Запасы и распространение термальных вод

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ
1 Термальные воды
1.1 Запасы и распространение термальных вод
1.2 Использование геотермальной энергии для выработки электрической энергии
1.3 Использование геотермальной энергии для теплоснабжения
2 РАСЧЕТ ТЕПЛОНАСОСНОЙ УСТАНОВКИ
2.1 Принцип работы и устройство теплового насоса
2.2 Источники теплоты для тепловых насосов
2.3 Грунтовые зонды
2.4 Расчет ТНУ использующий теплоту грунта
2.5 Методика расчета тепловой насосной установки
2.6 Гидравлический расчет системы отопления
2.7 Расчет теплового насоса – тосол/вода
2.9 Режим кондиционирования
2.10 Режим теплоснабжения
2.11 Режим эксплуатаций теплового насоса
3 Экология геотермальной энергетики
Список использованной литературы

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Под 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 поверхностный градиент температуры, позволяющий судить о потерях тепла Земли. Экстраполируя градиент на большие глубины, можно в какой-то степени оценить температурное состояние земной коры. 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 (T) приближенно может быть определена по формуле

,

где – средняя температура воздуха данной местности;

H – глубина, для которой определяется температура;

h – глубина слоя постоянных годовых температур;

σ – геотермическая ступень.

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

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 обычно 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. Геотермические наблюдения в зоне вечной мерзлоты позволили установить, что мощность мерзлых горных пород достигает 1,5 тыс. м. Так, 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 °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.

 

Термальные воды

В земной коре существует подвижный и чрезвычайно теплоемкий энергоноситель – вода, играющая важную роль в тепловом балансе верхних геосфер. Вода насыщает все породы осадочного слоя. 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 коре следует выделять еще одну зону, условно 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, 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 температурой воды 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 деятельностью тепловых очагов, но чаще всего вода, тем или иным способом попадая в пласт 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 источника лишь в том случае, если таковым является остывающий магматический расплав. 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) типа. Под термином «ювенильные» геологи подразумевают воды, которые никогда прежде не участвовали в водообороте; такие гидротермы в прямом смысле слова являются первичными, новообразованными. Полагают, что подобным образом сформировалась вся поверхностная гидросфера морей и океанов в эпоху молодой магматической активности планеты, когда только-только зарождались твердые консолидированные «острова» материковых платформ.

Прямой противоположностью «ювенильных» вод являются воды инфильтрационного происхождения. Если «ювенильные» воды, отделяясь от магматического расплава, поднимаются к поверхности, то преобладающее движение инфильтрационных вод – от поверхности вглубь. Источник вод этого типа представляет собой атмосферные осадки или вообще поверхностные водотоки. По поровому пространству пород или трещинным зонам эти воды проникают (инфильтруются) в более глубокие горизонты. По пути движения они насыщаются различными солями, растворяют подземные газы, нагреваются, отбирая тепло у водопроводящих пород.

В зависимости от глубины проникновения инфильтрационных вод они становятся 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 в виде горячих источников, если существует возможность разгрузки воды на поверхность по разломам, выклиниваниям слоев, что происходит в более низких 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 до 100 °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 говорилось, горячие источники вулканических районов нельзя целиком считать «ювенильными», т. е. магматическими. Опыт исследований показывает, что в подавляющем случае вода вулканических терм имеет поверхностное инфильтрационное происхождение. Помимо гейзеров вулканический тип гидротерм включает грязевые грифоны и котлы, паровые струи и газовые фумаролы.

Все перечисленные типы термальных вод имеют разнообразнейший химический 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 различные газы: активные (агрессивные), такие, как 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 теплообеспечении, солоноватые воды – в бальнеологических целях, рассолы – как промышленное сырье.

 

Грунтовые зонды

Сейчас устанавливают преимущественно вертикальные грунтовые зонды на глубину 50 – 150 м. При этом возможны различные технические исполнения и технологии монтажа. Как правило, зонды состоят из полиэтиленовой трубы.

Рисунок 13. Установка с грунтовыми зондами

 

В большинстве случаев параллельно устанавливаются четыре трубы (зонд в форме двойной U-образной трубы). Рассол по двум трубам течет из распределителя вниз, а по двум другим трубам возвращается наверх к распределителю. Другой вариант - коаксиальные трубы («труба в трубе») с внутренней пластиковой трубой для подачи и с внешней пластиковой трубой для возврата рассола.

Грунтовые тепловые зонды (в зависимости от исполнения) забиваются копром или устанавливаются с помощью бурильной установки. Для этих установок должно быть получено разрешение в соответствии с водным правом.

