地下空间的开发利用

肖 明武汉大学水利水电学院

地下资源的开发和利用地下资源的开发和利用

第八章 地下资源的开发和利用

§8 － 1 地热资源量和应用的现状一、地热的类型地热是储存在地球内部的一种清洁绿色能

源地热能系指储存于地球内部的能量，一方

面来源于地球深处的高温熔融体；另一方面源于放射性元素（ U 、 TU 、 40K ）的衰变。

地热能

地热能

地热能发电场 宜兰县清水地热发电场

按其属性地热能可分为 4 种类型： ① 水热型，即地球浅处（地下 100 ～ 4500

m ）所见的热水或水热蒸气； ② 地压地热能，即某些大型沉积盆地（或含油

气）盆地深处（ 3 ～ 6km ）存在着高温高压流体，其中含有大量甲烷气体 ;

③ 干热岩地热能，需要人工注水的办法才能将其热能取出；

④ 岩浆热能，即储存在高温（ 700 ～ 1200℃ ）熔融岩体中的巨大热能，但如何开发利用目前仍处于探索阶段。

在上述 4 类地热资源中，只有第一类水热资源在中国已得到很好的开发利用。

中国地热资源按其属性可分为三种类型①高温（＞ 150℃ ）对流型地热资源，这类资

源主要分布在西藏、腾冲现代火山区及台湾，前二者属地中海地热带中的东延部分，而台湾位居环太平洋地热带中。

② 中温（ 90 ～ 150℃ ）、低温（＜ 90℃ ）对流型地热资源，主要分布在沿海一带如广东、福建、海南等省区；

③ 中低温传导型地热资源，这类资源分布在中新生代大中型沉积盆地如华北、松辽、四川、鄂尔多斯等。这类资源又往往跟油气或其他矿产资源如煤炭等处在同一盆地之中。

上述三类地热资源分布在我国不同地区，并与该地区的地质 - 构造背景密切相关。

二、世界地热的开发利用现状

在人们日益关注全球气候变暖和矿物燃料利用带来的各种环境污染的今天，地热能作为一种清洁、无污染的能源而倍受各国重视。

利用温泉洗浴已有数千年历史，但 20 世纪才应用于供暖和工业。

1904 年意大利首次利用地热发电；1930 年冰岛开始具有规模利用地热进行城市供暖；1970 年众多国家开始利用地热发电；前 10名国家

是：中国、美国、冰岛、日本、匈牙利、土耳其、意大利、法国、新西兰。

三、我国的地热资源与应用现状

我国的地热资源非常丰富，在我国大陆地区地热资源分布丰富的地区有西藏、云南、广东、河北、天津、北京等地。

地热资源分为：对流型地热资源和传导型地热资源。

对流型地热资源以热水方式向外排热，呈零星分布；

传导型地热资源分布范围广，资源潜力大。

我国内地的地热资源情况如表我国内地的地热资源情况如表 11 所示所示

　　据统计，我国已开采的温泉，年放热量为 101 ． 9 PJ ，约折合 3 ． 48Mt标准煤，这些只占我国地热可开采量的一小部分，我国地热资源的利用有待于进一步研究和开发。

§8 － 2 地热的开发和利用

　　目前我国地热资源的利用有两种方式 地热发电和直接利用。一、地热发电20 世纪 70 年代后期我国开始研究地热发

电，由于缺乏经验及其它历史原因，建立的试验性地热电站，大部分由于效率太低而停止运行。

目前我国内地共有 7 座地热电站仍在运行（表 2 ），总装机容量达 27 ． 78 MW 。

地热蒸汽管道

新西兰地热电站

我国已建成的 7 座地热电站的概况

1 、怀来地热电站： 1979 年 4 月发电，实行综合利用，共计向温室提供 75℃ 和 52℃ 的地下热水。2 、温汤地热电站：发电、供热，可为农业温室、疗养院、热带鱼池供热。

3 、熊岳地热发电站：发电，并通过发电后的排水进行综合利用，收到了显着效益。

4 、邓屋地热电站： 1970 年建成的我国的第一座地热电站，当时的装机容量为 86kw 。

羊八井地热电站

二、地热直接利用

中低温地热的直接利用在我国非常广泛，已利用的地热点有 1300 多处，地热采暖面积达 800 多万m2，地热温室、地热养殖和温泉浴疗也有了很大的发展。

地热供暖主要集中在我国的北方城市，其基本形式有 2 种：直接供暖和间接供暖。

1．直接供暖就是以地热水为工质供热；地热水供暖方式的选择主要取决于地热水所含元素成分和温度；2 ．间接供暖是利用地热水加热供热介质，再利

用介质循环供热。间接供暖需要中间换热器，初投资较大；中间热交换增加了热损失，会大大降低供暖的经济性。

因此，一般都采用直接供暖，间接供暖只用在地热水质差而水温较高之处

二、地热直接利用

地热利用—地热温室

龙门温泉 亚洲第一

“绿色奥运”是北京 2008 年奥运会的三大主题之一。

北京计划投资 100 万美元新增地热井 160 多眼，增加地热源热泵空调系统。北京要在奥运村打 10口深层地热井，采暖面积达到 40 万平方米，并提供 2 万人生活用水。

