方兴未艾的地球化学

4. 方兴未艾的地球化学

从羊八井热水湖谈起

在号称“世界屋脊”的青藏高原上，在西藏自治区首府拉萨市附近，有一个闻名遐迩的“全国之最”——我国最大的热水湖——羊八井热水湖。

羊八井是汉语“开阔呀”的意思。这里地处念青唐古拉山南麓，海拔4300米左右，南距拉萨市90余千米。早先，这里曾因有座白教大寺（已毁）而出名。现今，则因有我国最大的一个热水湖而闻名全国。羊八井热水湖的面积达7300多平方米，最深处16米，湖水温度终年保持在46~57℃之间，湖中喷出的地热气柱高约数十米。1977年建成的我国大陆上第一个高温地热蒸汽试验电站就在这里，到1990年底，总装机容量已达2.5万千瓦。

除热水湖外，这里方圆14千米的广阔地带内布满了地热资源，偌大一片“地热田”就坐落在念青唐古拉山五六千米高的雪山环抱的盆地中。到处可见露出地表的雾气腾腾的热泉，这些热泉的温度不一，有的50℃，有的高达92℃。比如西沸泉，因超过了当地的沸点（86℃）而终年沸腾不息，被称为“沸水泉”。还有的属于热气泉，光喷热气不冒水。据地质部门勘测，羊八井地热田内地热显示形式繁多，类型齐全。自70年代以来，经过地质普查、化探、物探，先后钻井50余口，是我国业已探明的第一个高温地热田。1993年，羊八井热田勘探有突破性进展，井温高达262.3℃。

羊八井地热田只不过是西藏自治区数量可观的中高温地热资源的一个代表。我国地处最著名的环太平洋地热带和地中海喜马拉雅地热带之间，地热资源比较丰富，已经发现天然露头的温泉区就有2000多处，每处都有很多温泉群和温泉点，温度大多在60℃以上，个别地方高达100~140℃。从1970年起，我国开始较大规模地开发利用地热。1970年广东丰顺利用91℃的地下热水发电成功，到1981年我国已建成各级温度、不同类型的热水型地热试验电站7座，总装机容量8.14×10³千瓦。西藏羊八井则是目前我国发现的最有发展前途的地热田。

从世界范围而言，地热作为一种新能源，已日益受到重视。地热开发有采暖和发电两种。地热采暖根据水和蒸汽的不同温度，在农业、工业和人民生活中有多种多样的应用。冰岛是利用地热的典型国家，已有40％的居民利用地热取暖。冰岛首都在40年代就实现了天然暖气化。

利用地热发电，已有90多年的历史。地下高温热水和蒸汽都可以用来发电。意大利是世界上最早利用地热发电的国家。1904年，在拉德雷罗地区首次实现利用地热蒸汽发电时，装机容量只有约500瓦，只能供5个100瓦的电灯照明，到目前设备容量已达到4.95×10⁵千瓦。美国地热发电规模较大，发展速度很快。1960年在加利福尼亚州建成一座地热发电站，装机容量为1万千瓦，目前已达1.85×10⁶千瓦，居世界第一位。菲律宾地热资源非常丰富，有12座活火山，为了减少石油的消耗量，其政府正在全力推行地热发电工作，装机容量居世界第二位。20世纪50年代之前，世界上利用地热发电的国家为数不多。60年代以后，用现代科学技术开发地热能源的国家逐步增多，如今已有数十个国家。

根据地热产生的形态不同，地热发电可以采用不同的方式。归纳起来，主要有以下几种：①蒸汽法——把地热井喷出的高温蒸汽用管道送往电站，直接推动汽轮发电机组发电；②减压法——将地热井喷出的热水经过减压以产生蒸汽，再用蒸汽驱动汽轮发电机组发电；③热交换法——将地热井喷出的热水或蒸汽送至热交换器，使某种低沸点的工质^[3]蒸发以驱动发电机组发电。

利用地热发电有许多优越性，例如：发电成本低，大约是火力发电的1/2，水力发电的2/3；除一次性投资较大以外，运行费用较低，与水力发电差不多；污染很小，等等。进入80年代之后，许多国家相继进行了各种实验研究工作，将地热能的开发利用推向了一个新阶段。

