地热能最新研究进展分享
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文一：
地热发电资源的地质控制
摘要：
气候危机带来的威胁迫切需要可持续的绿色能源。到2050年，地热资源有可能提供高达150GWe的可持续能源。然而，成功定位和钻探地热井的关键挑战是了解地下非均质结构如何控制可开采流体储层的存在。在这篇综述中，我们讨论了关键地质因素如何有助于将中温高温地热资源用于发电。地热活动的主要驱动力是地壳热流升高，主要集中在岩浆活动和/或地壳变薄的地区。断层等可渗透结构对局部流体流动模式起着主要控制作用，大多数上流区位于复杂的断层相互作用区。地热资源评估和运营的主要风险包括确定足够的渗透性以进行流体开采，此外还有储层压力下降和诱发地震的可能性。先进的计算方法允许有效整合多个数据集，从而降低潜在风险。未来的创新涉及工程地热系统以及超临界和海上地热资源，这可以极大地扩大地热能的全球应用，但需要对各自的地质条件有详细的了解。
图：地热资源的全球分布。
图：中高温地热系统的典型地质环境。
图：地热储层孔隙度-渗透率关系。
图：一类临界应力断层的破坏准则。
文二：
韧性地壳中潜在可开发的超临界地热资源
摘要：
脆性-延性转变（BDT）大大降低了渗透率的假设意味着，由超临界水组成的潜在可开采地热资源（渗透率>10-16m2）只能出现在具有异常高转变温度的岩石中，如玄武岩。然而，即使在韧性岩石中，拉伸断裂也是可能的，并且为大陆地壳提出的一些渗透率-深度关系显示，在BDT时渗透率没有急剧降低。在这里，我们提出的实验结果表明，BDT不是岩石渗透率的一阶控制因素，潜在的可开采资源可能出现在BDT温度低得多的岩石中，例如构成大陆地壳主体的花岗岩。我们发现，在350-500°C的有效围压下，断裂花岗岩样品的渗透行为的特征是在特定的温度依赖性有效围压水平下，从弱应力依赖性和可逆行为转变为强应力依赖和不可逆行为。这种转变是由断裂面的塑性正常变形（弹塑性转变）引起的，重要的是，它不会导致渗透率的“跳跃”。这种渗透率行为的经验方程表明，即使在名义上具有延展性的地壳中，超过450°C的潜在可开采资源也可能在2-6km的深度形成。
图：含多条裂缝的花岗岩和含单条裂缝的玄武岩在350℃下的渗透率与有效围压之间的关系。
图：含多裂隙或单裂隙花岗岩试样渗透率与等效围压关系的对数曲线。
图：高温地热储层基底的温度和有效围压（深度）条件，以及潜在可开采的超临界地热资源。
文三：
脆性到延性转变的渗透率分配及其对超临界地热储层的影响
摘要：
与传统发电厂相比，利用超临界水（≥400°C）的地热项目可以将发电量提高十倍。然而，这些储层通常出现在地壳地区，那里的岩石是半延性或延性的，阻碍了大规模的裂缝和开裂，水力性质在很大程度上是未知的。在这里，我们使用基于气体的三轴装置的力学数据、高分辨率同步加速器尸检3D图像和有限元建模来探索超临界条件下岩石的复杂渗透率。我们报告了应变分配对渗透率的一阶控制。在脆性状态下，应变集中在可渗透断层上，而不一定增加样品的表观渗透率。在半延性状态下，分布应变增加了变形带和主体的渗透率，导致渗透率增加了十倍以上。这项研究挑战了脆韧性转变（BDT）标志着地壳中流体循环中断的观点，表明在变形的半韧性岩石中可以形成渗透性。
图：Lanhélin花岗岩完整标本的照片。
图：脆性和半延性试样的XCT图像和孤立裂纹的3D渲染。
图：在脆性和半韧性状态下反对控制样品渗透率过程的天气图。
文四：
地热离液卤水中细菌和高度多样化古菌的极酸性蛋白质组和代谢灵活性
摘要：
在盐饱和条件（如盐田结晶池，盐度超过30% w/v）下，只有少数已知的古菌和更少的细菌谱系能够生存。它们通过在细胞质中积累摩尔级别浓度的K+来维持渗透平衡（“盐内”策略），并且其蛋白质在适应性上富含带负电的酸性氨基酸。在此研究中，我们分析了达纳基尔洼地中受地热影响的超盐生生态系统的宏基因组和宏基因组组装基因组，这些生态系统的溶液混乱性（chaotropicity）逐渐增加。对普遍存在的单拷贝基因的标准化丰度分析表明，在西峡湖（Western-Canyon Lakes）接近生命极限的条件下，嗜盐古菌和纳米嗜盐古菌（Nanohaloarchaeota）占据了微生物群落的99%。与淡水、海水以及盐度从6%到14%再到32%的盐田池塘相比，达纳基尔宏基因组和宏基因组组装基因组推测的蛋白质组显示，西峡湖古菌编码的蛋白质具有迄今为止观察到的最酸性特征（蛋白质等电点中位数≤4.4）。我们还发现了之前未描述的嗜盐古菌家族，以及一个独立适应极端嗜盐性的谜样古菌（Aenigmatarchaeota）家族和一个细菌门。尽管随着盐度和溶液混乱性的增加，门级别的多样性有所减少，但与盐田不同的是，在达纳基尔生态系统中，适应性的古菌多样性极大地增加，这对极端条件下多样性减少的传统观点构成了挑战。局部地热作用所产生的“丰年与荒年”策略支持了多种能量和碳资源的代谢灵活性，似乎塑造了这些接近生命极限的生态系统中的微生物多样性。
图：从达纳基尔凹陷北部多极端离液生态系统的宏基因组推断出的微生物群落组成。
图：在北半球日益混沌的生态系统中，微生物蛋白质组的 pI 和氨基酸组成偏差推断出达纳基勒洼地繁荣。
图：与盐度增加的其他生态系统相比，Danakil地热影响离液盐水中所有物种和优势古菌类群的多样性指数。
图：Danakil 多极盐水生态系统微生物群落能量代谢的主要过程。
文五：
柔性地热能在脱碳电力系统中的作用
摘要：
增强型地热系统（Enhanced Geothermal Systems，EGSs）是一种新兴的能源技术，具有显著扩大地热发电资源基础的潜力。尽管传统上EGS被视为“基荷”资源，但对EGS井场的灵活操作可能使这些电厂能够提供负荷跟随发电和长期能源储存。在这项研究中，我们评估了运行灵活性对美国西部地区EGS电力长期系统价值和部署潜力的影响。研究发现，负荷跟随发电和储层内能源储存增强了EGS电力在最低成本去碳化电力系统中的作用，与刚性EGS或无EGS的系统相比，大幅提高了地热能的最优渗透率并降低了电力供应的总体成本。灵活的地热电厂通过在昼夜和季节性时间尺度上调整发电量，优先替代成本最高的竞争资源，其能量存储的往返效率为59%至93%。EGS灵活性的优势在各种电力市场和地热技术发展情景中都表现出较强的适应性。
图：柔性 EGS 优化模型的原理图。
图：EGS在完全脱碳电力系统中的部署潜力。
图：最佳系统级容量组合。
图：EGS工厂的年度运营概况。
