Геотермальные электростанции и геотермальные ресурсы

Таблица 18.3. Распределение температуры в коре (Магницкий, 2006).

Основным параметром в терморазведке является теплопроводность, характеризующая способность сред и горных пород передавать тепло. В теории терморазведки доказано, что при температурах до 1000 °С теплопроводность обратно пропорциональна температуре. В связи с этим средняя теплопроводность до глубин около 100 км, где ожидаются такие температуры, должна понижаться по сравнению со средней тепло-

проводностью поверхностных отложений. Но с глубиной возрастает давление и роль лучистого теплообмена, что фактически приводит к росту теплопроводности горных пород с увеличением глубины более 40-50 км. На глубинах свыше 100 км теплопроводность резко возрастает, что объясняется проявлением астеносферной конвекции.

В целом теплопроводность горных пород зависит от минерального состава, структуры, текстуры, плотности, пористости, влажности, температуры. Минеральный состав магматических, метаморфических и осадочных пород не очень влияет на их теплопроводность. Плотность, пористость и давление, под которым находятся горные породы, связаны между собой. При повышении плотности и давления, а значит, понижении пористости теплопроводность пород повышается. С увеличением влажности горных пород их теплопроводность резко увеличивается. Например, изменение влажности с 10 до 50 % может увеличить теплопроводность в 2—4 раза. Повышение температуры снижает теплопроводность кристаллических и сухих осадочных пород и увеличивает у водонасыщенных. В целом влияние различных, иногда взаимно противоположных природных факторов на теплопроводность горных пород весьма сложно и недостаточно изучено. Магматические и метаморфические породы обладают коэффициентом теплопроводности 0,2—0,4 (в среднем 0,3) Вт/(м·град), осадочные — 0,03—0,5 (в среднем 0,125) Вт/(м·град), нефтегазонасыщенные—меньше 0,05 Вт/(м·град).

Теплоемкостью горных пород объясняется их способность поглощать тепловую энергию. Она отличается сравнительным постоянством и возрастает с увеличением водонасыщенности. У магматических и метаморфических пород при обычных температурах теплоемкость изменяется в пределах (0,6—0,9)·103 Дж/(кг·град), у осадочных—(0,7—1)·103 Дж/(кг·град), у металлических руд — (0,9—1,4)·103 Дж/(кг·град). С ростом

температуры она увеличивается.

Температуропроводность характеризует скорость изменения температур при поглощении или отдаче тепла. У различных горных пород она изменяется в пределах (4—10)·10-7 м2/с.

Тепловая инерция пород [Дж/(м2 ·с1/2·К), где К — градусы Кельвина] является одной из обобщенных тепловых характеристик земной поверхности. Она используется при тепловых аэрокосмических съемках и характеризует суточный ход температур над разными ландшафтами и горными породами. Породы со слабой тепловой инерцией (сухие почвы и пески) характеризуются низкими ее значения Q<500 Дж/(м2с1/2·К) и

большим колебанием суточных температур (до 60 °С). Породы и среды с высокой тепловой инерцией (обводненные породы, заболоченные участки) характеризуются значениями Q до 3000 Дж/(м2с1/2·К) и суточным изменением температур до 30 °С. Над акваториями крупных рек, морей и океанов Q > 10 000 Дж/(м2с1/2·К), а суточный ход температур составляет несколько градусов.

Перечисленные тепловые свойства горных пород определяют лабораторными методами. Для этого образцы горных пород помещают в плоские, цилиндрические или сферические датчики, через которые пропускают стационарный или импульсный тепловой поток от источника тепла. Измеряя прошедший поток, градиент температур за время измерений и зная геометрические размеры датчика, можно определить тепловые

свойства пород.

Знание тепловых свойств горных пород необходимо для интерпретации результатов термометрии скважин и донных осадков; при глубинных геотермических исследованиях; выявлении тех или иных полезных ископаемых; проведении тепловых расчетов с целью установления зависимостей тепловых свойств от физических, геологических, водноколлекторских параметров.

         НАПРАВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ ГЕОТЕРМИИ

Современная геотермия подразделяется на ряд сравнительно самостоятельных направлений, отличающихся объектами и методами исследований.