地球深处的能源——高温岩体

地球是一个巨大的天然储热库，蕴藏着取之不尽的热能。据报道，地球表层10千米厚的一层，总贮藏热量就有10.5×10²⁵焦耳，相当于9950万亿吨标准煤当量。地热的来源，一方面是来自地壳深处的岩浆（在地面下100千米深处，温度大约是1400℃；地核附近的温度达到3000~6000℃）；另一方面来自地球内部放射性物质不断进行衰变放出的热量（这种衰变将永远不会止息）。正当全球能源日趋紧张之际，科学家们已把探索的目光由地表层移向了地球深处。除了开发天然存在的呈高温热水或蒸汽状态的地热之外，还以极大的兴趣开始了对干热岩地热（又称地下高温岩体）的开发研究。

干热岩地热是一种包含在地壳深处岩石中的热能。地壳深处的岩石不含水和蒸汽，本身具有很高的温度，呈干热状态，可以作为热能资源加以利用。据测算，贮存在地球深处岩体中的能量，相当于地球全部石油、煤炭和天然气蕴藏量的30倍，因而可满足人类几万年的能源需求。如美国地壳下6.4千米范围内岩体贮藏的热量，相当于3000万亿桶原油，是美国目前全年能源消耗总数的20万倍；日本利用干热岩地热发电，可开发资源为4350万千瓦。为此，美国、日本等国都在竞相开发干热岩地热发电。

干热岩地热能可以通过人工压裂结晶岩石形成热藏^[4]的方法将其开发出来。其基本的方法就是打一对斜井，采用人工压裂的方法，在井对之间形成互相连通的裂缝网络。把其中的一口井作为注入井，从地表注入冷水，在人工形成的互相连通的裂缝网络中循环，成为人工热藏。另一口井作为生产井，把人工热藏中的热能开采出来，就地或输送至异地的供热系统或发电厂。冷却下来的水又可以回注到地下，重新循环，重新利用。美国已于1978年率先进行干热岩地热发电试验。他们运用水压击碎法高技术打的一眼注入水井深度为4389米，用高压注入冷水，使其在地下“人工锅炉”——高温岩体裂缝中加热，再用水泵从生产井口抽出温度为240℃的过热水送至发电厂，用来加热丁烷，变成丁烷蒸汽后推动汽轮发电机组发电。

作为火山之国的日本，对开发贮藏量丰富的干热岩地热十分重视。日本在山形县开展的干热岩地热发电研究，是在间隔55米的地方，挖掘注水井和抽水井各一口，然后以每分钟0.5吨的速度，向注水井注入冷水，目前已抽出180℃的热水和蒸汽。法国开凿了6眼人造热泉，其中1眼井深达6000米，每小时可供应200℃的热水100吨。英国也计划开凿6000米以上的深井，因为岩层越深，岩体温度越高，发电功率越大。德、法、英等国还组成了欧洲干热岩地热工业公司，以加快开发的速度。

从干热岩地热的开发利用来看，完全是一个闭合的回流系统，在这一过程中不排出废水、废物、废气，所以不会造成环境污染。由于目前采用常规的油气钻探方法已经可以钻达地下约10千米的深度，且干热岩地热钻井成本要比油气井成本低，所以，无论从工程上还是从经济上，开发干热岩地热都是可行的。随着钻探技术的不断进步，大规模开发干热岩地热资源指日可待！

异军突起的有机地球化学

地球化学是诞生于20世纪40年代末期的一门新兴学科。它是地球科学的重要分支之一，是化学与地学渗透、杂交而产生的一门边缘学科。借助于50年代及以后高温高压实验技术、同位素理论和方法、热力学新进展，地球科学，特别是地球物理和地质学的新发展，地球化学从早期偏重于地壳化学组成和某些化学作用跨进了对地球及某些天体进行化学组成、化学作用与化学演化等领域全面研究的时期。与此同时，微粒微量快速精确分析测试技术在50年代后的迅猛发展也推动了化学组成的研究向纵深发展，同时还促进了化学作用及化学演化的深入研究。

