粵港澳的地熱風口

○ 文／謝和平

2月18日，《粵港澳大灣區發展規劃綱要》公布，提出深化內地與港澳的合作，至2035年將粵港澳大灣區全面建成宜居宜業宜游的國際一流灣區。能源尤其是綠色能源，無疑是實現這一目標不可或缺的支撐。

粵港澳大灣區地熱資源儲量大、分布廣，發展前景廣闊，市場潛力巨大。積極開發利用地熱能，對緩解粵港澳大灣區能源資源壓力、實現非化石能源目標、推進能源生產和消費革命、促進生態文明建設具有重要的現實意義和長遠的戰略意義。

地質條件特殊

粵港澳大灣區地處歐亞板塊、太平洋板塊和菲律賓板塊的交匯部位。在板塊運動過程中，長期受到大洋板塊的俯沖作用，導致冷的大洋巖石圈板塊下沉，熱的地幔物質上升，從而使東南沿海地區上地幔具有類似于大洋巖石圈地幔的高熱狀態，形成華南“熱—構造區”，為東南沿海地熱帶的形成提供了穩定的熱源。已有布格重力異常資料表明，粵港澳大灣區附近基底抬升過程十分顯著，沉積蓋層由北向南逐漸變薄。

粵港澳大灣區中新代以來以隆起為主的構造活動頻繁，形成了一系列規模宏大的深、大斷裂。有三組主要構造線，以東北走向的斷裂帶最為發育，恩平—新豐斷裂帶深切地殼20 千米。三組構造線在粵港澳大灣區中部切割交匯，為地表水的深循環和深部熱地幔物質上涌提供了優勢通道，為地熱異常區的形成創造了條件。

研究區內地層發育類型繁雜。廣泛出露有中—晚元古代、震旦紀、白堊紀和第四紀地層，最為顯著的特征是花崗巖廣布。燕山期巖漿侵入活動尤其劇烈，與太平洋板塊同期俯沖相耦合，因此花崗巖由老到新呈東北方向向沿海遷移。花崗巖來源于大陸地殼，更加容易富集放射性元素（U、Th、40K）。這些元素具有一定豐度，半衰期長，產熱量高。巖石的放射性生熱，也是大地熱流的重要來源。在各期次巖體生熱率中，燕山期生熱率最高，峰值區為3.65～4.53μw/m3，為高產熱花崗巖，具有顯著干熱巖意義。同時，花崗巖作為一種脆性物質，在新構造運動中容易發育裂隙破碎帶成為地表熱泉的出露通道。花崗巖在廣州、深圳、江門的出露面積占城市面積40%以上，是重要的地層類型。

獲取粵港澳大灣區附近15 組地熱參數測井數據，利用軟件ArcGIS10.2中Kriging 插值方法生成大灣區大地熱流分布圖，大地熱流值高低懸殊，介于63.5～83.04Mw/m2，平均值為73.89Mw/m2，高于中國南方大地熱流平均值64.2Mw/m2，為明顯的地熱異常區域。在大灣區內部，以東西向深大斷裂為界，北緣（肇慶、廣州北部）為低熱流區，熱流值僅在63.5～70Mw/m2間；南部區域存在一個以深圳、香港、珠海、澳門為中心的高熱流區，熱流值在80Mw/m2以上，為潛在高熱能地帶。

通過相同方法獲取的粵港澳大灣區地溫梯度分布圖可知，受大地熱流背景控制，由北向南地溫梯度逐漸升高，介于2.68℃～3.17℃/100m 間，平均值為2.84℃/100m，而中國南方平均值為2.41℃/100m。總體而言，粵港澳大灣區為地層增溫較快的區域。尤其是在江門地區，存在一個地溫快速增高區，地溫梯度在2.9℃/100m 以上。造成這種差異的原因估計與地下熱水的強烈活動有關，僅江門地區出露的熱泉就有7 處，說明裂隙高度發育，垂直滲透性好，地下熱水上涌快而熱量消耗小，對經過巖層增溫顯著。

