ВИКОРИСТАННЯ ПОВЕРХНЕВИХ, ТЕРМАЛЬНИХ І МОРСЬКИХ ВОД ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА ТЕПЛОВОЇ І ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ

Під геотермікою (від грецьких слів «гео» - земля і «термо» - тепло) розуміється наука, що вивчає тепловий стан земної кори і Землі в цілому, його залежність від геологічної будови, складу гірських порід, магматичних процесів і цілого ряду інших чинників. Критерієм теплового стану земної кулі є поверхневий градієнт температури, що дозволяє судити про втрати тепло Землі. Екстраполюючи градієнт на великі глибини, можна якоюсь мірою оцінити температурний стан земної кори. Величина, відповідна поглибленню в метрах, при якому температура підвищується на 1°С, називається геотермічним рівнем. У зв'язку із зміною інтенсивності сонячного випромінювання тепловий режим перших 1,5-40 м земної кори характеризується добовими і річними коливаннями. Далі мають місце багатолітні і вікові коливання температури, які з глибиною поступово затухають.

Середня величина геотермічного рівня рівна 33 м, і з поглибленням від зони постійної температури на кожних 33 м температура підвищується на 1 °С. Геотермічні умови надзвичайно різноманітні. Це пов'язано з геологічною будовою того або іншого району Землі. Відомі випадки, коли збільшення температури на 1°С відбувається при поглибленні на 2-3 м. Ці аномалії зазвичай знаходяться в областях сучасного вулканізму. На глибині 400-600 м в деяких районах, наприклад Камчатки, температура доходить до 150-200 °С і більше. В даний час отримані дані про досить глибоке промерзання верхньої зони земної кори. Геотермічні спостереження в зоні вічної мерзлоти дозволили встановити, що потужність мерзлих гірських порід досягає 1,5 тис. м. Так, в районі річки Мархи (приплив Вілюя) на глибині 1,8 тис. м температура складає всього лише 3,6 °С. Тут геотермічний рівень складає 500 м на 1 °С. На окремих платформених частинах території (на Російській платформі) температура з глибиною приблизно наступна: 500 м – не вище 20°С, 1 тис. м – 25-35°С; 2 тис. м – 40-60°С; 3-4 тис. м –до 100°С і більше.

Рисунок 1.1 – Потенціал геотермальної енергії України

Підземні термальні води (гідротерми)

У земній корі існує рухливий і надзвичайно теплоємний енергоносій – вода, що грає важливу роль в тепловому балансі верхніх геосфер. Вода насичує всі породи осадового чохла. Вона міститься в породах гранітної і осадової оболонок, а ймовірно, і у верхніх частинах мантії. Рідка вода існує лише до глибин 10-15 км, нижче при температурі близько 700 °С вода знаходиться виключно в газоподібному стані. На глибині 50-60 км при тисках близько 3·10⁴ атм зникає кордон фазовості, тобто водяний газ набуває такої ж щільності, що і рідка вода. У будь-якій точці земної поверхні, на певній глибині, залежно від геотермічних особливостей району, залягають пласти гірських порід, що містять термальні води (гідротерми). У зв'язку з цим в земній корі слід виділяти ще одну зону, умовно звану «гідротермальною оболонкою». Вона просліджується повсюдно по всій земній кулі лише на різній глибині. У районах сучасного вулканізму гідротермальна оболонка інколи виходить на поверхню. Тут можна виявити не лише гарячі джерела, киплячих грифонів і гейзери, але і парогазові струмені з температурою 180-200°С і вище. Температура підземних вод вагається в широких межах, обумовлюючи їх стан, впливаючи на склад і властивості. Відповідно до температури теплоносія всі геотермальні джерела підрозділяють на епітермальні, мезотермальні і гіпотермальні.

