【专题突破】地理视角看地温梯度、地热资源与地热发电对环境的影响

　　前几天和朋友聊天，谈到地温梯度，忽然有个专家发表了一堆对地温梯度的经验看法。还好听的人都是外行人，觉得还挺有道理。作为一名地质研究人员，本想说几句，但回头想想，那且不是一件挺尴尬的事？于是，也就没说。

　　事后想想，既然遇到了，还是应该科普科普，要不然，这是要误大事的。搞科学研究讲的是事实求实，讲的是严谨。特别是某某百科，在描述地温梯度中，也有欠妥，比如“一般埋深越深越高”，是这样吗?今天本文给你一个详细答案。

　　地温梯度（geothermal gradient）又称“地热梯度”、地热增温率。指地球不受大气温度影响的地层温度随深度增加的增长率。表示地球内部温度不均匀分布程度的参数。一般埋深越深处的温度值越高，以每百米垂直深度上增加的℃数表示。不同地点地温梯度值不同，通常为(1—3)℃/百米，火山活动区较高。

　　在实际工作中，通常用每深100米或1千米的温度增加值来表示地温梯度；在地温异常区，也常用每深10米或1米的温度增加值来表示地热梯度。地壳的近似平均地热梯度是每千米25℃，大于这个数字就叫做地温梯度异常。近地表处的地热梯度则因地而异，其大小与所在地区的大地热流量成正比，与热流所经岩体的热导率成反比。因此，地热梯度的区域性变化可能来源于热流量的变化，也可能来源于近地表岩体的热导率的变化。而在整个地球内部，地温梯度随深度的增加逐渐降低。

　　地温梯度的倒数称地温增温陡度(geothermal degree)，或称地温增温级(geothermal degree)，其物理意义可以理解为温度相差1℃时两个等温面之间的距离。

　　那么，什么是恒温带？中国境内的恒温带深度取20-30m，恒温带的温度取高于年平均气温2-6℃，或考虑地下水的温度或岩溶洞穴中的气温，做为恒温带以下计算地温梯度的依据。地形及气候对恒温带的温度和深度则有直接的影响，其中气温又与纬度有关，一般低纬度带恒温带较浅，温度亦偏高；反之，高纬度带则较深，温度则偏低。气温随地形有垂直分异的特点，所以其影响的深度和温度也有深浅和高低之分。

　　在中国地温研究中发现，各地区地温梯度的变化很大。不同地点地温梯度值不同，从各地研究经验来讲，国内地下地温梯度通常为(1-3)℃/100m，分布具有东部高、西部低；南部高、北部低的总趋势。

　　地温随深度的增加而升高是一普遍规律。但在一些地区由于较深部地下水的强烈活动，形成负的地温梯度，地温不但不随深度增加反而减小，地温是地温梯度的直接表现形式，侧面反映了地温梯度的变化。盆地的地温梯度与深度关系表明，在浅部地温梯度较高，向深部地温梯度变小，也就是说地温梯度随深度逐渐降低是大趋势。那么影响地温梯度大小有哪些因素？

　　可能你还不明白，举个例子，你左右手同样拿一根20厘米的铁丝和木条，分别在明火下烤2分钟，是不是手的感觉不一样，那就是热导率不同的原因，铁丝两端温度差和木条两端温度差肯定不在一个水平线上。还不明白？那你点跟蜡烛，别带手套测试下。

　　地温梯度异常可以用来研究地质构造的特征，同时对研究矿产（金，石油等）的形成与分布也有重要作用。

　　自然界的气温变化取决于太阳的光热，随着地球的公转，当它和太阳距离缩短时，太阳辐射给地球的热能就会增加，使地球变热、变暖。反过来，地球就变凉、变冷。这样就形成了春夏秋冬。而有些奇异的土地却打破了这一自然规律，出现了神奇的现象--冬暖夏凉，这样的地带便叫做地温异常带。

　　辽宁省东部山区桓仁县境内便处于地温异常带。这条地温异常带一头开始于浑江左岸满族镇政府驻地南1.5千米处的船营沟里，另一端结束于浑江右岸宽甸县境内的牛蹄山麓。整个地温异常带长约15千米,面积约10.6万平方米。夏天到来时，地温异常带的地下温度开始逐渐下降。在气温高达30℃的盛夏，这里地下一米深处，温度竟为零下12℃，达到了滴水成冰的程度。