另外，北京正在建设亚洲最大的地热供暖工程――北苑家园，供暖面积 146 万平方米。如今，随着北京奥运工程的顺利进行，地热开发又成为人们的一个新的关注热点。

二、地热直接利用

三、地热的其他利用

地热制冷：利用高温水驱动制冷设备； 地热泵：通过热泵完成采暖、制冷和提

供热水的一种系统设备； 地热温室 地热养殖 地热孵化 地热烘干 地热医疗、旅游

四、地热应用前景

地球内部蕴藏着巨大的热能，这种热能就称为地热。火山是最猛烈的地热显示，温泉是最常见的地热露头。地热一般分为两大类：一类是蕴藏在地下 2000米以内岩层中的热水、热蒸汽，或出露地表成为温泉的“湿地热”；

另一类是储存在地壳深部 3000――5000米的高温岩石（火山岩体或变质岩体所积蓄的炽热能，称作“干地热”。

地热同太阳能、潮汐能、风能等并称为取之不尽，用之不竭的绿色能源。它不受地域限制，也不受外界环境条件所制约。

科学家计算过，只要利用地壳上层一万米内 1 ％的热能就可保障人类相当长时间内的能量需求。

四、地热应用前景

地热利用不仅减少了大量有害物质的排放，而且还能取得明显的经济效益。

国际能源专家普遍认为，新能源和可再生能源是 21 世纪将得到快速发展的能源。

我国地热资源丰富，应该抓住这一机遇，为保护环境，节约能源，加速地热的开发，为我国乃至世界的能源工业及环境保护作出积极贡献。

四、地热应用前景

地壳内部金属矿产聚集的深层动力过程与兴、蒙成矿域找矿探查的战

略意义

§8 － 3 地下矿场资源开发的意义

第二深度空间找矿、勘探理论的提出与时代背景

人类社会的存在和发展基础是物质生产，而人类科学与技术进步、社会与经济发展都必须以矿产资源的消耗为前提。

我国正处于快速工业化和经济腾飞的进程之 中 ，强化第 二 深度空 间 （ 500-2000m ）的找矿勘探，延长老矿山的生产寿命，在深部发现更多的大型，超大型矿床和多金属矿集区乃是摆在我们面前的一大历史重任。

在 20 世纪的百年里，地球已为人类提供了海量的金属矿产资源。毫不夸张地说，没有这些矿产资源的投入，就没有今天的世界文明，离开矿业开发与利用，就谈不上人类社会的发展与科学和技术的进步及飞跃，即使是在当今的信息时代也必然是如此。

在进入 21 世纪以来的科学和经济大潮中，不论是发达国家，还是正在掘起的第三世界国家都在发展或快速发展，而矿产资源的供给已成为各国发展与腾飞的制约。 基于地球内部物质与能量的交换和其深层动力过程，不论在理论上，还是在实践上均迫使我们必须开拓第二深度空间的找矿勘探。

人们必须清楚地认识到；突破已有的找矿勘探和开发的框架与理念，并深入的仔细思考、研究，以资全方位的去揭示地球内部的奥秘，为此本文主要讨论在下四个方面的问题。

1  当今我国金属矿产资源严重紧缺的基本格局与对外依有度正在不断扩大；

2   在多元化共享世界矿产资源的同时，必须立足本土；

3  加速兴、蒙多金属矿产资源深部找矿勘探和战略后备基地的建设；

4 必须强化开展第二深度空间金属矿产资源的找矿、勘探；

5  大型、超大型金属矿床与成矿机制研究和典型成矿带的壳、幔精细结构刻划。

一、当今我国金属矿产资源严重紧缺的基本格局 和对外依存度的不断扩大

1. 1　当今我国金属矿产资源的需求与其基本势态

（ 1 ）紧缺概况 我国自全国解放以后 , 已发现矿产资源

171 种 , 探明 158 种有储量的矿产。根据经济可采储量和其对 2020 年需求的保障程度 , 可将我国 45 种主要矿产资源划分为4 个级次 :

