Основные понятия геотермальной энергии

Критерием теплового состояния земного шара является поверхностный градиент температуры, позволяющий судить о потерях тепла Земли. Величина, соответствующая углублению в метрах, при котором температура повышается на 1° С, называется геотермической ступенью.

В связи с изменением интенсивности солнечного излучения тепловой режим первых 1,5−40 м земной коры характеризуется суточными и годовыми колебаниями. Далее имеют место многолетние и вековые колебания температуры, которые с глубиной постепенно затухают. На любой глубине температура горных пород может быть определена по формуле.

.

где t_в— средняя температура воздуха данной местности;

H — глубина, для которой определяется температура;

h — глубина слоя постоянных годовых температур;

у — геотермическая ступень.

Средняя величина геотермической ступени равна 33 м, и с углублением от зоны постоянной температуры на каждые 33 м температура повышается на 1 °C.

Геотермические условия чрезвычайно разнообразны. Это связано с геологическим строением того или иного района Земли. Известны случаи, когда увеличение температуры на 1° С происходит при углублении на 2−3 м. Эти аномалии находятся в областях современного вулканизма. На глубине 400−600 м в некоторых районах, например Камчатки, температура доходит до 150−200 °С и более.

В настоящее время получены данные о довольно глубоком промерзании верхней зоны земной коры мощность мерзлых горных пород достигает 1,5 тыс. м. В районе реки Мархи (приток Вилюя) на глубине 1,8 тыс. м температура составляет всего лишь 3,6 °С. Здесь геотермическая ступень составляет 500 м на 1 °C. 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.

В земной коре существует подвижный и чрезвычайно теплоемкий энергоноситель — вода, играющая важную роль в тепловом балансе верхних геосфер. Вода насыщает все породы осадочного чехла. Она содержится в породах гранитной и осадочной оболочек, и вероятно, и в верхних частях мантии. Жидкая вода существует только до глубин 10−15 км, ниже при температуре около 700 °C вода находится исключительно в газообразном состоянии. На глубине 50−60 км при давлениях около 3· 10⁴ атм водяной газ имеет 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 земной коре следует выделять еще одну зону, называемую «гидротермальной оболочкой». Она прослеживается повсеместно по всему земному шару только на разной глубине. В районах современного вулканизма гидротермальная оболочка иногда выходит на поверхность. Здесь можно обнаружить не только горячие источники, кипящие грифоны и гейзеры, но и парогазовые струи с температурой 180−200° С и выше.

Температура подземных вод колеблется в широких пределах, влияя на состав и свойства. В соответствии с температурой теплоносителя все геотермальные источники подразделяют на эпитермальные, мезотермальные и гипотермальные.

Эпитермальные — источники горячей воды с температурой 50−90 °С, расположенные в верхних слоях осадочных пород, куда проникают почвенные воды.

Мезотермальные — источники с температурой воды 100−200 °С.

Гипотермальные источники температура в верхних слоях превышает 200 °C и практически не зависит от почвенных вод.

Вода, попадая в пласт породы, совершает долгий путь, пока не приходит в контакт с тепловым потоком и разогревается, отбирая тепло у пород. Перегретая вода в виде паровых струй выделяется из расплава вместе с газами 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 вида) — воды, которых никогда прежде не участвовали в водообороте.

По пути движения они насыщаются различными солями, растворяют подземные газы, нагреваются, отбирая тепло у водопроводящих пород.

Инфильтрационные гидротермы способны изливаться на поверхность в виде горячих источников, если существует возможность разгрузки воды на поверхность по разломам, выклиниваниям слоев, что происходит в более низких 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 тепло вмещающим породам. Если пробурить скважину на глубину 3−4 тыс. м и обеспечить быстрый подъем воды, можно получить термальный раствор с температурой до 100 °C.

Вулканический тип термальных вод. Помимо гейзеров вулканический тип гидротерм включает грязевые грифоны и котлы, паровые струи и газовые фумаролы.

Все перечисленные типы термальных вод имеют разнообразный химический и газовый состав. Их общая минерализация колеблется от ультрапресных категорий (менее 0,1 г/л) до сверхкрепких рассолов (более 600 г/л). Гидротермы содержат в растворенном состоянии различные газы: активные (углекислота, сероводород, атомарный водород и малоактивные (азот, метан, водород).

В геотермальной энергетике могут быть использованы практически все виды термальных вод: перегретые воды — при добыче электроэнергии, пресные термальные воды — в коммунальном теплоснабжении, солоноватые воды — в медицинских целях, рассолы — как промышленное сырье.