綜上所述，粵港澳大灣區為大地熱流高值區，具有明顯的地熱異常現象。大灣區內部以東西向深切斷裂為界，南部地區地熱價值比北部高，且在燕山期花崗巖集中分布區形成高值中心。

開發利用空間大

《地熱能開發利用“十三五”規劃》指出，到2020 年地熱供暖制冷面積累計達到16 億平方米，地熱發電裝機容量約達到530 兆瓦。要實現這一目標，需要各地以地熱田為基本單元，統一勘查開發，提高開發利用程度。

粵港澳大灣區地熱資源充沛，溫泉眾多，可開發利用潛力巨大。僅廣東省就是分布密度僅次于西藏和云南的全國第三大地熱資源大省。目前，已發現的天然地熱點數量約占全國1/10。廣東省地質局地熱資源評價結果顯示，廣東地熱水可開采量達每年15 億噸左右，其熱能相當于460 萬噸標準煤燃燒所產生的熱量。干熱巖型地熱資源儲量更豐富。

初步評價結果顯示，水熱型地熱資源總量為1.83×1017千焦，折合標準煤62.4 億噸，2～5 千米深度內干熱巖地熱資源總量為4×1017千焦，折合標準煤135.6 億噸，干熱巖資源潛力十分巨大。5 千米深度內，地熱資源總量共計5.83×1017千焦，折合標準煤198 億噸，最終能夠為經濟發展提供的能源總量折合標準煤為59.4 億噸。在大灣區未來經濟發展中，地熱能可以促進清潔能源使用的比例大幅度提高，能源利用結構進一步優化。假設這些清潔綠色能源全部被利用，可以減排40.39 億噸的CO2，生態效益顯著。

粵港澳大灣區地熱資源主要集中在佛山、中山和江門接壤地區、深圳東北部和香港東部，單位面積上地熱資源為35.4 萬噸標煤/平方千米，地熱高值區能夠達到51.9 萬噸標煤/平方千米，建議為地熱勘查與開采的重點區域。

國家已經明確將廣東佛山市三水區列為整體推進淺層地熱能供暖（制冷）項目建設的重點地區，而將廣東省列為中低溫地熱發電項目建設的重點省區。在珠海、中山規劃建設集約化地熱能開發與綜合利用示范基地的建議已提上日程。在政策支持下，有望進一步推動地熱發電技術研發，促進地熱能梯級開發，推動淺層地熱能利用。惠州地區干熱巖勘查研究也有望開展，從而促進大灣區清潔能源產業發展。

多領域存在挑戰

眾所周知，地下地質條件復雜，地下資源探測難度大，鉆探風險大，從勘探到開發周期長，首期勘探投資費用高。而政府支持力度不足，熱電轉化方式相對單一，中低溫地熱開發難度高的現實問題，讓地熱能勘探開發項目集資困難。可以說，地熱勘探、開發、利用等領域都存在巨大挑戰，亟待突破。粵港澳大灣區地熱開發也不例外。

首先，干熱巖型地熱開發基礎理論研究不足。由于干熱巖資源的地質賦存環境復雜，干熱巖地熱儲層的水力壓裂致裂改造難度大、復雜程度高。現有的干熱巖地熱開采廣泛采用的水力壓裂理論及技術體系，難以滿足我國干熱巖資源開發的需要。

例如，水力壓裂是個復雜的力學問題，核心理論基礎是斷裂力學。由于復雜的巖體結構與地應力特征，儲層巖體壓裂裂縫擴展實際上是一種復合型破斷過程。因為沒有三維斷裂力學理論，目前多采用簡化的壓裂理論模型來近似分析模擬：把裂縫簡化為二維平面裂縫，巖體對象要么是二維平面要么是三維立體。現有給出的水力壓裂裂隙網絡都是假想的描述，而實際的干熱巖等儲層壓裂破壞過程是三維的、大尺度、多裂隙、高強度的破壞和能量釋放的過程。顯然，現有的壓裂理論和模型無法真實反映水力壓裂的破裂過程。