Многочисленные тепловые насосные установки с грунтовыми тепловыми зондами работают уже в течение многих лет без каких-либо повреждений и пользуются все большей популярностью. Проведенные исследования показали, что при хороших гидрогеологических условиях, прежде всего, при наличии стока грунтовых вод, возможна моновалентная эксплуатация теплового насоса без длительного охлаждения грунта. Предпосылкой для проектирования и установки грунтовых тепловых зондов является точное знание свойств грунта, последовательности слоев, сопротивления грунта, а также наличие грунтовых или почвенных вод, и информация об уровне воды и направлении ее потока.

 

Режим кондиционирования

Суммарную холодопроизводительность ССНТГ принимаем равной нагрузке кондиционирования Q ₀ = 1740 (кВт). Общее количество термоскважин ССНТГ n = 89.

Холодопроизводительность одной термоскважины:

Q ₁ = Q ₀ / n (2.7)

Q ₁ = 1740 / 89 = 19,6 кВт

Объемный расход теплоносителя через термоскважину:

G_v = Q ₁ / (r · C_p · D t) (2.8)

G_v = 19,6 / {1045 · 3,57 · [(15) - (9)]} = 0,00087 м³/с

где r - плотность теплоносителя, кг/м³;

C_p - удельная теплоемкость теплоносителя, кДж/кг·К;

D t - разность температур теплоносителя, °С.

Принимаем температуру входа теплоносителя в термоскважину и выхода из нее соответственно: t ₁ = 15 °С, t ₂ = 9 °С.

Скорость теплоносителя в кольцевом канале:

V = G_v / f_k (2.9)

V = 0,00087 / 0,007 = 0,124 м/с

Критерий Рейнольдса:

Re = V · d_э / v (2.10)

Re = 0,124 · 0,0236 / (6,29 · 10^-6) = 465 << 2000

что характеризует режим течения теплоносителя в кольцевом канале как ламинарный.

Для определения более подробных характеристик теплового взаимодействия и выбора расчетных зависимостей числа Нуссельта, определим критерии Пекле и Грасгофа.

Критерий Пекле (характеризует соотношение конвективных и кондуктивных потоков тепла при конвективном теплообмене):

Pe = V · d_э / a = Re · Pr (2.11)

Pe = 465 · 51 = 23715

Критерий Грасгофа (характеризует соотношение подъемных сил и сил вязкости):

Gr = [ g · b · D t · (d_э)³] / v ² (2.12)

Gr = [9,81 · (1,9 · 10^-4) · 8 · (2,36 · 10^-2)³] / (7,35 · 10^-6)² = 26666

где g - ускорение свободного падения, м/с²;

b - температурный коэффициент объемного расширения жидкости, 1/К.

b= (r _ж - r _ст) / [r _ж · (t_ж - t_ст)] (2.13)

b = 1,9 · 10-4 1/К

где r _ж - плотность жидкости при температуре потока, кг/м³;

r _ст - плотность жидкости при температуре стенки, кг/м³;

t_ст - расчетная температура стенки, °С;

t_ж - расчетная температура потока, °С.

В связи с тем, что Re << 2000, для определения степени влияния гравитационных сил определяем параметр:

Gr · Pr = 26666 · 51 = 1359966

т.к. (7¸8)·10⁵ < 1359966 < 4 · 10⁸

в рассматриваемом случае имеет место вязкостно-гравитационный режим течения теплоносителя в термоскважине. Такой режим течения жидкости характеризуется наложением на вынужденное течение свободного течения, обусловленного зависимостью плотности жидкости от температуры.

В соответствии с [16] и вследствие того, что:

(1/Pe)·(L / d_э) = (1/26666)·(50/0,0236) = 0,079 >0,004

критерий Нуссельта (безразмерный коэффициент теплоотдачи) в условиях течения жидкости в кольцевом канале при теплообмене только через наружную стенку трубы в условиях ламинарного течения при вязкостно-гравитационном режиме будет равен:

Nu = {3,66 + [0,0668 (Pe (d_э / L))] / [1 + 0,04 · (Pe (d_э / L))^2/3]} e₁ · y₁ (2.14)

Nu = {3,66 + [0,0668 (26666 (0,0236 / 50))] / [1 +

+ 0,04 (26666 (0,0236 / 50))^2/3]} · 1 · 1,04 = 4,53

где e₁ - поправочный коэффициент на гидродинамический начальный участок; вследствие того, что (1/Re) · (L / d_э) = 4,56 >> 0,1 имеет место наличие успокоительного участка, т.е. ₁ = 1

y₁ - коэффициент, учитывающий изменение физических свойств потока.

y₁ = (m _ст / m _ж)^-0,14 (2.15)

y₁ = (4810 · 10^-6 / 6514 · 10^-6)^-0,14 = 1,04

где m _ст - коэффициент динамической вязкости при температуре стенки, Па·с;

m _ж - коэффициент динамической вязкости при температуре потока, Па·с;

В связи с тем, что отношение длины канала к его гидравлическому диаметру:

L / d_э = 50 / 0,0236 = 2119 >> 120

можно принять модель бесконечно длинной трубы.

