几十年来，冰岛一直利用地热能发电。为此，工程师会向地下钻探一至两公里，以开采地下热水资源，其温度可达250至350度。这些热水储层是在地下水被困在岩石中的岩浆体加热后形成的。
2008年，冰岛研究人员在开展冰岛深层钻探项目（IDDP）期间，为寻找能够提供更多能源、温度更高的地热储层，开始在克拉夫拉熔岩区钻探一口五公里深的钻孔。然而，钻头在地下仅两公里处便卡住了。第二口钻孔也遇到了同样的问题。两次钻探中，钻头都碰上了地质学家所称的岩浆侵入体：一团向上涌动的黏稠岩浆，停留在基岩中，没有喷发至地表。
钻探超临界水储层。
研究人员在岩浆房正上方发现了一处迄今独特的地热水储层：其中温度可达450度，这种状态被科学家称为超临界状态。
水加热至374度以上便会进入超临界状态，此时开始表现得像气相与液相的混合物。两种相态变得无法分离、难以区分，形成一种流体：它的密度可与液体相当，同时又能像气体一样容易流动。
被岩浆侵入体加热至超临界温度的水蕴含足够的热能，单口钻孔即可提供35兆瓦的发电容量。相比之下，如今常规地热钻孔的容量为3至5兆瓦；必须将一系列钻孔连接成回路，才能建成容量为50至100兆瓦的发电站。考虑到每口钻孔的成本高达数百万美元，超临界地热水的吸引力便不难理解。
2011年，也就是发现这一不同寻常能源两年后，IDDP联盟开始在该钻孔开展测试。他们有了许多新发现，却仍未能解释这一储层是如何形成的。它是自然界偶然形成的奇观，还是这类储层可能比人们原先认为的更为普遍？
如果围绕不透水岩浆体（灰色）的岩石（白色）渗透性较低，岩浆周围的水（红色）就可能变得非常热。
红色区域表示水会进入超临界状态的地带。（插图：据Scott等人，2015年，Nature Communications）
计算机模型揭示地下情况
三位ETH地球科学家决定利用一种新的计算机模型模拟这一不同寻常的地热系统。如今，他们已了解其形成机制、形成条件以及寻找其他类似系统的地点。他们的研究结果及相关建模工作刚刚发表于 《Nature Communications》。
“尽管我们尽可能简化模型，只纳入少数几个参数，但模拟仍真实呈现了这一储层的行为，”苏黎世联邦理工学院地球化学与岩石学研究所高级讲师托马斯·德里斯纳（Thomas Driesner）说。他补充道，最令他们满意的是，模拟重现了冰岛IDDP研究人员在钻孔中观察到的现象。
岩石渗透性至关重要
在1,000度时，岩浆侵入体完全不透水。德里斯纳的博士生塞缪尔·斯科特（Samuel Scott）利用模拟证明，周围岩石的渗透性是此类地热储层形成的关键因素。如果岩石渗透性很高，水就能轻松上升，带走侵入体的热量也更有效，因而使岩浆更快冷却。但如果周围岩石的渗透性较低，水就会滞留在侵入体上方，而侵入体能够将水加热至超过临界点。此外，由于热量传递“较差”，岩浆房会保持高温更长时间。
玄武岩是理想的“孵化器”
关键在于紧邻岩浆的岩石渗透性。在这里，温度和压力都很高，围岩的变形方式会从脆性破裂转为塑性流动，水可能流经的裂缝和缝隙因此闭合。发生这一转变时的温度决定了水能达到多高的温度。不同岩石开始呈现塑性的温度各不相同。玄武岩作为典型的火山岩，在约500至800度时会变得具有塑性且不透水；而富含硅的花岗岩仅在350度时就会发生这种转变。
换句话说，如果岩浆侵入体周围的岩石是玄武岩，就很有可能形成这类地热储层。ETH研究人员根据建模结果总结道：“因此，我们认为，在冰岛、新西兰或日本等火山地区，这类热储层可能比此前认为的更为常见。”
模型有助于寻找储层
他们的模型展示了多种地质因素之间需要怎样相互作用，才能形成储层的理想条件：围岩的渗透性、围岩发生塑性变形时的温度，以及侵入体的深度。这些知识有助于缩小寻找此类极热水储层的范围。
德里斯纳解释说：“模型让我们大致了解这些区域形成的条件，以及如何识别它们。”他补充道，尽管自然环境无疑更加复杂，这个模型仍是一种很好的工具，将使寻找这类能源变得更容易。
研究人员现在还计划拓展这一方法。在瑞士国家科学基金会（SNSF）资助的Sinergia项目框架下，他们希望与地球物理学家密切合作，研究能否利用地震技术探测这些储层。
计划进一步钻探
ETH研究团队参与了一项国际合作，汇集来自瑞士、新西兰、澳大利亚、美国和冰岛的研究人员与专家，共同推动地热技术的发展。在瑞士，这项合作取得的成果也正用于国内项目。其中包括由ETH牵头的瑞士能源研究能力中心——电力供应（SCCER-SoE）；例如，该中心正在调整所用的模拟方法，以满足瑞士（非火山）地下地热项目的要求。
冰岛位于大西洋中脊，这一地带是欧亚大陆与美洲大陆分离漂移的区域。在冰岛下方的部分地带，地壳厚度仅六公里，因此岩浆很容易到达地表，火山活动也十分普遍。
德里斯纳认为，大西洋中脊的冰岛段还有其他岩浆侵入体，周围可能存在超临界水储层，因此具有能源开发价值。冰岛研究人员即将在雷克雅内斯半岛钻探第二口试验钻孔。但据德里斯纳介绍，该地点有海水渗入地下，会彻底改变超临界水的性质，因此他们的模型只能部分适用于当地条件。因此，塞缪尔·斯科特已经开始为博士论文下一章调整模型，将咸水因素纳入其中。
本文由以下机构合作发布： 苏黎世联邦理工学院。本文发表不代表世界经济论坛认可其中观点。
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作者：彼得·吕埃格（Peter Rüegg）是苏黎世联邦理工学院特约撰稿人。
图片：2015年3月23日，斯瓦特森吉地热发电站，位于雷克雅内斯半岛、雷克雅未克附近。路透社/西格特里格尔·约翰松（Sigtryggur Johannsson）。
