Происхождение термальных вод

Содержание

Введение..................................................................................................................2

Глава 1. Происхождение термальных вод............................................................3

1.1 Состав термальных вод....................................................................................5

1.2 Вулканический тип термальных вод..............................................................6

Глава 2. Геотермальные ресурсы..........................................................................8

Глава 3.Геотермальная энергетика......................................................................10

Заключение............................................................................................................13

Список использованной литературы...................................................................14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Термальные воды — подземные воды с температурой выше 20° С, нагретые теплом глубинных зон земной коры. 
Их использование в хозяйственных целях может быть довольно разнообразным, что обуславливает важность исследования условий их формирования, географии распространения источников, их хозяйственного значения и как уже существующих, так и возможных экологических проблем, связанных с их использованием.

Целью данной работы является систематизация данных о формировании, пространственном размещении и использовании термальных вод.

При достижении цели были выполнены следующие задачи:

• Изучение литературных источников и ресурсов Интернета, содержащих в себе данные о формировании, географии распространения и использовании термальных вод;
• Проведение системного анализа полученной информации; 
  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Происхождение термальных вод

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, 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 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 среднимигеотермическими показателями и не относится к вулканическим районам или зонам недавнего горообразования.

 

1.1. Состав термальных вод

Минерализация термальных вод, их химический, газовый состав сильно варьируется: от пресных и солоноватых гидрокарбонатных и гидрокарбонатно-сульфатных, кальциевых, натриевых, азотных, углекислых и сероводородных до солёных и рассольных хлоридных, натриевых и кальциево-натриевых, азотно-метановых и метановых, местами сероводородных.[1]

 

1.2. Вулканический  тип термальных вод

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). 
Что касается гейзеров, то они возникают в тех районах, где на глубине в несколько сотен метров происходит быстрое повышение температуры воды до точки кипения. Выводной канал гейзера имеет изгибы, препятствующие выходу на поверхность пара и охлаждению воды путем конвекции. Если в результате формирования пузырьков пара на глубине уровень жидкости в канале поднимется настолько, что произойдет ее излияние на поверхность, то падение давления может привести к вскипанию остальной жидкости, образованию большого объема перегретого пара и выбросу струи воды на большую высоту. Полагают, что большая часть изверженной воды поступает в канал гейзера через трещины с поверхности земли. Однако высокие температуры горных пород указывают на присутствие недавно застывшей или застывающей магмы на небольшой глубине; следовательно, часть воды может быть и магматическогопроисхождения. Щелочные воды гейзеров содержат растворенный кремнезем. У отверстия выводного канала отложения кремнистого туфа (гейзерита) образуют конус высотой несколько метров. 

Гейзеры встречаются в вулканических областях: в Исландии, на Камчатке, в Йеллоустонском национальном парке США, в Новой Зеландии, Японии, Мексике, на островах Сан-Мигуель (Азорский архипелаг) в Антлантике и в других местах. Любопытно, что к числу гейзеров следует отнести периодически фонтанирующие горячие источники в Найсум-Чуйе в Тибете на высоте 4700 м над уровнем моря (!), бьющие на высоту до 20 м, с температурой кипящей воды 84 °С (учитывая низкое давление).

В областях с нормальным геотермическим режимом горячая вода по тектоническим разломам выводится на поверхность с больших глубин, измеряемых часто километрами, и неизбежно несколько охлаждается, проходя этот путь. Поэтому горячие источники с температурой выше 70° вне областей молодого вулканизма встречаются очень редко. Таких высокотемпературных источников на территории Советского Союза, по данным Центрального института курортологии, известно всего несколько групп.

Гейзеры в России занимают малую часть из площади страны, несмотря на многочисленные рельефные территории гор и вулканов. 
В 1941 году в долине реки Гейзерной были обнаружены около 20 крупнейших извергающихся гейзеров и 80 менее приметных. Самый большой гейзер Камчатки — Великан, выбрасывающий струи воды высотой 40 метров и пара высотой несколько сот метров. Сейчас Долина гейзеров — этогеотермальный заповедник на Камчатке. Также существует Малая долина гейзеров.

Долина гейзеров — вулканический каньон шириной всего около двух километров и длиной чуть более четырёх. В июне 2007 года часть долины была засыпана крупным оползнем. Это одно из наиболее крупных гейзерных полей мира и единственное в Евразии. Одно из семи чудес России.

