lecture09 (Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Курс лекций. В.А. Агеев, 2004)

Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)9. Тепловой режим земной коры. Источники геотермального тепла.9.1. Тепловой режим земной корыПод геотермикой (от греческих слов «гео» – земля и «термо» – тепло)понимается наука, изучающая тепловое состояние земной коры и Земли в целом, его зависимость от геологического строения, состава горных пород,магматических процессов и целого ряда других факторов.Критерием теплового состояния земного шара является поверхностныйградиент температуры, позволяющий судить о потерях тепла Земли. Экстраполируя градиент на большие глубины, можно в какой-то степени оценитьтемпературное состояние земной коры.

Величина, соответствующая углублению в метрах, при котором температура повышается на 1° С, называетсягеотермической ступенью.В связи с изменением интенсивности солнечного излучения тепловойрежим первых 1,5-40 м земной коры характеризуется суточными и годовымиколебаниями. Далее имеют место многолетние и вековые колебания температуры, которые с глубиной постепенно затухают.

На любой глубине температура горных пород ( T ) приближенно может быть определена по формулеT = tв +(H + h ) ,σ(9.1.1)где t в – средняя температура воздуха данной местности; H – глубина, длякоторой определяется температура; h – глубина слоя постоянных годовыхтемператур; σ – геотермическая ступень.Средняя величина геотермической ступени равна 33 м, и с углублениемот зоны постоянной температуры на каждые 33 м температура повышаетсяна 1 °С.Геотермические условия чрезвычайно разнообразны.

Это связано сгеологическим строением того или иного района Земли. Известны случаи,когда увеличение температуры на 1° С происходит при углублении на 2-3 м.©Кафедра теплоэнергетических систем, 20041Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)Эти аномалии обычно находятся в областях современного вулканизма. Наглубине 400-600 м в некоторых районах, например Камчатки, температурадоходит до 150-200 °С и более.В настоящее время получены данные о довольно глубоком промерзании верхней зоны земной коры. Геотермические наблюдения в зоне вечноймерзлоты позволили установить, что мощность мерзлых горных пород достигает 1,5 тыс.

м. Так, в районе реки Мархи (приток Вилюя) на глубине 1,8тыс. м температура составляет всего лишь 3,6 °С. Здесь геотермическая ступень составляет 500 м на 1 °С. На отдельных платформенных частях территории (на Русской платформе) температура с глубиной примерно следующая:500 м – не выше 20° С, 1 тыс. м – 25-35° С; 2 тыс. м – 40-60° С; 3-4 тыс. м –до 100° С и более.9.2. Подземные термальные воды (гидротермы)В земной коре существует подвижный и чрезвычайно теплоемкийэнергоноситель – вода, играющая важную роль в тепловом балансе верхнихгеосфер.

Вода насыщает все породы осадочного чехла. Она содержится в породах гранитной и осадочной оболочек, а вероятно, и в верхних частях мантии. Жидкая вода существует только до глубин 10-15 км, ниже при температуре около 700 °С вода находится исключительно в газообразном состоянии.На глубине 50-60 км при давлениях около 3·104 атм исчезает граница фазовости, т.е. водяной газ приобретает такую же плотность, что и жидкая вода.В любой точке земной поверхности, на определенной глубине, зависящей от геотермических особенностей района, залегают пласты горных пород,содержащие термальные воды (гидротермы).

В связи с этим в земной кореследует выделять еще одну зону, условно называемую «гидротермальнойоболочкой». Она прослеживается повсеместно по всему земному шару только на разной глубине. В районах современного вулканизма гидротермальнаяоболочка иногда выходит на поверхность. Здесь можно обнаружить не толь©Кафедра теплоэнергетических систем, 20042Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)ко горячие источники, кипящие грифоны и гейзеры, но и парогазовые струи стемпературой 180-200° С и выше.Температура подземных вод колеблется в широких пределах, обусловливая их состояние, влияя на состав и свойства. В соответствии с температурой теплоносителя все геотермальные источники подразделяют на эпитермальные, мезотермальные и гипотермальные.К эпитермальным источникам обычно относят источники горячей воды с температурой 50-90 °С, расположенные в верхних слоях осадочных пород, куда проникают почвенные воды.К мезотермальным источникам относят источники с температуройводы 100-200 °С.В гипотермальных источниках температура в верхних слоях превышает 200 °С и практически не зависит от почвенных вод.Происхождение термальных вод может быть связано с деятельностьютепловых очагов, но чаще всего вода, тем или иным способом попадая впласт породы, совершает долгий путь, пока не приходит в контакт с тепловым потоком или постепенно разогревается, отбирая тепло у пород.Жидкая фаза воды и тепло могут происходить из одного источникалишь в том случае, если таковым является остывающий магматический расплав.