　　入秋后，这里的气温开始逐渐上升。在隆冬降临、朔风凛冽的时候，地温异常带却是热气腾腾。人们在任家山后的山冈可以看到，虽然大地已经封冻，但是种在这里的角瓜却依然是蔓叶壮肥，周围的小草也还是绿色的。任家在这个地方平整了一块地，在上面盖上塑料棚，在棚里种上大葱、大蒜，蒜苗已割了两茬，大葱长得翠绿。经过测定，发现在这个棚里的气温可保持17℃，地温保持15℃。在这小冈上整个冬春始终存不住雪。

　　中国还有一个具有这种特性的地方，是在河南林县石板岩乡西北部的太行山半腰一个海拔1500米叫冰冰背的地方。在这里，阳春三月开始结冰，冰期长达5个月;寒冬腊月，却又热浪滚滚，从乱石下溢出的泉水温暖宜人，小溪两岸奇花异草，鲜艳嫩绿。

　　地热梯度的方向指向温度增加的方向，称正梯度。如果温度向下即随深度的增加反而降低时，称负梯度。热田钻孔穿透热储层后，常出现负梯度。

　　地温梯度的倒数称地温增温陡度(geothermal degree)，或称地温增温级(geothermal degree)，其物理意义可以理解为温度相差1℃时两个等温面之间的距离。

　　地热资源是指贮存在地球内部的可再生热能，一般集中分布在构造板块边缘一带，起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。

　　地热资源是一种十分宝贵的综合性矿产资源，其功能多，用途广，不仅是一种洁净的能源资源，可供发电、采暖等利用，而且还是一种可供提取溴、碘、硼砂、钾盐、铵盐等工业原料的热卤水资源和天然肥水资源，同时还是宝贵的医疗热矿水和饮用矿泉水资源以及生活供水水源。

　　多年实践表明，地热资源的综合开发利用，其社会、经济和环境效益均很显著，在发展国民经济中已显示出越来越重要的作用。我国政府有关机构、地矿与石油、煤炭等部门十分重视地热资源的勘查研究和开发利用，每年调拨大量资金，除发展高温地热资源的发电利用外，同时也发展中低温地热资源的直接利用，即以西部的藏南与滇西、华北及东南沿海一带形成的“三”地区，作为全国地热勘查研究和开发利用的重点地区，并与典型地热田试验性开发利用示范点相结合，取得了重大成果，推动了全国地热资源开发利用的发展。

　　地热资源是一种安全、稳定、可再生的优质清洁能源，具有清洁环保、用途广泛、稳定性好、可循环利用等特点，与风能、太阳能等相比，不受季节、气候、昼夜变化等外界因素干扰，几乎可持续供给，是一种现实并具有竞争力的新能源。

　　目前，利用地热的方法有发电，供热及综合利用。地热发电和传统的火力发电一样，就是利用热能通过机械能的中间转换产生电能。所不同的是，它不用燃料，更不必造大锅炉，所需热能直接来自地热。因此，它既可以解决能源短缺，又具有设备简单，成本低廉，运行稳定，减少污染等优点，所以受到全世界的普遍重视。现在利用地热发电有两种方法：一是“降压扩容”法，二是“中间介质”法。

　　所谓“降压扩容”法，就是根据热水的气化温度与压力有关的原理而设计的一种地热发电方法。如零点三绝对大气压下，水的气化温度是摄氏六十八点七度，这样，就可以降低压力而使热水沸腾变为蒸汽，以推动汽轮发电机转动而发电。一九七零年建成的我国第一座地热电站—一广东丰顺县邓屋地热电站就是按这种方法设计建成的。

　　所谓“中间介质”法，就是利用低沸点的化学液体（如氯乙烷，沸点为摄氏十二点五度）吸取地下热水的热能变成具有一定压力的化学气体，推动汽轮机做功而发电。在上述两种方法中，对于温度较低的地下热水，采用“中间介质”法比较适当。如采用“降压扩容”法，不仅效率低，而且技术上有一定的困难。当地下热水温度较高时，采用“降压扩容”法比软台适。总之应该因地制宜，从实际出发，选用适当的发电方法。