①可以保证供给的有 : 稀土、菱镁矿、彭润土等 8 种矿产 ;

②不足的有 : 天然气、钨、钼、磷、钛等 10种矿产 ;

③短缺的有 : 石油、煤、铀、铁、铝土矿、铅、锌等 21 种矿产 ;

④严重短缺的有 : 铜、铬、钾盐等 6 种矿产 ;

1. 1　当今我国金属矿产资源的需求与其基本势态

（ 2 ）大、中型金属矿山资源枯竭程度与日俱增

在 20 世纪末我国 25 种主要金属矿产产出的 415个大中型矿山中 ,目前已关闭了 38 个 ,占大、中型矿山总数的 9 %;

严重危机的矿山 54 个 ,约占 13 %;中度危机的矿山 35 个 ,约占 8 %;轻度危机的矿山 82 个 ,约占 20 %左右。

1. 1　当今我国金属矿产资源的需求与其基本势态

由以上分析可见 ,金属矿产资源的供、需矛盾日益尖锐 ,为此 ,向深部“进军”已为必然 !

1. 1　当今我国金属矿产资源的需求与其基本势态

1.2 我国金属矿产资源对外依存度正在不断扩大

(1)近年来我国金属矿产资源的需求与对外依存度增长概况

近十年来 ,中国重要金属矿产的国内自主供应能力与消费需求之间的差距逐年扩大。现以 2003 年和 2004 年为例。

a. 2003 年我国铁矿需求量的对外依存度已达到 52 % ,铝对外依存度接近于 40 % ,铜接近于 70 %,钾盐却超过了 80 % 。

2003 年我国消耗矿产资源量已超过50亿吨 ,并成为世界上矿产资源第二大消费国家。

1.2 我国金属矿产资源对外依存度正在不断扩大

b. 2004 年的金属矿产对外依存度为 : 铁矿石进口 2. 08亿吨 ,对外依存 45

%;铜进口 270万吨 ,对外依存度为 80 %;

氧化铝进口 588万吨 ,对外依存 57 %; 铝精矿进口 83万吨 ,对外依存 44 %.

1.2 我国金属矿产资源对外依存度正在不断扩大

(2)2010 年和 2020 年及以后 ,我国对重要的、大宗的矿产资源需求与缺口形势分析和预测 2020 年我国重要矿产资源缺口为 :铁矿石约 40亿吨 ( 成品矿 ) , 相当于我国现

有储量的 2/ 3 ;铜约 6000万吨 ,相当于我国现有铜矿储量的

3 倍多 ;铝约 8000万吨 ,相当于我国现有储量的 2/3 。

1.2 我国金属矿产资源对外依存度正在不断扩大

1.2 我国金属矿产资源对外依存度正在不断扩大

二、在多元化共享世界资源的同时，必须立足本土

2.1安全、可靠、可持续矿产资源供给必须以国内为本

（ 1 ）未来中国将成为金属矿产资源世界第一消费大国已为必然

基于当今世界各国经济发展与资源需求的总基于当今世界各国经济发展与资源需求的总体框架与格局体框架与格局 ;; 在在 20102010 年前后，中国将成为世界年前后，中国将成为世界上重要矿产资源第一消费大国的趋势已不可阻挡。上重要矿产资源第一消费大国的趋势已不可阻挡。

（ 2 ）以国内矿产资源供给为本，挖掘潜力，强化矿产资源后备战略基地的建设。

国内矿产资源是国家处于非常时期或国内矿产资源是国家处于非常时期或特别时期国家安全的基石。在多元化充分利特别时期国家安全的基石。在多元化充分利用国外资源的同时，必须加强和加快国内矿用国外资源的同时，必须加强和加快国内矿产资源的勘查和潜力评价。从而保证国家处产资源的勘查和潜力评价。从而保证国家处于不同时期与状况下的资源安全供给。于不同时期与状况下的资源安全供给。

2.1安全、可靠、可持续矿产资源供给必须以国内为本

2.2 只有立足于本土才能获得更多的可利用矿产资源

我国地处东亚、成矿地质构造条件优越，全球三大构造成矿域；环太平洋构造域、特提斯 - 喜马拉雅构造域和古亚洲洋构造域分别通过我国东部、西部、南部和北部。为此，应迅速加大探矿投入和加强地球物理勘探新技术和新方法的支撑，特别是要强化第二深度空间的找矿、勘探和开发，建立起立足本土的资源、特别是紧缺矿产资源的战备后备基础。