Перегретая вода в виде паровых струй выделяется из расплава вместе сгазами и легколетучими компонентами, устремляясь в верхние, более холодные горизонты. Уже при температурах 425-375 °С пар может конденсироваться в жидкую воду; в ней растворяется большинство летучих компонентов– так появляется гидротермальный раствор «ювенильного» (первозданного)типа. Под термином «ювенильные» геологи подразумевают воды, которыеникогда прежде не участвовали в водообороте; такие гидротермы в прямомсмысле слова являются первичными, новообразованными.

Полагают, что подобным образом сформировалась вся поверхностная гидросфера морей иокеанов в эпоху молодой магматической активности планеты, когда только©Кафедра теплоэнергетических систем, 20043Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)только зарождались твердые консолидированные «острова» материковыхплатформ.Прямой противоположностью «ювенильных» вод являются воды инфильтрационного происхождения. Если «ювенильные» воды, отделяясь отмагматического расплава, поднимаются к поверхности, то преобладающеедвижение инфильтрационных вод – от поверхности вглубь. Источник водэтого типа представляет собой атмосферные осадки или вообще поверхностные водотоки.

По поровому пространству пород или трещинным зонам этиводы проникают (инфильтруются) в более глубокие горизонты. По путидвижения они насыщаются различными солями, растворяют подземные газы,нагреваются, отбирая тепло у водопроводящих пород.В зависимости от глубины проникновения инфильтрационных вод онистановятся более или менее нагретыми. При средних геотермических условиях для того, чтобы инфильтрационные воды стали термальными (т.е. с температурой более 37 °С), необходимо их погружение на глубину 800-1000 м.Инфильтрационные гидротермы способны изливаться на поверхность ввиде горячих источников, если существует возможность разгрузки воды наповерхность по разломам, выклиниваниям слоев, что происходит в болеенизких относительно области питания участках. Причем, чтобы вода оставалась термальной, подъем ее к поверхности должен происходить очень быстро, например, по широким трещинам разломов.

При медленном подъеме гидротермы остывают, отдавая аккумулированное тепло вмещающим породам.Однако, если пробурить скважину на глубину 3-4 тыс. м и обеспечить быстрый подъем воды, можно получить термальный раствор с температурой до100 °С. Все это касается областей со средними геотермическими показателями и не относится к вулканическим районам или зонам недавнего горнообразования.Вулканический тип термальных вод следует выделить особо. Как уже©Кафедра теплоэнергетических систем, 20044Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)говорилось, горячие источники вулканических районов нельзя целиком считать «ювенильными», т.

е. магматическими. Опыт исследований показывает,что в подавляющем случае вода вулканических терм имеет поверхностноеинфильтрационное происхождение. Помимо гейзеров вулканический типгидротерм включает грязевые грифоны и котлы, паровые струи и газовыефумаролы.Все перечисленные типы термальных вод имеют разнообразнейшийхимический и газовый состав. Их общая минерализация колеблется от ультрапресных категорий (менее 0,1 г/л) до категорий сверхкрепких рассолов(более 600 г/л).

Гидротермы содержат в растворенном состоянии различныегазы: активные (агрессивные), такие, как углекислота, сероводород, атомарный водород, и малоактивные – азот, метан, водород.В геотермальной энергетике могут быть использованы практически всевиды термальных вод: перегретые воды – при добыче электроэнергии, пресные термальные воды – в коммунальном теплообеспечении, солоноватыеводы – в бальнеологических целях, рассолы – как промышленное сырье.9.3. Запасы и распространение термальных водК областям распространения месторождений термальных вод относятся: вулканическое кольцо бассейна Тихого океана, Альпийский складчатыйпояс, рифтовые долины континентов, срединно-океанические хребты, платформенные погружения и предгорные краевые прогибы (рис.