区域地热特征及深部温度估算对于油气勘探和地热能资源评价和开发利用具有重要意义,长江下游地区是我国东部经济社会高度发达的地区,其能源需求大,区域热状态研究能为该区地热资源评价提供关键约束。通过整合长江下游地区已有的温度数据和实测岩石物性参数,勾勒出该区的现今地温场特征,并进一步估算其1 000~5 000 m埋深处的地层温度。研究表明,长江下游地区现今地温梯度为16~41 ℃/km,且以18~25 ℃/km居多,苏北盆地区呈现高地温梯度。大地热流值为48~80 mW/m²,其均值为60 mW/m²,表现为中等的地热状态,有利于油气和地热能形成。此外,长江下游地区深部地温估算表明,1 000 m埋深处的温度范围为30~54 ℃,2 000 m时温度范围为50~95 ℃,3 000 m时温度范围为65~130 ℃,4 000 m时温度范围为80~170 ℃,5 000 m时温度范围为100~210 ℃。区域深部地温的展布趋势呈NE向,高温区域集中在安徽南部和江苏东北部。结合60 ℃和120 ℃等温线的埋深分布及区域地质、地球化学和地热特征,初步探讨了该区油气与地热资源的有利区带及其相应的开发利用类型。

深层含水层储热是一种利用深度>500 m的深层含水层作为储热介质的储热技术,储热对象通常为50~150 ℃的热水。它通过地下水井从深层含水层中抽取和灌入地下水,实现热能储存和回收。深层含水层储热技术是弥补能源供需时空分布的不平衡,综合利用多种可再生能源,实现节能减排的有效途径,是国内外研究的前沿和热点。文中首先阐述了深层含水层储热系统在世界范围内的历史发展,归纳储热系统的热工性能,在总结前人研究工作的基础上分析影响其热回收效率的关键参数,并对各个参数对热回收效率的敏感性做了综述。在此基础上,本文还讨论了限制深层含水层储热系统发展的技术瓶颈,并针对系统的经济效益和市场潜力做了预测和展望。

本文在对前人地热成因认识归纳检验的基础上,通过演绎推理的方法,从几条基本的物理定律和基本假设组成的第一性原理出发,推理“地球内部热能从深部向浅表传输”的动力学过程,探讨深层地热能热源机制。热源机制问题从物理学的角度看,本质上就是热能从地球内部向近地表传输的问题。可以根据第一性原理,通过演绎法推理其可能的传输过程。深层热能传输的第一性原理由“温度的定义、热胀冷缩原理、阿基米德原理、热力学第二定律以及辐射、传导和对流三种热量传输方式的效率对比”5条基本的概念和定理组成。结合地球已知的圈层结构,通过演绎推理可知,在固态内核偏移驱动下,液态外核开始流动,在局部聚集导致地幔中形成上升的地幔柱;地幔柱在另一个地球圈层界面发生顶托作用,使得界面上凸,并产生烘烤加热作用,被烘烤的上层物质流变性增强发生侧向流动,于是物质垂直运动转换为水平运动。水平流动的热物质聚集到一定程度又会上浮产生垂直运动。如此垂直运动和水平运动不断转换,最终将地球深部地核中的热能传输到了地壳浅层。地球深部热能向浅表传输的过程会导致海底增生扩张、板块运动、盆山耦合等,同时也形成不同级别的控热构造系统。地球尺度的控热构造系统为:地球内核为生热构造,液态外核为储热构造,各级地幔柱和流动的高温物质为导热构造,地表的火山、温泉、地震为释热构造子系统。大陆地壳准固态流变物质的侧向流动是干热岩形成的主控因子,对于干热岩地热能勘查具有重要意义。

中国地热资源禀赋良好,分布广泛且具有明显的规律性和地带性。本文系统总结了国内取得的地热资源勘查开发成果:浅层地热能资源在全国范围内普遍分布,我国336个地级以上城市规划区范围内浅层地热能资源年可开采量折合标准煤7亿吨;水热型地热资源年可开采量折合标准煤19亿吨;干热岩远景资源量折合标准煤856万亿吨。阐明了有代表性的水热型地热资源成因机制和干热岩资源成藏模式。地热开发利用技术发展迅速,浅层地热能和水热型地热资源利用量逐年攀升,但在地热资源成藏模式研究、勘查开发及管理利用等方面仍有亟须突破的技术瓶颈和需要改进的环节。文章分析了存在问题并提出了我国地热发展战略路线,下一步应加强热源机理与控热构造研究,推进地热探测技术和开发利用示范,开展重点地区浅层地热能、水热型地热资源勘查评价,完善干热岩勘查开发技术体系,推动地热产业健康有序发展。