4.1. Природа геотермальных явлений

Геотермальная энергия представляет собой естественную теплоту нашей планеты. Носителями этой энергии на поверхности Земли выступают подзем­ные воды, которые наблюдаются в виде гейзеров, горячих источников. Мощ­ные потоки теплоты несет с собой раскаленная магма, извергаемая вулканами.

Исследования, проведенные в рудниках н скважинах, показывают, что по мере углубления температура земной коры увеличивается в среднем на 20—40°С на 1 км (геотермический градиент). Это явление объясняется строением земного шара (рис. 4.1). Внешний слой — земная кора — образован из гранитных и ба­зальтовых пород. Через кору проходит тепловой поток плотностью 0,06 Вт/м2 от глубинных слоев, в которых протекают реакции ядерного распада элементов типа тория, урана, химические реакции. Теплота также выделяется в результате действия сил трения в ядре. Под корой расположена мантия. На ее верхней гра­нице плотность материалов земных пород резко меняется. Мантия состоит из тяжелых минералов, которые сильно размягчены. В жидком состоянии находит­ся только верхняя часть мантии, а нижние слои характеризуются состоянием ползучести из-за высоких температур (3000-4000°С) и давлений.

Под макгией располагается сверх плотное расплавленное наружное ядро, а в нем — твердое ядро из железа, имеющее температуру 4000° С при давле­нии 3 млн атмосфер Громадные запасы энергии поддерживают тепловой ба­ланс планеты. Потенциал геотермальной энергии оценивается величиной 3,4 • 10|с тонн условного тоилива/год. Основными районами повышенной гео­термальной активности являются границы материков, предгорья [38].

Мантия
(2900 км)

Наружное
ядро

(5190 км)

Внутреннее
ядро

(6370 км.)

:Тр1 '

Рис. 4.1. Строение Земли

С точки зрения геологии, источники геотермальной энергии имеют раз­личное происхождение и характеризуются различными температурами. Они могут быть гидротермальными и петротермальными.

Гидротермальные источники представляют собой подземные резервуары, заполненные паром или горячей водой. Они имеют выход на поверхность зем­ли и образуют гейзеры или сернистые грязевые озера (рис. 4.2).

Иногда пароводяные или паровые скопления сверху и снизу заключены между плотными непроницаемыми породами. Тепловой поток проходит от мантии к нижнему плотному слою, а затем передается к воде, которая пере­гревается либо превращается в пар. Самопроизвольно эли теплоносители не могут пробиться к поверхности. Чтобы получить доступ к таким подземным источникам, необходимо пробурить скважины, а затем использовать выноси­мую вместе с паром или водой теплоту [85].

Петротермадьные источники аккумулируют энергию сухих скальных по­род, которые залегают на глубинах, превышающих 3 км. В такой зоне бурят скважину и закачивают в нее под большим давлением 50-80 МПа воду. По­степенно вода разрушает гранит но-гнейсовый массив и создает зону гидро­разрыва с развитой системой трещин. Со временем происходит дополнитель­ное увеличение трещин из-за термического разрушения породы, соприкасающейся с холодной водой. Создание подземной циркуляционной системы завершается с бурением второй скважины. Закачиваемая в подзем­ный теплообменЕшк вода нагревается до температуры породы и по второй скважине подается на поверхность к потребителям (рис. 4.3) [86].

Основными регионами повышенной геотермальной активности являют^ границы материков (рис. 4.4).