В соответствии с таблицей 2-27 [16] для

d_вн / d_н = 180 / 203,6 = 0,884 Nu_¥ = 4,8

для граничных условий первого рода (температура на стенке трубы постоянна), что весьма близко к полученному расчетному значению.

Для ламинарного течения жидкости в трубах [17] предлагает следующее выражение для числа Нуссельта:

Nu = 1,86 · Re^1/3 · Pr^1/3 · (L / d_э)^-1/3 · (m _ст / m _ж)^0,14 (2.16)

Nu = 1,86 · 465^0,33 · 51^0,33 · (50 / 0,0236)^-0,33 · (4810 · 10^-6 / 6514 · 10^-6)^0,14 = 4,0

т.е. Nu ³ 3,66 при Re · Pr = 23715 >> 100

В соответствии с таблицей 3-8 для граничных условий 1-го рода Nu_¥ = 4,86.

Таким образом, расчеты подтверждают приближение расчетных значений Nu к значениям Nu_¥ для граничных условий первого рода.

По результатам определения числа Нуссельта для вязкостно-гравитационного режима ламинарного течения жидкости в кольцевом канале вертикального грунтового теплообменника по двум источникам можно сделать вывод о том, что полученные данные имеют различие в ~11% и примерно соответствуют условиям теплообмена бесконечной трубы при граничных условиях первого рода (температура стенки теплообменника является постоянной). Принимаем для дальнейших расчетов на режиме кондиционирования Nu = 4,3.

Коэффициент теплоотдачи со стороны теплоносителя:

a = Nu · l / d_э (2.17)

a = 4,3 · 0,461 / 0,0236 = 84 (Вт/м² · °С)

 

Режим теплоснабжения

 

При работе на режиме теплоснабжения тепловая мощность CCHTГ Q ₀ = 1000 (кВт).

Тепловая мощность одной термоскважины:

Q ₁ = Q ₀ / n (2.18)

Q ₁= 1000 / 89 = 11,2 кВт

Объемный расход теплоносителя:

G_v = Q ₁ / (r · C_p · D t) (2.19)

G_v = 11,2 / {1045 · 3,57 · [(-3) - (-6)]} = 0,001 м³/c

где r - плотность теплоносителя (кг/м³);

C_p - удельная теплоемкость теплоносителя (кДж/кг·К);

D t - разность температур теплоносителя (°С).

Температуры входа и выхода теплоносителя в термоскважине на режиме теплоснабжения, соответственно t ₁ = -3 °С и t ₂ = -6 °С.

Скорость теплоносителя в кольцевом канале:

V = G_v / f_k (2.20)

V = 0,001 / 0,007 = 0,14 м/с

Критерий Рейнольдса:

Re = V · d_э / v (2.21)

Re = 0,14 · 0,0236 / (6,29 · 10^-6) = 525 << 2000

что позволяет сделать вывод о том, что режим течения теплоносителя в кольцевом канале ламинарный.

Критерий Пекле:

Pe = V · d_э / a = Re · Pr (2.22)

Pe = 525 · 51 = 26775

В соответствии с критерий Нуссельта (безразмерный коэффициент теплоотдачи) в условиях течения жидкости в кольцевом канале при теплообмене только через наружную стенку трубы в условиях ламинарного течения при вязкостно-гравитационном режиме будет равен:

Nu = {3,66 + [0,0668 · (Pe (d_э / L))] / [1 + 0,04 · (Pe (d_э / L))^2/3]} e₁ · y₁ (2.23)

 

Nu = {3,66 + [0,0668 (26775 (0,0236 / 50))] / [1 +

+ 0,04 (26775 (0,0236 / 50))^2/3]} · 1 · 1,04 = 4,5

В соответствии с [17] для ламинарного течения жидкости в трубах предлагается следующее выражение для числа Нуссельта:

Nu = 1,86 · Re^1/3 · Pr^1/3 · (L / d_э)^-1/3 · (m _ст / m _ж)^0,14 (2.24)

Nu = 1,86 · 525^0,33 · 51^0,33 · (50 / 0,0236)^-0,33 · (4810 · 10^-6 / 6514 · 10^-6)^0,14 = 4,1

Имея в виду то, что различные формулы расчета дают разницу около 8 %, ориентируясь на предельные значения для данного случая при граничных условиях первого рода, принимаем Nu= 4,3.

