肤病哩。

我国古代还知道利用温泉来为农业生产服务。唐朝《元和郡县图志》中，记载了湖南郴县人民用温泉来灌溉田地，使农作物可以一年三熟，达到早熟增产的目的。

温泉只是地热的一种表现形式。它是雨水流入地下，被地热加温后，从泉眼中流出的一股温暖的泉水。温泉水由于地质情况不同，含有的矿物质也不同，所以有的温泉水有明显的医疗作用；温泉水在地下加热的程度不同，流出地面后，温度也不同。有的温泉水温较高，可以煮熟鸡蛋。

火山爆发是地热剧烈活动的形式，这种形式释放的能量十分大。比如1960年5月22日在智利发生的一次火山爆发，释放的能量相当于爆炸了10万颗普通大小的原子弹。美国阿拉斯加卡特迈火山区一年喷出地面的热量竟有40万亿千卡之多。

据估计，全球每年从地底下的“大火炉”里，传到地球表面上的热量，相当于燃烧1000亿桶石油放出来的热量。这是一个多么惊人的大热源啊！不过，我们目前还难以直接利用火山爆发产生的热量，可是我们却可以开发地下流出的热水和冒出的蒸气。

地热可以直接用来采暖。位于北大西洋的的岛国冰岛气候十分寒冷，但这个国家地热资源丰富，所以就用地热供暖，这个国家有40%的居民都享用到地热带来的暖气。冰岛首都雷克雅未克从1930年就开始用地热供暖。每天有千万吨温度达87摄氏度的地下热水流入干家万户，仅这一项就可节省65000吨煤。

我国天津市过去烧锅炉用的是地面水，为此每年要消耗700多万吨煤。后来，改用地下热水来烧锅炉，由于地下热水温度可达到33～51摄氏度，所以可以节省80%的煤。

前面我们已经讲到温泉的洗浴，治病和加温土壤的功用。现在运用它来建温室、防治病虫害和保护鱼类越冬等。在工业上，可用它来提取化学药品，还用它来印染、造纸、制革、熬胶、纺织、蒸馏和发酵等。

羊八井的“福气”

在我国西藏的羊八井，有一座独特的发电站，它使用的燃料，既不是煤，也不是石油；它不靠风力、水力，也不靠太阳能工作。它靠什么工作呢？靠地热。这座当今中国最大的地热发电站，可发出1.3万千瓦的电力。这真是西藏高原的福气。因为在羊八井，有丰富的地热资源，从这里地下冒出的热气，推动着涡轮机，带动发电机发电，这地下热气真是名副其实的“福气”啊。

用地热发电，不用烧煤，也不用使用其他燃料，所以十分方便，而且干净。一般地热丰富的地区，地热会以多种形式表现出来，只要加以有效的利用，就可以用来发电。

地热常常以干蒸汽、湿蒸汽和热水三种形式出现。对于干蒸汽来说，使用它发电特别方便，把这种蒸汽直接引入涡轮机，就可以推动发电机。这种发电方式，和烧煤的火力发电相似。可惜的是，冒干蒸汽的机会比较少，它只有冒热水和热蒸汽机会的二十分之一，所以干蒸汽发电站较少。

湿蒸汽中除含有蒸汽外，还含有热水。因此，用它发电时，在进入涡轮机之前，要先通过扩容分离器或热交换器把蒸汽和热水分开。这样，蒸汽可以直接用来推动涡轮，而热水则可以作别的用途。

如果冒出的是热水，用它发电，就得想办法变成蒸汽，再进入涡轮机。方法有多种。其中一种是将热水减压，这样它就会马上沸腾变成蒸汽。为此，必须先将热水送到一个减压扩容器里。另一种方法是借助于别的低沸点物质，如氯乙烷、正丁烷和氟利昂等。这些物质沸点很低，稍稍加温就可以蒸发而变成蒸汽。因此，先将地热产生的热水去加温这些物质，这些物质产生的蒸汽就可以推动涡轮机。