1. Аппаратура и методика  геотермических исследований. Главная  задача в этом направлении - создание  современной надежной и недорогой  аппаратуры для высокоточных  измерений температуры и теплопроводности  горных пород различных горизонтов  литосферы суши, шельфа и глубоководных  частей океанов; установления соответствия  температуры, измеренной в скважинах, с температурой массива, не нарушенной  процессами бурения (вычисление  так называемого равновесного  градиента); сравнение теплопроводности  пород, определяемой в лабораторных  условиях на маленьких образцах, сих теплопроводностью в условиях  естественного залегания; исследование  тепловых свойств горных пород  при высоких Т—Р условиях.

2. Региональная геотермия. Это направление включает изучение  пространственного распределения  геотемпературного поля и теплового потока в различных структурах Земли, а также вариаций этих параметров во времени, по площади и по глубине в связи с климатическими, геоморфологическими, гидрогеологическими, геолого-структурными и другими факторами, т.е. выяснение генезиса аномалий геотермического поля.

3. Физико-математическая  теория интерпретации геотермических  полей. В этом направлении рассматривается теория и даются решения уравнения теплопроводности, позволяющие количественно учесть искажающее влияние тех или иных факторов и установить величину фона и аномалий разного происхождения в конкретных пунктах измерения теплового потока (так называемая теория поправок).

4. Геотермические  методы поисков, разведки и эксплуатации  месторождений полезных ископаемых. Нередко аномалии геотермического поля связаны с месторождениями полезных ископаемых вследствие различия теплопроводности рудных дел и вмещающих пород, конвективного тепломассопереноса над нефтяными и газовыми залежами, выделения дополнительного тепла над окисляющимися месторождениями сульфидов и органики или над урановыми месторождениями и т. п. Поэтому геотермические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых могут успешно применяться в практике геолого-разведочных работ, особенно в комплексе с другими методами. Добавим, что геотермические измерения очень важны для гидрогеологических исследований; эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, в частности, методом движущегося очага пластового горения для повышения нефтеотдачи; разработки глубоких рудников и шахт и во многих других случаях. С успехом данные термокаротажа могут применяться и для корреляции литолого-стратиграфических горизонтов, зон притока вод в скважинах, обнаружения участков протекания физико-химических процессов с положительными или отрицательными тепловыми эффектами реакций и т. д.

5. Геотермия области отрицательных  температур. Это один из основных  методов мерзлотоведения, имеющий  большое практическое значение  для промышленного и гражданского  строительства в мерзлых грунтах  и эксплуатации нефтегазовых  и других месторождений в многолетнемерзлых  горных породах.

6. Планетарная геотермия. В этом направлении выделяется несколько проблем: а) термика Земли и планет земного типа; б) изучение механизмов теплопередачи в глубоких зонах Земли; в) тепловая история Земли при учете кон-дуктивной теплопроводности и при условии конвекции в ядре и мантии Земли; г) происхождение источников глубинного тепла; д) тепловой баланс Земли в настоящее время и в процессе эволюции планеты.

7. Тепловые процессы  в тектоносфере. Как и в п.6, можно рассмотреть несколько основных проблем:

А. Исследование связей теплового потока с возрастом тектономагматиче-ской активности в различных структурах континентов, океанов и переходных зон. Задача такого исследования - выяснение энергетического баланса основных тектонических структур Земли и связей геотермического поля с другими геофизическими полями и геолого-геохимическими процессами в тектоносфере. Тектоносфера - это земная кора, верхняя часть мантии Земли, где происходят процессы, непосредственно обуславливающие вертикальные и горизонтальные неоднородности состава и физических свойств их вещества.

Б. Изучение глубинных температур в тектоносфере на основании геотермических данных. Проблема имеет общее значение для оценки Т-Р условий в литосфере и астеносфере, определяющих состояние и свойства глубинного вещества и физико-химические процессы в этих зонах. В частности, по Т-Р условиям вычисляются мощность и глубины залегания метоморфических фаций, глубины залегания зон фракционного плавления в коре и мантии и изотермы Кюри (потеря породами магнитных свойств) и мощность литосферы, оценивается возможность тех или иных фазовых переходов на разных глубинах, фазовое состояние воды, преобразование органического вещества, скорость физико-химических реакций и многие другие параметры.