伴随着人类科学技术前进的步伐，地球化学的研究范围和研究课题不断扩大，不仅对于成矿规律的探讨、矿产资源的寻找与开拓、地学基础理论的研究与应用、人类生活与健康起着越来越大的作用，而且对于当代自然科学的重大基础理论课题——生命起源、天体与地球演化也有着重大意义。时至今日，得到国内外公认的地球化学的分支学科已达20余种。从解决人类面临的能源问题的角度来讲，地球化学也是大有作为、大有前途的。下面对有机地球化学的部分内容略加介绍。

有机地球化学是地球化学领域异军突起的分支学科。过去，大量的地球化学工作是在无机领域中，但近年来有机地球化学以惊人的速度后来居上。这主要是能源事业的需要，在油气价格飞涨、资源紧张的情况下要求迅速寻找和评价新油气田。这样，只注意储油层就不够了，还要注意生油层。一个地区是否存在有利的生油层，这是能否找到新油田的关键课题之一。有机地球化学几乎是剖析生油层的唯一重要手段。近年来在西方和我国陆续建立了一批生油地球化学指标。还应当指出的是，近年来建立了石油演化理论，即石油有其发生、演变和消亡的过程。掌握特定沉积盆地的石油演化全过程、确定石油演化上、下限对评价和勘探油气田是十分必要的。

油气矿床的演化是近十年来国内外十分关注而且取得很大进展的研究课题。目前的倾向性看法是：油气矿床有其发生、发展及消亡的过程，即有其演化历史。生油物质——干酪根，在埋藏到一定深度时，发生热降解作用，生成烃类，即油气的主要组成部分。但随着地层埋藏深度的加大，温度过高，石油受到破坏，形成气和沥青，石油矿床便进入消亡过程。

关于油气矿床的成因，也是国内外学术界讨论十分热烈的课题。从18世纪70年代至今，对这一问题的认识，基本上可归纳为无机成因和有机成因两大学派。在油气无机成因理论出现两个多世纪以来，形成了多种无机成因油气的观点，大致包括宇宙说、碳化说、岩浆说、变质说和核变说等。以宇宙说为例，认为当星云凝集逐步固结演化形成地幔和地壳的过程中，星云或原始大气中甲烷、二氧化碳和氦等气体也被保存于地幔和地壳中。之后，在深大断裂、大洋中脊、火山及地震等作用下，地球深部的无机气运移至浅部，散失在岩石圈、水圈和大气圈之中。近代宇航技术和宇宙化学研究证明此假说是有依据的。

油气成因的有机理论则认为，它们是沉积岩中的有机质经过热降解作用形成的。关于生油母质及其转化成油的机理目前存在三种主要观点：有机体生化作用成油；生物大分子降解成油；干酪根热降解成油。以第三种观点为例，该机理认为干酪根是天然气与液态石油共同的原始母质。干酪根是一种成分和结构极为复杂、分子量很大的不溶性有机质。沉积在浅海盆和内陆湖盆中的生物遗体，在持续沉降、快速埋藏所造成的缺氧还原环境中，经过厌氧细菌的代谢改造作用，有可能演变成干酪根。这种演变一般出现在沉积成岩作用的早期，埋藏深度为数十至数百米。随着埋藏的加深，在温度等因素作用下，干酪根开始裂解生成液态和气态烃类，这就是石油和天然气。

在油气成因的两大学派中，有机说目前占统治地位，但无机说的信奉者也还大有人在。近几十年来，由于核科学、宇航技术和宇宙化学等现代科学技术的突飞猛进，尤其是气体地球化学和同位素地球化学的新进展和高精度新仪器的出现，以及对深层地质和海洋地质的深入研究，也不时为无机成因说提供新的证据。这样就说明，部分油气田或矿物质的多源性也是可以成立的。

在油气田的勘探与开发中，有机地球化学也受到人们的普遍重视，得到了越来越广泛的应用。有机地球化学的理论与技术，为研究认识勘探区油气生成、运移、聚集、保存和散失的全过程、进而指导生产实践提供了有力的“武器”。它为寻找油气藏提供了新方法；为油气勘探开拓了新领域；为认识储层特征开辟了新途径；为天然气藏盖层评价提出了新指标；在油田开发方面的应用中也有了新尝试。在未来的岁月里，有机地球化学的新理论、新技术必将对油气勘探开发乃至整个地质事业起到更大的促进作用。