發展適合我國東南沿海地區干熱巖地熱資源開發的自主創新理論及技術體系，對于完善我國東南沿海地區能源結構具有重要的戰略意義。

其次，現有技術無法實現干熱巖地熱資源的高效開發利用。必須發展深部巖體力學新理論，形成干熱巖地熱能開采變革性技術。針對目前地熱能利用整體規劃水平低的問題，提升地熱能勘查技術，為地方政府制定低碳能源可持續發展政策、進行城市規劃提供支撐，最終實現地熱能的合理、高效開發利用和能源存儲。

再次，中低溫地熱能熱伏發電理論及技術有待突破。熱伏發電將徹底改變傳統地熱能的開發模式，提高地熱能開采效率，降低地熱能發電成本。為地熱能熱伏發電的商業化開采提供理論保障，掃除技術屏障，需要全面探索研發高溫特別是中低溫地熱能開采的溫差發電理論與技術。

多項工作有進展

學界和企業界等在地熱能勘探、監測、評估以及開發利用方面開展了多項工作，取得了一些進展。

筆者和所在的深圳大學深地科學與綠色能源研究院重點攻克地熱能高效開發領域的基礎理論研究，攻克熱伏材料制備、熱伏發電機設計的關鍵技術難題，建立干熱巖體破裂理論，改善現有地熱能勘探、開采技術，解決地熱能開發利用的理論、技術、應用難題，在深圳建成了國際領先的地熱能利用科學及應用技術示范基地，減少深圳對化石能源的依賴，優化能源結構。

例如，在干熱巖型地熱開發基礎理論方面，我們在2014 年12 月10 日舉行的香山科學會議上首次提出了三維體破裂的概念、理論與技術構想。

三維體破裂指三維巖體在載荷作用下，內部孔隙、層理裂隙、人工裂隙互相作用和貫通。形成新的三維裂隙網絡系統這一破壞力學過程，是巖體大尺度、多裂隙、高強度的破壞和能量釋放的過程。針對壓裂主裂縫三維空間內扭曲擴展的事實，我們提出了最大平均主應力準則，克服了現有理論不能預測裂縫扭轉擴展以及預測強度困難的缺點。

再比如，在干熱巖型地熱開發技術研究方面，常規水力壓裂技術產生縫網難度大，不得不采用大排量、高強度的壓裂方式。目前，國際上有學者認為水力壓裂可能誘發地震。疲勞水力壓裂因其可減少誘發地震、易產生縫網、降低起裂壓力等優勢正逐漸得到重視。然而干熱巖（致密儲層）的疲勞機理和模型尚不清楚，制約了疲勞水力壓裂技術研發。我們的課題組率先探索干熱巖（致密儲層）脆裂和變頻疲勞機理并研發變革性技術，提出了干熱巖開發的氣動脆裂與高頻疲勞破斷新原理及技術。

我們希望借助粵港澳大灣區蓬勃發展之勢，到2020 年初步實現地熱能熱伏發電所需高性能熱電材料宏量制備技術突破，完成干熱巖體破裂理論、干熱巖三維斷層動力學理論框架搭建，初步形成淺層地熱能開采新技術。到2025 年完成地熱能熱伏發電單元的研制，初步完成熱伏發電機設計理論研究，構建地熱能儲層體破裂理論體系，初步形成干熱巖開采新技術，建成地熱能開發利用國家級研究中心。到2030 年建立整套干熱巖開發理論，構建深圳、惠州、梅州等地熱能綜合利用研發基地，打造粵港澳大灣區地熱能梯級利用示范工程，形成成熟的地熱能勘探、開采、利用全套技術，并進行商業化推廣。