8. Динамика тепловых процессов  и изучение движущего механизма  тектонических процессов. Основная  проблема — разработка энергетических  и геодинамических моделей развития  активных зон: геосинклиналей и  областей нетектонической активизации, зон перехода от континента  к океану, континентальных и океанических  рифов, глубинных разломов. Во всех  случаях экспериментальные данные  теплового потока служат исходным  параметром для построения моделей  и важнейшим ограничивающим условием.

9. Энергетика геологических  процессов. Так как все геологические  процессы протекают с выделением  или поглощением тепла, то целесообразно  перечислить только те процессы, энергетику которых необходимо  изучать в первую очередь. Это магматизм, вулканизм и гидротермальная деятельность, с которыми связан конвективный вынос тепла к поверхности Земли; эпейрогенические движения, сопровождающиеся горообразованием и эрозией или прогибанием коры и седиментацией; пликативные и дизъюктивные деформации горных пород; образование шарьяжей, покровов и надвигов, движение по разломам, погружение литосферных плит в зонах субдукции и подъём астеносферы в осевых зонах срединно-океанических хребтов; глубинные фазовые переходы с большими тепловыми эффектами, например, метаморфизм или переходы типа габб-ро-эклогит, оливин-шпинель, кварц-стишовит, оливин-серпентин и др. Отметим, что пункты 7, 8 и 9 тесно взаимосвязаны.

10. Практическое использование  глубинного тепла Земли (ГТЗ). С

Региональные термические исследования

Сущность региональных термических исследований сводится к высокоточному (погрешность не более 0,01 С) неоднократному измерению температур или их приращений в глубоких скважинах, горных выработках и донных осадках озер, морей и океанов. Чтобы исключить влияние сезонных колебаний температур, замеры на суше ведут на глубинах свыше 50 - 100 м, а на акваториях - на глубине свыше 300 м.

При бурении скважин нарушается температурное равновесие, которое зависит от времени и способа бурения, условий циркуляции промывочной жидкости или продуваемого воздуха во время бурения. В среднем время восстановления температуры до первоначальных значений превышает 10-кратное время бурения скважины. Поэтому термические измерения проводят после установления температур, т.е. через несколько месяцев после бурения глубоких скважин и через несколько дней или часов после бурения скважин или шпуров в горных выработках.

Графики и карты температур (или градиентов температур) используют для расчетов геотермических градиентов, тепловых потоков. Тепловой поток рассчитывают по известному геотермическому градиенту и теплопроводности горных пород, определяемой на образцах горных пород и донных осадков или с помощью специальных термометров (см. 14.1).

В результате многолетних тепловых съемок Земли накоплены некоторые сведения об особенностях теплового поля Земли. Геотермическая ступень (величина, обратная геотермическому градиенту) составляет на кристаллических щитах около 100 м/град, на платформах - около 30 м/град, в складчатых областях - 10 - 20 м/град, в областях новейшего вулканизма - 5 - 20 м/град. Минимальные тепловые потоки (0,02 - 0,04 Вт/м2 ) наблюдаются на платформах и особенно на докембрийских щитах, в глубоководных впадинах, максимальные - на срединно-океанических хребтах, в рифтовых зонах и участках современного вулканизма (0,2 - 0,4 Вт/м2 ). Тепловой поток увеличивается в направлении от древних к молодым областям складчатости, а в каждой из них наблюдается возрастание потоков от предгорных прогибов к участкам активного орогенеза. В тектонически активных областях наблюдается резкая дифференциация тепловых потоков, например, возрастание втрое от краевых прогибов к областям кайнозойской складчатости. Несмотря на существующее примерное равенство тепловых потоков в океанических и континентальных областях, а также в регионах разновозрастной складчатости, их различия связывают с существованием не только вертикальных, но и горизонтальных градиентов температур.

Изменения температур в структурных и разведочных (на нефть и газ) скважинах позволяют рассчитать геотермические градиенты и их изменения с глубиной и по площади. На рис. 5.1 приведен пример распределения температур по некоторым скважинам (по данным Е.А.Любимовой). В породах Украинского щита геотермический градиент очень мал: 0,010 - 0,015 С/м, а в Ставропольском крае высок - 0,032 - 0,067 С/м. По нефтяным скважинам Краснодарского края геотермический градиент имеет промежуточные значения - 0,020 - 0,046 С/м.