地球系统动力学与取热减灾减排

在综合分析大量地质、地球物理资料的基础上,建立了以热能为驱动力的开放地球系统发生多级物质循环的地球系统动力学新模式,据此可以合理地解释洋陆系统及其相关的盆山体系的动力学机制,阐明地球系统资源灾害环境发展的内在关系。在地球系统动力学创新思想指导下,总结了活动地壳热构造系统的特征,初步研究了华北和西南热灾害链的结构和强震发展趋势,系统地分析了取热减灾减排的重要性、必要性和可行性,在此基础上阐明了系统开发干热岩的思路和方法及其可持续发展的途径。从而为即将到来的新地学革命和能源革命提供了一个新思路。     

地球三级层流隆陷构造系统的关联机理

本文针对板块构造学说不能合理解释的一些重大科学问题,采用系统科学和系统哲学的分析方法,研究开放复杂地球系统及其子系统的时空、物质和能量规律。作者高度综合了超洋陆、洋陆和大陆盆山系统几何学、运动学、流变学和演化史的基本特征,初步阐明了地球内部三个软流层四维非均匀层流及其多级垂平转换形成超洋陆、洋陆和盆山的统一动力学机制,强调热动力引起岩浆活动、固态流变是地球构造活动的主因,揭示了地球各子系统不同热状态下的物质运动规律,提出了南半球现代特提斯、未来超大洋-超大陆格局、西太平洋存在中、新特提斯及其相关古陆、北美西部裂陷成洋、地球三级非均匀层流导致地球磁场动态叠加和磁极移动、地热能取代碳能带动新产业革命等十大科学猜想。上述研究成果为创立全新地学理论奠定了基础,并为人类改善地球生态环境提供了一个新的思路。     

大陆地震构造系统: 以青藏高原及邻区为例

青藏高原及邻区三角形发震构造域是全球大陆最显著的地震多发区.脆性活动断层及其弹性回跳模式无法合理解释该区深度集中分布在10~40 km的点状震源.针对发震构造和地震机理不明确这一重大科学问题, 以大陆动力学和地球系统动力学新思想为指导, 对青藏高原及邻区发震构造系统进行域、层、带、点相关研究, 阐明大陆地震构造系统的结构型式, 认为下地壳固态流变及其韧性剪切带是提供地震能量的孕震构造, 中地壳韧-脆性剪切带是累积地震能量的发震构造, 上地壳脆性断裂是释放地震能量的释震构造.在研究青藏高原及邻区地震构造系统及其形成背景的基础上, 进一步论证了大陆地震热流体撞击的形成机理: 地幔墙导致大洋中脊之下的软流圈热流物质层流到大陆特定部位汇聚加厚并底辟上升, 造成大陆下地壳部分熔融和固态流变, 并改变莫霍面的产状, 固态流变物质侧向非均匀流动, 形成大陆盆山体系, 流动的韧性下地壳与脆性上地壳之间具有韧-脆性剪切滑脱性质的中地壳不断积累由下地壳热能转换而来的应变能, 形成发震层, 震源定位于下地壳热流物质富集带("热河")中的固态-半固态流变物质撞击到强弱层块之间的构造边界, 不同热构造环境和撞击角度产生5种不同类型的地震.从而为大陆地震的科学预测奠定了全新的理论基础.      

超高压榴辉岩流变学研究

大陆岩石圈和大洋岩石圈在成分、厚度和力学强度方面有明显的差别。因此,现有板块构造不完全适合于大陆构造。大陆地壳和上地幔流变学的综合研究是认识大陆构造最佳途径之一。流变学研究是大陆造山带几何学、运动学和动力学的桥梁。大陆岩石圈对构造作用、重力不稳定性和热结构的响应在很大程度上取决于岩石流变强度。岩石圈流变性质是岩石圈分层、构造复杂性和塑性流动的主导控制因素。超高压榴辉岩在地幔对流、壳-幔物质循环和俯冲带动力学起着重要作用。榴辉岩的流变性质和变形机制对于阐明大陆造山带和大陆深俯冲的动力学过程具有十分重要的意义。本文主要内容包括以下4个方面：（1）岩石流变学研究在地球动力学中地位和重要性;（2）回顾池际尚先生对岩石流变学实验的贡献;（3）近几年来超高压榴辉岩流变学研究成果;（4）国外岩石流变学实验研究发展态势和启示。     

干热岩控热构造系统厘定与类型划分

为了研究干热岩成因机理,综合分析了干热岩形成背景、控热构造系统及尺度.地球中的干热岩具有特殊的形成构造背景,控热构造对干热岩热能的传输与聚敛具有很重要的作用,导致岩石圈不同热结构和热异常.控热构造可划分为生热、导热、储热和释热构造.生热构造包括地幔软流圈底辟,具有大量高放射性元素的岩浆房,活动性的深大断裂等;中、下地壳脆韧性转换带,活动的韧性剪切带是导热构造;中、下地壳的低阻高导体,韧性剪切流变层既是导热层,也是储热构造;火山、地震、浅表层次的活动断裂等为释热构造;控热构造的类型受到构造尺度和构造背景的限定.由于地壳中控热构造分布状态及发育特征差异较大,从而导致干热岩等地热能资源在地壳中的埋深、规模、热量以及分布状态等也有较大差异.      