　　地热发电开始于一九O四年，当时意大利在拉德瑞罗火山地区建造了一座利用地下蒸汽的小型发电站。近一、二十年来，世界上已有不少国家建成了地热电站。目前世投入运行的总容量为一百四十五万，最大机组为五万五千余。美国盖赛尔地区的地热电站装机容量达五十万，是世界上最大的一座地热电站。

　　一般摄氏四十至八十度的地下热水在暖气管道中不停地循环，就可以用来取暖和供应热水，还可以通到地热温室种植蔬菜，孵养家禽。地下热水中常常含有多种有用的元素，可以从中提取有实用价值的硼、氮、硫、碘、溴、钾等元素，还可以提取芒硝，氟化钙和锂等多种工业原料，还可以用地下热水来治疗疾病，并为各城添景增色，服务于旅游事业。谭老师地理工作室综合整理

　　我国地热资源十分丰富，从南方到北方，从长白山到天山，从东南沿海到青藏高原都分布着丰富的地热资源，类型也比较齐全，既有大量的中低温热水，也有高温地热蒸汽田。比较明显的地热露头约有两千多处，如粤东地区探到摄氏一百O二度热水，单井出水量每天达三千吨以上，闽南孔深二百多米处有摄氏一百二十度热水，热水出密集成带，是我国有价值的高温地热区，滇西地区有大量的热喷泉，沸泉和汽泉，浅孔温度达摄氏一百四十五度，而的羊八井盆地孔深四百五十米处竟测得温度摄氏一百七十二度，这是我国地热资源最为丰富的地区。

　　在华北盆地地下热水也有很大的潜力，摄氏四十度以上的热水井比比皆是。七十年代后，我国开始对地热进行广泛的研究，先后建成了近十座地热电站，并在北京、天津建立了地热供热系统，较为方便、廉价地给城市居民供热。早在五十年代，我国著名的地质学家李四光说过：“地下的热库，它正在闷得发慌，焦急地盼望着人类及早利用它，让它也能沾到一分为人类服务的光荣。”

　　地热水中含有大量的有毒物质，会对环境产生恶劣的影响。地热回灌是把经过利用的地热流体或其他水源，通过地热回灌井重新注回热储层段的方法。回灌不仅可以很好地解决地热废水问题，还可以改善或回恢复热储的产热能力，保持热储的流体压力，维持地热田的开采条件。但回灌技术要求复杂，且成本高，至今未能大范围推广使用，如果不能有效解决回灌问题，将会影响地热电站的立项和发展。因此，地热回灌是亟待解决的关键问题。

　　地热流体中含有很多化学物质，其中主要的腐蚀介质有溶解氧、H+、CI-、H2S、等，再加上流体的温度、流速、压力等因素的影响，地热流体对各金属表面都会产生不同程度的影响，直接影响设备的使用寿命。地热电站腐蚀严重的部位多集中在负压系统，其次是汽封片、冷油器、阀门等。腐蚀速度最快的是射水泵叶轮、轴套和密封圈。

　　由于地热水资源中矿物质含量比较高，在抽到地面做功的过程中，温度和压力会发生很大的变化，进而影响到各种矿物质的溶解度，结果导致矿物质从水中析出产生沉淀结垢。如在井管内结垢，会影响到地热流体的采量，加大管道内的流动阻力进而增加能耗；如换热表面结垢，则会增加传热阻力；垢层不完整处还会造成垢下腐蚀。

　　2、化学污染。地热水的形成一般为大气降水经过地下深循环，与周围岩石进行化学物质交换，岩石中各种化学组分进入水体，使地热水中含有对环境有益和有害的常量成分撒量成分及放射性成分。

　　3、尾水。目前我国的地热资源大多以单一利用为主，当热能利用后，尾水温度仍很高。这些尾水的排放，促使局部空气和水体温度升高，改变生态平衡，影响环境和生物生长，造成热污染。

　　4、噪声污染。噪声污染一般是由钻探和地热井放喷造成的。在钻探过程中，各种机械噪声对居民去和钻工的身体造成影响。另外地热井放喷时其噪声值可达120dB以上，虽然时间很短，但其尖声也是人耳受到伤害，使野生动物和家禽受到影响。

　　5、地面沉降。几乎任何热储中长期抽出流体都有可能导致可以检测到的地面沉降。地热流体也一样，当地热流体抽出量超过天然补给量时，地面沉降发生，其实际沉降量取决于抽出的流体量和热储岩石的硬度。

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