地热发电使用的“燃料”是不花钱的，所以各国都在加以研究。但是，地热发电也有一定的困难。比如，不是每一个地方都有地热资源，另外地下冒出的热气、热水并不干净，它要经过净化，即使这样，还会对各种设备产生腐蚀。这样也就限制了地热发电站的发展。

世界上最早建起地热发电站的国家是意大利，时间是1904年。后来，美国、新西兰、日本、澳大利亚和墨西哥等国也相继建立了地热发电站。其中以美国的地热站发电功率最大，最大单机容量达11万千瓦。而日本则准备在本世纪末建成容量为1000万千瓦的地热电站。

我国地热资源丰富，据勘探表明，有14个省、市、自治区的30多个地区的地热资源储量大、面积广，有很大的开发前景。从1970～1979年，我国已建成了7座地热发电站，其中以西藏羊八井的发电站最大。其次还有湖南灰场、河北怀来、江西宜春、广东丰顺地热电站等。其中以湖南灰场地热电站运行最佳。它不仅达到了长期稳定发电，而且发电后的余水还得到了综合利用，可以用来灌溉农田、温室育苗和医疗等。

不容遗忘的“干热岩”

在英国西南部康沃尔郡一个叫鲁斯曼诺斯的地方，科学家和工程师们正在开展一项规模很大的研究工作，目的是把埋藏在地下深处的干热岩中的热能开发出来加以利用。

鲁斯曼诺斯地区从上到下都是花岗岩，计划要在这里钻6000米以上的深井，从地面用水管往地下注水，被加热的水变成225摄氏度的高温蒸汽后返回地面，再送去汽轮发电机发电。据估计，如果将这里的干热岩里储存的热量全部开发出来用于发电，那么所产生的电力将可以满足英国全国20%的电力需要。

干热岩是一种存在于地下深处的炽热的岩石，由于这种热岩层里既没有水又没有蒸汽，所以被叫做干热岩。

干热岩到处都有。地壳中蕴藏着巨大的热能，这些热能大多数都储存在干热岩里面。据计算，一块160立方公里那么大的干热岩，温度从290摄氏度下降到200摄氏度，释放出来的热能就相当于美国1970年全年消耗的能源。真是了不起！

问题是，干热岩里既没有水又没有蒸汽，怎样才能把它里面蕴含的热能开发出来呢？

美国人史密斯最先提出一种开发利用干热岩里的热能来发电的技术设想：采用特制的钻机往岩层深处打两口钻井；到达干热岩以后，再用高压水流——“水力爆破法”使两口钻井之间的岩体产生裂缝，构成通路；然后往一口钻井里注水，水被干热岩加热，生成的热水和蒸汽再用水泵从另一口钻井中抽出来；抽出来的热水和蒸汽，即可用来驱动汽轮发电机发电。

第一次开发干热岩的野外实践开始于1973年，具体钻探地点是美国新墨西哥州的芬顿山，这里的地热增温率是每公里65摄氏度。1975年，他们钻了两口上部垂直，下部弯曲的“J”形并，井深都在3000米左右。从1977年到1978年，花了9个月的时间，才用高压注水的办法把两口井打通，抽出155摄氏度的蒸汽维持了75天，尽管产生热量的功率只有3000千瓦，但是这一次成功的实践仍然是有划时代意义的。

接着美国又进行了多次试验。不久前洛斯阿拉莫斯国立实验室钻了两口近4400米的深井，先把水泵进去12小时后再抽上来时，水温已高达375摄氏度。

专家们认为，在一个地区打上二三十口井，发5万千瓦电，满足这个地区2万人口用电的需要——这样的开发方案是比较合适的。

有这样一个总的估计：开发温度在360摄氏度以上的干热岩，所得地下热水和地热蒸汽可以用来发电；如果干热岩的温度在80～180摄氏度之间，那么所得热能只能为家庭或工厂供暖，可光是这后一部分的能量，就等于现在美国所消耗的热能的4000倍。