超越板块构造——我国构造地质学要做些什么?

对近十年来全球构造学和构造地质学的重要进展进行了简要评述.30年前建立的全球构造理论改变了人们对地球及其演化的认识.作为固体地球统一理论的板块构造主要涉及刚性板块边界之间的变形、地震活动和火山作用.至今还没有完整理论阐明板块运动的驱动力和地幔对流机制.板块边界和板内变形等许多问题仍然无法回答.大陆岩石圈和大洋岩石圈在成分、厚度和力学强度方面有明显的差别, 因此现有板块构造不完全适合于大陆构造.大陆地壳和地幔流变学的综合研究是认识大陆构造和超越板块构造的最佳途径.流变学是大陆造山带几何学和动力学的桥梁.大陆岩石圈对构造作用、重力作用和热作用的响应在很大程度上取决于其流变强度.岩石圈流变性质是岩石圈分层和塑性流动的主导因素.大量透入性变形和巨型大陆造山带内部构造显示非刚性特征.大陆构造和力学行为主要由地壳强度而不是地幔强度所控制.从大陆岩石圈多层性和力学强度不均匀性表征看, 现在是抛弃传统“三明治”构造模式的时候了.面对地球系统科学和地球动力学新思维发展趋势, 多学科综合研究大陆构造(造山带)和加速高水平构造地质学人才的培养是我国构造地质学发展的最紧迫任务      

试论地球深部地热能传输机理

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。     

花岗岩大地构造研究的若干重要问题

宇宙星球中只有地球发育花岗质岩石及广义的花岗岩,它是大陆最主要的组成。因此,花岗岩在固体地球科学研究中具有举足轻重的意义。对此,作者提出花岗岩大地构造,其基本研究内容可概括为物理特性（构造）、物质组成（岩石地化）和年代学三大方面。文章在已有的初步论述基础上,进一步阐述了以下若干研究方面的进展、问题和发展方向:花岗岩岩石组合及其构造背景与环境厘定;花岗岩演化及其构造环境与演化（构造过程）;花岗岩变形、壳内流变及构造动力学意义;花岗岩深部物源填图与造山带及地壳生长。花岗岩大地构造是从花岗岩角度,探索解决大地构造问题,丰富大地构造研究内容,是当今地球科学学科交叉、融合发展的必要。      

大陆动力学的过去、现在和未来——理论与应用

近十年来大陆岩石圈流变学、板块下的构造和整个地幔运动、现代大陆变形动力学、大陆深俯冲动力学、"中下地壳的隧道流"、复合造山带和复合造山动力学、盆-山耦合与大陆增生、地幔物质和地幔动力学以及全球大陆科学钻探整合计划等大陆动力学研究的重要进展,表明大陆动力学是继"板块构造"之后固体地球科学发展的新的起点,建立大陆动力学新的理论体系以及为资源、能源、环境和预防地震灾害的人类需求服务,是大陆动力学发展的未来.     

中国华南活化区历史-动力学的初步研究

强调了中国大陆活化区动力学研究的理论创新意义和指导找矿、预测的经济价值。指出采用历史-动力学综合分析和注重四维时、空并重研究,对中国大陆活化区动力学历史背景和阶段性发展、演变研究的必要性。文中以中国华南中、新生代活化区为例,从大陆活化构造体制岩石圈的地质-地球物理场背景和动力学边界特点,及其活化解体前“活化前奏”的地质表现,中、新生代大陆活化构造演变的地质、构造表现和运动学-动力学特点及热-构造作用过程的地质-地球物理场特征等方面,指出大陆活化是热-构造对克拉通岩石圈深、浅部进行改造、再造的动力作用过程。各种地质记录和信息均显示,在地幔热能大规模聚集驱动下,热异常软流圈主动上涌的热侵蚀、转换,具有垂向为主兼有二维平向的三维运动学-动力学和时间维的阶段性演变,是大陆活化区动力学及其构造应力场的基本特性。     

地热储层单裂隙岩体渗流传热数值模拟研究

研究地热储层裂隙岩体中的渗流传热过程对干热岩地热资源的开采具有重要的意义。本文以干热岩地热工程为背景,采用COMSOL Multiphysics数值模拟软件对地热储层单裂隙岩体中渗流传热机理进行了研究,并分析了流体注入速度和温度对岩体温度场的影响及其对干热岩地热工程的影响。研究发现流体参数对岩体温度场的影响主要体现在两个方面：一方面是对岩体温度场受扰动区域以及幅度的影响,另一方面是对岩体温度场达到稳态所需要时间的影响。流体注入速度的提升会降低系统的寿命和寿命期的出口法向总热量值,当考虑出口法向总热通量时,存在最佳流体注入速度,本研究中最佳流体注入速度为0.011m/s。流体注入温度的提升会增加系统的寿命和系统的出口法向总热通量和总热量。研究为干热岩自热资源的开发与利用提供了理论依据,为工程运行参数的设计提供了参考依据。     