 

Глава 2. Геотермальные ресурсы

Для использования геотермальных ресурсов в России уже пробурено более 3 000 скважин.  Так, на Камчатке на геотермальных полях уже пробурено 365 скважин глубиной от 200 до 2 500 м и израсходовано (еще в советское время) около 300 млн. долл. США. По данным Института вулканологии ДВО РАН, уже выявленные геотермальные ресурсы позволяют полностью обеспечить Камчатку электричеством и теплом более чем на 100 лет. Наряду с высокотемпературным Мутновским месторождением мощностью 300 МВт(э), на юге Камчатки известны значительные запасы геотермальных ресурсов на Кошелевском, Больше Банном, а на севере - на Киреунском месторождениях.  На Чукотке также имеются значительные запасы геотермального тепла (на границе с Камчатской областью), часть из них уже открыта и может активно использоваться для энергообеспечения близлежащих городов и поселков. Курильские острова также богаты запасами тепла Земли, их вполне достаточно для тепло- и электрообеспечения этой территории в течение 100--200 лет. На острове Итуруп обнаружены ресурсы двухфазного геотермального теплоносителя, которых достаточно для удовлетворения энергопо- требностей всего острова. На южном острове Кунашир имеются запасы геотермального тепла, которые уже используются для получения электроэнергии и теплоснабжения г. Южно-Курильска. На Северном Кавказе хорошо изучены геотермальные месторождения с температурой в резервуаре от 70 до 180С,которые находятся на глубине от 300 до 5000 м. Здесь уже в течение длительного 
времени используется геотермальная вода для теплоснабжения и горячего водоснабжения. На Северном Кавказе около 500 тыс. чел. используют геотермальные ресурсы для теплоснабжения в сельском хозяйстве и промышленности. Приморье, Прибайкалье, Западно-Сибирский регион также располагают запасами геотермального тепла, пригодного для широкомасштабного применения в промышленности, сельском хозяйстве и, 
конечно, для теплоснабжения городов и поселков. Сегодня большой интерес представляют геотермальные ресурсы Краснодарского и Ставропольского края, а также Калининградской области, где имеются запасы горячей воды с температурой до 110С. В последние 15-20 лет в России выполнен комплекс фундаментальных исследований в области геотермальной энергетики и создано отечественное геотермальное машиностроение, что позволило произвести энергетическое оборудование для 15 тепловых и электрических станций Камчатки, Курильских островов и Латинской Америки. На Мутновском геотермальном месторождении сегодня успешно работают 5 геотермальных энергоблоков. Мутновская ГеоЭС (Камчатка) - лучшая геотермальная станция в мире по экологическим параметрам и уровню автоматизации.

Сегодня в условиях открытого рынка и мировых цен на нефть, газ и лес, геотермальные тепловые и электрические станции имеют бесспорное преимущество перед традиционными ТЭС, ТЭЦ и котельными по стоимости 1кВт/ч(эл) и 1 Гкал (тепла), с одной стороны, и по снижению выбросов парниковых и других газов в атмосферу (в 700-1000 раз меньше по сравнению с ТЭС при сжигании угля и мазута и в 200-500 раз меньше при сжигании газа). 
 

 

 

 

 

 

 

Глава 3. Геотермальная энергетика

Сегодня повсеместно признано, что геотермальная энергия является одним из наиболеенадежных видов возобновляемой альтернативной энергии в мире. Тепло, которое круглосуточно выделяют земные недра, доступно для людей в любое время года и никак не зависит от ископаемых ресурсов топлива. Получение энергии из термальных источников земли является экологически чистым процессом и не наносит вреда окружающей среде. При этом по оценкам геологоразведочных служб запасы геотермальных источников в 10-12 раз превосходят залежи органического топлива.

Термальные регионы существуют во многих областях мира. Эти зоны обычно расположены в местах наибольшей сейсмической активности там, где происходит подвижка тектонических плит и их разрывы. Поэтому наиболее перспективными в плане развития геотермальной энергетики считаются зоны вулканической активности.

Тепло, получаемое из недр планеты, может использоваться как для обогрева жилых домов и производственных помещений, теплиц непосредственно, так и для производства электрической энергии. В настоящий момент наиболее распространенной является практика прямого использования геотермального тепла из-за технической простоты. Водопровод подсоединяется непосредственно к глубинной скважине, и получаемая вода используется для обогрева жилых домов, теплиц, дорог или сушки одежды. Наиболее распространён этот способ в странах, расположенных в сейсмоактивных зонах, на стыках тектонических плит. К примеру, в Японии, на Камчатке или в Исландии.

Для производства электричества из геотермальной энергии используются геотермальные электростанции. В наши дни разработаны три основные схемы получения электричества из гидротермальных источников: 
 
1. прямая схема, предполагающая использование сухого пара. 
2. непрямая схема, в которой используется водяной пар. 
3. смешанная схема,включающая в себя бинарный цикл. 

Наиболее старыми и проверенными из них являются электростанции, работающие на сухом пару. На них для производства электроэнергии используется пар, поступающий непосредственно из глубинной скважины, который пропускается через турбину. Однако на сегодняшний день наиболее распространенными уже стали электростанции, основанные на непрямом типе производства электроэнергии. Для работы на этих электростанциях используются горячие подземные воды, которые под высоким давлением закачиваются в генераторные установки. Температура используемой воды в них достигает 182 градусов по Цельсию. Основным отличием геотермальных электростанций смешанного типа является то, что вода и пар никогда не соприкасаются непосредственно с турбинами установки.