До епітермальних джерел зазвичай відносять джерела гарячої води з температурою 50-90°С, розташовані у верхніх шарах осадових порід, куди проникають ґрунтові води. До мезотермальних джерел відносять джерела з температурою води 100-200 °С. У гіпотермальних джерелах температура у верхніх шарах перевищує 200 °С і практично не залежить від ґрунтових вод. Походження термальних вод може бути пов'язане з діяльністю теплових вогнищ, але найчастіше вода, тим або іншим способом потрапляючи в пласт породи, здійснює довгу дорогу, поки не приходить в контакт з тепловим потоком або поступово розігрівається, відбираючи тепло в порід. Рідка фаза води і тепло можуть походити з одного джерела лише в тому випадку, якщо таким є остигаючий магматичний розплав. Перегріта вода у вигляді парових струменів виділяється з розплаву разом з газами і легколетючими компонентами, спрямовуючись у верхні, холодніші горизонти. Вже при температурах 425-375 °С пара може конденсуватися в рідку воду; у ній розчиняються більшість летких компонентів– так з'являється гідротермальний розчин «ювенільного» (первозданного) типу.

Під терміном «ювенільні» геологи мають на увазі води, які ніколи раніше не брали участь у водозвороті; такі гідротерми у прямому розумінні слова є первинними, новоутвореними. Вважають, що так само сформувалася вся поверхнева гідросфера морів і океанів в епоху молодої магматичної активності планети, коли лише-лише зароджувалися тверді консолідовані «острови» материкових платформ. Прямою протилежністю «ювенільних» вод є води інфільтраційного походження. Якщо «ювенільні» води, відділяючись від магматичного розплаву, піднімаються до поверхні, то переважаючий рух інфільтраційних вод – від поверхні углиб. Джерелом вод цього типу є атмосферними осіданнями або взагалі поверхневі водотоки. По паровому простору порід або зонам тріщин ці води проникають (інфільтруються) в глибші горизонти. По шляху руху вони насичуються різними солями, розчиняють підземні гази, нагріваються, відбираючи тепло у водопровідних порід. Залежно від глибини проникнення інфільтраційних вод вони стають більш менш нагрітими. За середніх геотермічних умов для того, щоб інфільтраційні води стали термальними (тобто з температурою більше 37 °С), необхідне їх занурення на глибину 800-1000 м. Інфільтраційні гідротерми здатні виливатися на поверхню у вигляді гарячих джерел, якщо існує можливість розвантаження води на поверхню по розломах, виклинюваннях шарів, що відбувається в нижчих відносно області живлення ділянках. Причому, аби вода залишалася термальною, підйом її до поверхні повинен відбуватися дуже швидко, наприклад, по широких тріщинах розломів. При повільному підйомі гідротерми остигають, віддаючи акумульоване тепло вміщючим породам. Проте, якщо пробурити свердловину на глибину 3-4 тис. м і забезпечити швидкий підйом води, можна отримати термальний розчин з температурою до 100 °С. Все це стосується областей з середніми геотермічними показниками і не відноситься до вулканічних районів або зон недавнього гороутворення.

Вулканічного типу термальні води слід виділити особливо. Як вже говорилося, гарячі джерела вулканічних районів не можна цілком вважати «ювенільними», тобто магматичними. Досвід досліджень показує, що в переважному випадку вода вулканічних терм має поверхневе інфільтраційне походження. Окрім гейзерів вулканічний тип гідротерм включає грязьових грифонів і казани, парові струмені і газові фумароли. Всі перераховані типи термальних вод мають різноманітний хімічний і газовий склад. Їх загальна мінералізація вагається від ультрапрісних категорій (менше 0,1 г/л) до категорій надміцних розсолів(більше 600 г/л). Гідротерми містять в розчиненому стані різні гази: активні (агресивні), такі, як вуглекислота, сірководень, атомарний водень, і малоактивні – азот, метан, водень. У геотермальній енергетиці можуть бути використані практично всі види термальних вод: перегріті води – при видобутку електроенергії, прісні термальні води – в комунальному теплозабезпеченні, солонуваті води – в бальнеологічних цілях, розсоли – як промислова сировина.

Запаси і поширення термальних вод

До областей поширення родовищ термальних вод відносяться:

Рисунок 1.2 – Вулканічне кільце басейну Тихого океану

Рисунок 1. 3 – Альпійський складчастий пояс (Кавказькі гори)

Рисунок 1.4 – Рифтові долини континентів (рифова долина в Ісландії)

Рисунок 1.5 – Серединно-океанічні хребти,  платформені занурення і предгірні краєві прогини

 По своєму походженню родовища термальних вод можна підрозділити на два типи, що розрізняються способом перенесення теплової енергії. Перший тип утворюють геотермальні системи конвекційного походження, що відрізняються високою температурою вод, що розвантажуються на денну поверхню. Це райони розташування сучасних або недавно вимерлих вулканів, де на поверхню виходять не лише гарячі води, але і пароводяна суміш з температурою до 200°С і більш. На сьогоднішній день всі геотермальні електростанції працюють в районах сучасного вулканізму.