Overview on hydrothermal and hot dry rock researches in China

Geothermal energy is a precious resource, which is widely distributed, varied, and abundant. China has entered a period of rapid development of geothermal energy since 2010. As shallow geothermal energy promoting, the depth of hydrothermal geothermal exploration is increasing. The quality of Hot Dry Rock (HDR) and related exploratory technologies are better developed and utilized. On the basis of geothermal development, this paper reviews the geothermal progress during the “12th Five-Year Plan”, and summarizes the achievements of hydrothermal geothermal and hot dry rocks from geothermal survey and evaluation aspects. Finally, the authors predict the development trend of the future geothermal research to benefit geothermal and hot dry rock research.     

Major contribution to carbon neutrality by China’s geosciences and geological technologies

In the context of global climate change, geosciences provide an important geological solution to achieve the goal of carbon neutrality, China’s geosciences and geological technologies can play an important role in solving the problem of carbon neutrality. This paper discusses the main problems, opportunities, and challenges that can be solved by the participation of geosciences in carbon neutrality, as well as China’s response to them. The main scientific problems involved and the geological work carried out mainly fall into three categories: (1) Carbon emission reduction technology (natural gas hydrate, geothermal, hot dry rock, nuclear energy, hydropower, wind energy, solar energy, hydrogen energy); (2) carbon sequestration technology (carbon capture and storage, underground space utilization); (3) key minerals needed to support carbon neutralization (raw materials for energy transformation, carbon reduction technology). Therefore, geosciences and geological technologies are needed: First, actively participate in the development of green energy such as natural gas, geothermal energy, hydropower, hot dry rock, and key energy minerals, and develop exploration and exploitation technologies such as geothermal energy and natural gas; the second is to do a good job in geological support for new energy site selection, carry out an in-depth study on geotechnical feasibility and mitigation measures, and form the basis of relevant economic decisions to reduce costs and prevent geological disasters; the third is to develop and coordinate relevant departments of geosciences, organize and carry out strategic research on natural resources, carry out theoretical system research on global climate change and other issues under the guidance of earth system science theory, and coordinate frontier scientific information and advanced technological tools of various disciplines. The goal of carbon neutrality provides new opportunities and challenges for geosciences research. In the future, it is necessary to provide theoretical and technical support from various aspects, enhance the ability of climate adaptation, and support the realization of the goal of carbon peaking and carbon neutrality.     

苏北盆地干热岩地热资源前景分析

苏北盆地属于中、新生代“断陷型”盆地,发育前震旦系变质基底及古生代海相台地沉积,经历燕山期大规模岩浆-火山-构造活动,之后连续断陷沉降并沉积了厚度巨大的新生代地层;新生代苏北盆地处于持续活跃的洋陆构造带内,其特殊的构造位置使区内拥有相对高的大地热流值和较大的地温梯度,具有巨大的地热资源潜力。基于区域地热地质综合研究,本文针对苏北盆地地质构造特征、地温数据、地球物理信息等系统分析,初步证实了盆地内不仅存在浅部中低温地热资源,而且推断出盆地深部拥有温度较高的干热岩资源,其热源主要来源于深部的地幔,是本地区新生代区域伸展裂陷、地幔上涌、岩石圈减薄等作用的结果。根据干热岩选区的科学准则,盆地内优势前景区拥有丰富的动态热源、导热效果极佳的热通道、规模巨大的优势热储、良好保温作用的热盖层,并依据此初步建立成因模型,为进一步勘探与开发提供参考依据。     

增强型地热系统在碳酸盐岩型深层地热能开发利用中的应用进展

地热能是一种储量大、分布范围广、清洁环保的可再生能源,其中深层干热岩地热能最具开发潜力。增强型地热系统是开发深层干热岩地热能的有效手段,在碳酸盐岩热储区已广泛应用,取得了良好的经济社会效益。系统总结了国内外增强型地热系统在碳酸盐岩型地热开发中的进展和经验,分析了国内发展现状,认为加强基础理论研究、核心技术攻关和工程示范,尽快形成具有中国特色的深部地热能开采方案,是今后工作的重点方向之一。     

中国典型干热岩潜力区的地热深井部署

我国干热岩开发研究领域起步晚,在深部地质、地热、水文地质、钻探、地球物理等多方面存在难题。高温深井钻探的难度大、投资高和风险大,布井是高温地热资源开发需解决的首要问题。科学布井可以降低钻探难度、风险和投资。干热岩试验靶区遴选结果显示:羊八井、腾冲、漳州等为我国典型干热岩开发潜力区。但我国干热岩地热深井钻探超前于基础理论研究,钻探存在盲目性、低效性和不确定性。本文对上述3个典型干热岩潜力区的地热深井布署条件做了分析,其结果具有重要理论价值和实践价值,可促进我国干热岩开发研究。     

中国地热资源现状及发展趋势

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。