继美国之后，德国、法国、英国、瑞典、日本等国都开始进行干热岩的开发研究。

法国在两年时间里打出了6口开发干热岩的深井，其中的一口井深6000米，每小时可获得200摄氏度的高温热水100吨。

日本的火山多，干热岩也多，所以日本对开发干热岩特别积极，据说钻井只需钻到1500～2000米的深度，就能获得200摄氏度的地热。日本不仅参加了美国、德国联合开发干热岩的试验，而且还在本国进行了类似的实践。1988年，他们在山形县打了两口1800米的深井，井底花岗岩体的温度大约是250摄氏度，往一口井里注水，100～180摄氏度的热水和蒸汽就从35米远的另一口井中冒出来。

能从地下湿热岩中取得地热并开发成地热田的地方仅仅是少数。可是干热岩不同，只要钻到足够的深度，就一定能找到它。可以说，除了太阳能，世界上数量最大的能源就是我们脚下的干热岩能。专家们说，1立方公里干热岩所含有的能量，相当于一个产油1亿桶的大油田；全球干热岩所含有的能量，相当于全部煤炭、石油和天然气等化石能源的30倍，可供人类使用成千上万年。因此我们不能忘了干热岩。

不过，从地面到地心约6370公里，而我们为了开发干热岩，最深的钻井深度也只有6000米，不到地球半径的千分之一。如果我们把地球比喻成是一只苹果，那么我们现在做的，充其量也只是在苹果身上刺了几个针孔小眼，连薄薄的一层苹果皮还没有穿透哩！苹果皮下又是什么呢？

笼统一点说，硬的地壳底下是软的地幔：地幔是产生岩浆的地方，而岩浆又是生成岩石的原料。

提到岩浆我们就会想起火山，火山喷发不就是喷出熔融赤热的岩浆吗？岩浆的温度至少也有上千度，比干热岩要高得多，是否也可以开发利用呢？

至少美国、日本、前苏联的科学家这么想了，而且已经着手进行试验研究。

岩浆通常产生在100公里深的地下，不过有时它也会进入地壳，并在某个较浅的地点积存起来；岩浆沿着地壳的裂缝喷出地表就是火山喷发。这就是说，应该到火山口的附近去寻找埋藏比较浅的岩浆，并利用它的热能来发电。

美国从1975年开始对岩浆发电进行理论研究，1984年又做了实证研究。接着，他们在夏威夷岛的一个熔岩湖搞了现场试验。在这些科研工作的基础上，美国决定在加利福尼亚州猛犸湖附近的长谷火山口打一口6096米的深井，正式进行岩浆发电的实践。

事情说起来很简单，为了利用岩浆中的热能，可以钻井到有岩浆的地方，利用岩浆的热把水变成蒸汽，然后让蒸汽去推动发电机发电。但要做起来却会遇到巨大的困难，你想，岩浆被厚厚的岩层覆盖在地下，温度很高，压力很大，正憋足劲儿想往上窜呢！若在它上面钻口井给它找出路，这不如同在火药库旁边玩火一样危险吗？

需要解决的难题很多，科学技术正是在解决难题的过程中得到发展的。

美国已经对本国可利用的岩浆资源进行过估算，大约相当于250亿～2500亿桶石油，比美国全部矿物燃料的蕴藏量还多。

前苏联一些科学家认为，只要在堪察加无名火山上安装发电机进行岩浆发电，它的总功率就可以超过100个伏尔加电站的发电能力。

我国著名地质学家李四光生前说过：“地下热库正在闷得发慌，焦急地盼望着人类及早利用它，让它能沾到一份为人民服务的光荣！”

那么，就让我们大家一起来“唤醒”沉睡在地下的地热资源，使它们有机会来为我们和我们的子孙后代造福吧！