Тогда коэффициент теплоотдачи со стороны теплоносителя:

a= Nu · l / d_э (2.25)

a= 4,3 · 0,461 / 0,0236 = 84 Вт/м² · °С

Основываясь на результатах расчетов, можно сделать вывод о том, что коэффициент теплоотдачи со стороны теплоносителя для обоих режимов работы ССНТГ (теплоснабжение и кондиционирование) имеет одинаковые значения:

a _cp = 84 Bт/м² · °C

 

Список использованной литературы

1 Калашников Н.П. Альтернативные источники энергии. -М.: «Знание», 1987.

2 Ахмедов Р.Б. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. - М.: О-во «Знание», 1988.

3 Дворов И.М. Геотермальная энергетика. – М.: Наука, 1976. - 192 с.

4 Плешка М.С., Вырлан П.М., Стратан Ф.И. и др. Теплонасосные гелиосистемы отопления и горячего водоснабжения зданий. – Кишинев: Штиинца, 1990. – 122 с.

5 Хайнрих Г. и др. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения / Г. Хайнрих, Х.Найорк, В. Нестлер; Пер. с нем. Н.Л. Кораблевой, ЕШ. Фельдмана; Под ред. Б.К. Явнеля. - М.: Стройиздат, 1985. - 351 с.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ
1 Термальные воды
1.1 Запасы и распространение термальных вод
1.2 Использование геотермальной энергии для выработки электрической энергии
1.3 Использование геотермальной энергии для теплоснабжения
2 РАСЧЕТ ТЕПЛОНАСОСНОЙ УСТАНОВКИ
2.1 Принцип работы и устройство теплового насоса
2.2 Источники теплоты для тепловых насосов
2.3 Грунтовые зонды
2.4 Расчет ТНУ использующий теплоту грунта
2.5 Методика расчета тепловой насосной установки
2.6 Гидравлический расчет системы отопления
2.7 Расчет теплового насоса – тосол/вода
2.9 Режим кондиционирования
2.10 Режим теплоснабжения
2.11 Режим эксплуатаций теплового насоса
3 Экология геотермальной энергетики
Список использованной литературы

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Под 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 поверхностный градиент температуры, позволяющий судить о потерях тепла Земли. Экстраполируя градиент на большие глубины, можно в какой-то степени оценить температурное состояние земной коры. 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 (T) приближенно может быть определена по формуле

,

где – средняя температура воздуха данной местности;

H – глубина, для которой определяется температура;

h – глубина слоя постоянных годовых температур;

σ – геотермическая ступень.

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

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 обычно 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. Геотермические наблюдения в зоне вечной мерзлоты позволили установить, что мощность мерзлых горных пород достигает 1,5 тыс. м. Так, 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 °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.

 

Термальные воды

В земной коре существует подвижный и чрезвычайно теплоемкий энергоноситель – вода, играющая важную роль в тепловом балансе верхних геосфер. Вода насыщает все породы осадочного слоя. 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 коре следует выделять еще одну зону, условно 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, 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 температурой воды 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 деятельностью тепловых очагов, но чаще всего вода, тем или иным способом попадая в пласт 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 источника лишь в том случае, если таковым является остывающий магматический расплав. 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) типа. Под термином «ювенильные» геологи подразумевают воды, которые никогда прежде не участвовали в водообороте; такие гидротермы в прямом смысле слова являются первичными, новообразованными. Полагают, что подобным образом сформировалась вся поверхностная гидросфера морей и океанов в эпоху молодой магматической активности планеты, когда только-только зарождались твердые консолидированные «острова» материковых платформ.

Прямой противоположностью «ювенильных» вод являются воды инфильтрационного происхождения. Если «ювенильные» воды, отделяясь от магматического расплава, поднимаются к поверхности, то преобладающее движение инфильтрационных вод – от поверхности вглубь. Источник вод этого типа представляет собой атмосферные осадки или вообще поверхностные водотоки. По поровому пространству пород или трещинным зонам эти воды проникают (инфильтруются) в более глубокие горизонты. По пути движения они насыщаются различными солями, растворяют подземные газы, нагреваются, отбирая тепло у водопроводящих пород.

В зависимости от глубины проникновения инфильтрационных вод они становятся 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 в виде горячих источников, если существует возможность разгрузки воды на поверхность по разломам, выклиниваниям слоев, что происходит в более низких 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 до 100 °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 говорилось, горячие источники вулканических районов нельзя целиком считать «ювенильными», т. е. магматическими. Опыт исследований показывает, что в подавляющем случае вода вулканических терм имеет поверхностное инфильтрационное происхождение. Помимо гейзеров вулканический тип гидротерм включает грязевые грифоны и котлы, паровые струи и газовые фумаролы.