三、加速兴、蒙多金属矿产资源深部找矿勘探和战略后备基地的建设

（ 1 ）成矿地质条件优越，资源前景良好

我国东北地域包括兴、蒙地带和其东部陆缘地带在大地构造，深部壳、幔结构和周边地域的动力学响应，确具有良好的成矿条件，确具良好远景

（ 2 ）大兴安岭地区的两大主要成矿期形成了两大重要成矿系列

第一成矿系。古生代与火山 - 沉积盆地演化有关的海底热液喷流 - 沉积成矿系列（以早二叠纪成矿为主），同时还有与海西期埃达克岩有关的斑岩型矿床；

第二成矿系。中生代与大陆地壳中酸性火山 - 岩浆侵入作用有关的热液成矿系列，包括热液脉型、斑岩型、硅卡岩型、浅成低温热液型矿床。

四、必须强化开展第二深度空间金属矿产资源的找矿勘探

4 .1金属矿产资源形成与聚集的深部成因

（ 1 ）深部物质和能量的交换与成矿

地面浅表处所见内生的金属矿产资源，如大型、超大型矿床和多金属矿集区的形成，均是由于地球内部在地史期间深部物质与能量交换所致，而不是近地表处形成与堆积的。

（ 2 ）形成的深部空间

基于当今找矿、勘探和开发实践的大量资料表明，热液矿床多发育在中、下地壳介质中，与幔源基性 -超基性岩浆有关的成矿系统其形成也较深（可在中、下地壳中），而与花岗岩类有关的成矿系统则多发育在上地壳或距地表 5-15km的深度范围内，与陆内或海底火山 -次火山活动有关的浅表热液矿床也可延伸至地下深度 3km左右。

金属矿产资源的深层动力过程概念示意图

金属矿产资源的深层动力过程概念示意图

斑岩铜金矿和浅成热液金矿套叠成矿模式

为在中生代陆相火山岩区以浅成低温热液型金矿为在中生代陆相火山岩区以浅成低温热液型金矿为线素，寻找深部隐伏斑岩铜矿提供了重要思路为线素，寻找深部隐伏斑岩铜矿提供了重要思路

五、大型、超大型金属矿床、多金属矿集区和典型成矿带的壳、幔精细结

构刻划

5.1 国际上的深部探测计划

（ 1 ）世界各国实施的计划 近年来国际间实施着一系列的深部探测计划，如美

国的 COCORP计划； Earthscop计划；欧洲探测计划 -EUROPE ，欧洲地学断面 -EGT ，和地幔探测计划；德国的 DECOPE 探测计划；法国的 ECORP ，3-D FRANCE计划；意大利的 CORP计划；英国的BIRPS计划，瑞士的 NRPO计划；俄罗斯的乌拉尔造山带反射地震剖面 -URSEIS 、地学断面与超深科学钻网计划；加拿大岩石圈 -LITMOPROBE计划；澳大利亚国家地球动力学计划 -AGCRC 和玻璃地球计划 -Gass-Earth 等。

（ 2 ）玻璃地球计划

最近澳大利亚开展了一项雄心勃勃的计划，即 “ 玻 璃 地 球 计 划 ” （ The Glass Earth ） , 目的是利用当代高新技术集成发展新一代找矿勘探方法），使大陆表层 1000m深度范围内像玻璃一样透明。加拿大也提出类似的想法，拟发起一项玻璃地球计划的项目，致使加拿大地壳表层 3000m 深度范围内透明。

6.2 我国必须提出深部探测计划

我国对地探测，特别是对地球的深部探测远远落后于第一、二世界，导致了整体地球科学与世界发达国家巨大差距，也直接导致矿产资源勘查理论、方法和技术以及对灾害的预警能力的落后。然后，金属矿产资源的需求是我国科学与技术发展，社会与经济飞跃和造福于人类的永续效应。因此必须在理论指导下提出一个可持续发展的规划与计划，以资长期有序的提供资源。

制定全国统一的“水晶”地球计划，即使古老结晶基底以上介质和结构“透明”，为第二深度空间找矿勘探和开发给出潜在的空间图像；壳、幔结构精细刻划，研究、探索深部物质与能量的交换和成矿的深层动力过程；深化认识成山、成盆、成岩、成矿、成灾和成核的机制与动力学响应。

6.2 我国必须提出深部探测计划

七 结语

地球是人类居住的唯一场所，地球资源支撑了人类生命系统达数亿年之后，已经力不从心，地球环境恶化威胁着人类生命的永续和人类繁衍与进化及拓展生存空间。为此改善支撑环境已成为人类必然的选择。探索外空和向深部汲取资源，正在成为人类永续发展的新需求。这就迫使我们必须改变已有的理念，以国家战略需求为本、奋力自主创新。

谢 谢！谢 谢！

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