Джерела геотермального тепла

Під геотермікою (від грецьких слів «гео» - земля й «термо» - тепло) розуміється наука, що вивчає тепловий стан земної кори й Землі в цілому, його залежність від геологічної будови, складу гірських порід, магматичних процесів і цілого ряду інших факторів.

Критерієм теплового стану земної кулі є поверхневий градієнт температури, що дозволяє судити про втрати тепла Землі. Екстраполюючи градієнт на більші глибини, можна в якомусь ступені оцінити температурний стан земної кори.

Величина, що відповідає заглибленню в метрах, при якому температура підвищується на 1° С, називається геотермічною сходинкою.

У зв'язку зі зміною інтенсивності сонячного випромінювання тепловий режим перших 1,5-40 м земної кори характеризується добовими й річними коливаннями. Далі мають місце багаторічні й вікові коливання температури, які із глибиною поступово загасають. На будь-якій глибині температура гірських порід (T) приблизно може бути визначена по формулі

T = tв+(H+h)/σ,

де tв - середня температура повітря даної місцевості; H - глибина, для якої визначається температура; h - глибина шару постійних річних температур; σ - геотермічна сходинка.

Середня величина геотермічної сходинки дорівнює 33 м, і з заглибленням від зони постійної температури на кожні 33 м температура підвищується на 1 °С. Геотермічні умови надзвичайно різноманітні. Це пов'язане з геологічною будовою того або іншого району Землі. Відомі випадки, коли збільшення температури на 1° С відбувається при заглибленні на 2-3 м.

Ці аномалії зазвичай перебувають в областях сучасного вулканізму. На глибині 400-600 м у деяких районах, наприклад Камчатки, температура доходить до 150-200 °С й більше.

Підземні термальні води (гідротерми)

Рідка вода існує тільки до глибин 10-15 км, нижче при температурі близько 700 °С вода перебуває винятково в газоподібному стані. На глибині 50-60 км при тисках близько 3·10⁴ атм щезає фазова межа, тобто водяний пар має таку саме густину, що і рідка вода.

У будь-якій точці земної поверхні, на певній глибині, що залежить від геотермічних особливостей району, залягають шари гірських порід, що містять термальні води (гідротерми). У зв'язку із цим у земній корі варто виділяти ще одну зону, що має умовну назву «гідротермальна оболонка». Вона простежується повсюдно по всій земній кулі тільки на різній глибині. У районах сучасного вулканізму гідротермальна оболонка іноді виходить на поверхню. Тут можна виявити не тільки гарячі джерела й гейзери, але й парогазові струмені з температурою 180-200° С и вище.

Відповідно до температури теплоносія всі геотермальні джерела підрозділяють на епітермальні, мезотермальні й гіпотермальні.

До епітермальних джерел зазвичай відносять джерела гарячої води з температурою 50-90 °С, розташованих у верхніх шарах осадових порід, куди проникають ґрунтові води. До мезотермальным джерел відносять джерела з температурою води 100-200 °С.

У гіпотермальних джерелах температура у верхніх шарах перевищує 200 °С и практично не залежить від ґрунтових вод.

Походження термальних вод може бути пов'язане з діяльністю теплових джерел, але найчастіше вода, тим або іншим способом потрапляючи в шар породи, робить довгий шлях, поки не приходить у контакт із тепловим потоком або поступово розігрівається, відбираючи тепло в порід. Рідка фаза води й тепло можуть походити з одного джерела лише в тому випадку, якщо таким є магматичний розплав, що остиває. Перегріта вода у вигляді парових струменів виділяється з розплаву разом з газами й легколетючими компонентами, спрямовуючись у верхні, більше холодні горизонти. Уже при температурах 425-375 °С пар може конденсуватися в рідку воду; у ній розчиняється більшість летючих компонентів - так з'являється гідротермальний розчин «ювенільного» (первозданного) типу. Під терміном «ювенільні» геологи мають на увазі води, які ніколи раніше не брали участь у водообороті; такі гідротерми в буквальному значенні слова є первинними, новоствореними. Думають, що подібним чином сформувалася вся поверхнева гідросфера морів і океанів в епоху молодої магматичної активності планети, коли тільки-тільки зароджувалися тверді консолідовані «острови» материкових платформ.

Прямою протилежністю «ювенільних» вод є води інфільтраційного походження. Якщо «ювенільні» води, відокремлюючись від магматичного розплаву, піднімаються до поверхні, то переважний рух інфільтраційних вод - від поверхні вглиб. Джерело вод цього типу являє собою атмосферні опади або взагалі поверхневі водотоки. По поруватому просторі порід або тріщинним зонам ці води проникають (інфільтруються) у більше глибокі 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. При середніх геотермічних умовах для того, щоб інфільтраційні води стали термальними (тобто з температурою більше 37 °С), необхідно їхнє занурення на глибину 800-1000 м.

У геотермальній енергетиці можуть бути використані практично всі види термальних вод: перегріті води - при видобутку електроенергії, прісні термальні води - у комунальному теплозабезпеченні, солонуваті води - у бальнеологічних цілях, розсоли - як промислова сировина.