Все перечисленные типы термальных вод имеют разнообразнейший химический 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 различные газы: активные (агрессивные), такие, как 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 теплообеспечении, солоноватые воды – в бальнеологических целях, рассолы – как промышленное сырье.

 

Запасы и распространение термальных вод

К областям распространения месторождений термальных вод относятся: вулканическое кольцо бассейна Тихого океана, Альпийский складчатый пояс, рифтовые долины континентов, срединно-океанические хребты, платформенные погружения и предгорные краевые прогибы (рис. 4.1).

По своему происхождению месторождения термальных вод можно подразделить на два типа, различающиеся способом переноса тепловой энергии.

Первый тип образуют геотермальные системы конвекционного происхождения, отличающиеся высокой температурой вод, разгружающихся на дневную поверхность. Это районы расположения современных или недавно потухших вулканов, где на поверхность выходят не только горячие воды, но и пароводяная смесь с температурой до 200 °С и более. На сегодняшний день все геотермальные электростанции работают в районах современного вулканизма.

К месторождениям конвекционного типа относятся также гидротермальные проявления так называемых рифтовых зон, характеризующихся активным тектоническим режимом и умеренно повышенными геотермическими градиентами – 45÷70 °С/км. (Рифтовые зоны и связанные с ними термоаномалии, как правило, простираются на огромные расстояния. Например, Северо-Мексиканский бассейн термальных вод протянулся на 1,5 тыс. км, от северо-восточной части Мексики до Флориды. Одна из скважин здесь с глубины 5859 м дает пароводяную смесь с температурой 273 °С, причем этот флюид выходит при высоком давлении.)

Второй типгеотермальных месторождений образуется при преобладающем кондуктивном прогреве подземных вод, сосредоточенных в глубоких платформенных впадинах и предгорных прогибах. Они располагаются в невулканических районах и характеризуются нормальным геотермическим градиентом – 30÷33 °С/км.

Бурением на нефть и газ, а частично и на воду обнаружены сотни подземных артезианских бассейнов термальных вод, занимающих площади в несколько миллионов квадратных километров. Как правило, артезианские бассейны, расположенные в равнинных областях и предгорных прогибах, содержат воду с температурой 100÷150° С на глубине 3÷4 км.

 

 

 

1 – Калифорния; 2 – Серро Прието; 3 – Мексика, Идальго; 4 – Сан-Сальвадор; 5 – Чили, Атакама; 6 – Исландия; 7 –Араак-Лак; 8 – Лардерелло, Монте-Амиата; 9 – Венгерский бассейн;10 – Айдин-Денизли; 11 – Кавказ; 12 – Суматра; 13 – Ява; 14 – Новая Гвинея; 15 – Новая Британия; 16 – Фиджи, Новые Гебриды; 17 – Вайракей, Вайотапу; 18 – Филиппины; 19 – Япония; 20 – Камчатка.

 

Рисунок 1. Области производства геотермальной энергии в системе третичных орогенических поясов (заштриховано)

 

Можно сказать, что любой отмеченный на карте предгорный прогиб, который был сформирован в эпоху альпийского горообразования, содержит бассейн термальных вод. Таковы артезианские бассейны предгорных прогибов Пиренеев, Альп, Карпат, Крыма, Кавказа, Копет-Дага, Тянь-Шаня, Памира, Гималаев. Термальные воды этих бассейнов демонстрируют уникальное многообразие химических типов от пресных (питьевых) до рассольных, употребляющихся как минеральное сырье для извлечения ценных элементов. Больше половины всех известных минеральных (лечебных) вод выходят в виде источников или выводятся скважинами в пределах альпийских предгорных и межгорных прогибов.

Районы выхода на поверхность кристаллического фундамента (Балтийский, Украинский, Анабарский щиты) и приподнятые горные сооружения (Урал, Кавказ, Карпаты и т. д.) совершенно не имеют запасов термальных вод. На участках погружения фундамента, т. е. при увеличении толщины осадочного чехла, в недрах наблюдается некоторое «потепление» до 35÷40 °С на платформах и до 100÷120 °С в глубоких предгорных впадинах.

К числу районов, имеющих максимально «теплые» земные недра, несомненно, относится Курило-Камчатская вулканическая зона. Здесь нагретость пород и содержащихся в них вод зависит не только от глубины их залегания, но в большей степени от близости к вулканическим центрам и разломам в земной коре.