До родовищ конвекційного типу відносяться також гідротермальні прояви так званих рифтових зон, що характеризуються активним тектонічним режимом і помірно підвищеними геотермічними градієнтами, – 45-70°С/км. (Рифтові зони і пов'язані з ними термо-аномалії, як правило, тягнуться на величезні відстані. Наприклад, Північно-мексиканський басейн термальних вод протягнувся на 1,5 тис. км, від північно-східної частини Мексики та Флориди. Одна зі свердловин тут з глибини 5859 м дає пароводяну суміш з температурою 273 °С, причому цей флюїд виходить при високому тиску.) 

Рисунок 1.6 – Схема рельєфу океанічного дна

Рисунок 1.7  – Схема утворення острова Ісландія на вершині Серединно-Атлантичного хребта

Другий тип геотермальних родовищ утворюється при переважаючому кондуктивному прогріванні підземних вод, зосереджених в глибоких платформених западинах і предгірних прогинах. Вони розташовуються поза вулканічних районів і характеризуються нормальним геотермічним градієнтом – 30-33 °С/км. Бурінням на нафту і газ, а частково і на воду виявлені сотні підземних артезіанських басейнів термальних вод, що займають площі в декілька мільйонів квадратних кілометрів. Як правило, артезіанські басейни, розташовані в рівнинних областях і предгірних прогинах, містять воду з температурою 100-150°С на глибині 3-4 км. Можна без перебільшення сказати, що будь-який відмічений на карті предгірний прогин, який був сформований в епоху альпійського горотворення, містить басейн термальних вод. Такі артезіанські басейни предгірних прогинів Піренеїв, Альп, Карпат, Криму, Кавказу, Копедага, Тянь-шаня, Паміру, Гімалаїв. Термальні води цих басейнів демонструють унікальне різноманіття хімічних типів від прісних (питних) до розсолів, вживаються як мінеральна сировина для витягання коштовних елементів. Більше половини всіх відомих мінеральних (лікувальних) вод виходить у вигляді джерел або виводиться свердловинами в межах альпійських предгірних і міжгірських прогинів. Досвід показує, що термальні води подібних малих басейнів є найбільш перспективними для комплексного використання в практичних цілях. Підрахунки запасів термальних вод ґрунтуються на наявних даних про об'єми гравітаційних вод, ув'язнених в пластах, об'єми самих водоносних горизонтів і колекторні властивості тих, що складають їх гірських порід.

Запаси термальних вод є загальною кількістю виявлених термальних вод, що знаходяться в порах і тріщинах водоносних горизонтів, що мають температуру 40-200° С, мінералізацію до 35 г/л і глибину залягання до 3,5 тис. м від денної поверхні. З розвитком глибокого буріння на 10-15 км відкриваються багатообіцяючі перспективи розтину високотемпературних джерел тепла. На таких глибинах в деяких районах країни (виключаючи вулканічні) температура вод може досягти 350°С і вище. Райони виходу на поверхню кристалічного фундаменту (Балтійський, Український, Анабарський щити) і підведені гірські споруди (Урал, Кавказ, Карпати і т. д.) абсолютно не мають запасів термальних вод. На ділянках занурення фундаменту, тобто при збільшенні товщини осадового чохла, в надрах спостерігається деяке «потепління» до 35-40 °С на платформах і до 100-120 °С у глибоких предгірних западинах. До районів, що мають максимально «теплі» земні надра, поза сумнівом, відноситься Палило-камчатська вулканічна зона.

Рисунок 1.8 – Долина гейзерів на Камчатці

Тут нагрітість порід і вод, що містяться в них, залежить не лише від глибини їх залягання, але більшою мірою від близькості до вулканічних центрів і розломів в земній корі. Таким чином, температура порід, а отже, і вод знаходиться залежно від глибини залягання і від району, який характеризується більшою або меншою геотермічною активністю.

Перейти до початку посібника