Использование геотермических методов исследования недр при поиске и прогнозировании петротермальных источников энергии

Как известно, альтернативными решениями в области энергетики являются способы утилизации энергии Солнца, ветра, гидроэнергетика, биотопливо и тепловая энергия земных недр - геотермальные ресурсы. Тепловая энергия земных недр используют для отопления, различных бытовых нужд и выработки электроэнергии в 25 странах по всему миру, современная история освоения геотермальных ресурсов для выработки электроэнергии длится уже более ста лет.

Геотермальные ресурсы подразделяются на гидротермальные и петротермальные ресурсы. Гидротермальные ресурсы представлены теплоносителями-флюидами - подземными водами, паром и пароводяной смесью. Петротермальные представляют собой тепло, содержащееся в горячих горных породах, так называемое тепло «сухих горных пород».

Основными преимуществами петротермальных источников энергии перед другими источниками энергии является повсеместное распространение, независимость от погодных условий, наименьшая стоимость вырабатываемой электроэнергии [3].

Источники внутреннего тепла Земли.

Температура земных недр увеличивается с глубиной. Внутренними источниками тепловой энергии Земли являются энергия гравитационной дифференциации в неоднородной по плотности мантии и радиоактивный распад (преимущественно изотопов U, Th и K), который происходит во всех оболочках Земли повсеместно (в земной коре, мантии). К поверхности Земли тепло передается посредством кондукции, конвекции.

При поиске наиболее горячих, следовательно, наиболее продуктивных участков недр, необходимо использовать комплекс геотермических исследований. Основными измеряемыми параметрами являются температура пород (градиент температур), теплопроводность, плотность пород, содержание U, Th и K.

Использование геотермических методов.

В качестве примера, рассмотрим геотермические данные, взятые из морских экспедиционных исследований, проведенных в 2007 году на научно-исследовательском судне «Академик Николай Страхов». Исследования проводились в северной части Баренцевоморской (Свальбардской) плиты в районе архипелагов Шпицберген и Земля Франца-Иосифа (рис. 1).

Рис. 1. Исследования в северной части Баренцевоморской плиты 25-го рейса НИС "Академик Николай Страхов". Отмечены станции измерения и значения теплового потока (мВт/м2).

Геотермическая съемка и отбор проб грунта выполнялись к востоку от о-ва Северо-Восточная Земля архипелага Шпицберген. Объектом изучения был желоб Орла (или желоб Стурё), простирающийся от архипелага Короля Карла на юге до начала континентального склона Котловины Нансена на севере.

В желобе и на его продолжении, в пределах континентального склона, было выполнено 20 измерений теплового потока в донных осадках (табл. 1)

Таблица 1.

Результаты измерений теплового потока на полигоне Шпицберген.

№ станции	Широта (с.ш.)	Долгота Глубина моря		q набл (мВт/м2)
		(в.д.)	(м)
2523	80 06,04	29 32,66	330	340
2525	80 06,42	29 33,70	330	338
2526	80 31,77	29 44,37	440	299
2527	80 40,90	29 30,90	430	484
2529	80 41,94	29 08,28	530	462
2530	80 44,56	29 28,63	485	438
2531	80 46,57	29 23,31	465	407
2535	80 27,88	29 25,16	410	327
2537	81 39,74	27 56,07	2330	54
2539	81 10,18	29 09,19	340	474
2541	81 05,38	29 30,96	310	519
2543	81 32,50	29 39,50	1185	118
2544	81 31,90	29 21,00	1010	122
2545	81 32,21	29 03,58	1010	107
2547	81 41,42	28 56,93	2530	53
2548	81 39,08	28 19,94	2250	77
2549	81 39,44	27 45,50	2280	69
2550	81 35,01	27 47,93	1870	89
2551	81 31,40	27 47,89	1400	90
2552	81 26,16	27 49,84	770	326

Тепловой поток на полигоне находится в диапазоне от 300 до 520 мВт/м2, что почти в 10 раз выше уровня фонового теплового потока для Баренцева моря. Аномально высокий тепловой поток характерен для всего желоба Орла. Морфология и полученные для этой структуры геотермические данные показывают, что желоб имеет тектоническую природу. Это, скорее всего, рифт, затрагивающий земную кору на всю ее мощность, и находящийся сейчас в активной фазе развития [8].

Аномально высокий тепловой поток в желобе Орла (Стурё), а также морфология соседних желобов, тектонические структуры на суше (грабены), четвертичный вулканизм и современные термальные проявления на архипелаге Шпицберген, активная современная тектоника являются признаками, отражающими процесс современной деструкции континентальной коры [8].

На полигоне Шпицберген совместно с измерениями общего теплового потока производился отбор проб донных осадков. Образцы проб были проанализированы рентгеноспектральным флуоресцентным методом (на рентгеновском вакуумном спектрометре MagiX-PRO фирмы Philips, Голландия) в лаборатории ГИН РАН.

Были получены концентрации U, Th и K в процентном содержании в донных отложениях Баренцева моря (табл. 2),исходя из которых были определены содержания радионуклидов 238 U, 232 Th в г/т и 40 K в % от общего K. При этом распространенность изотопов в природе принималась следующей: 238 U – 99,2745 % от U общего, 232 Th – 100 % от всего Th и 40 K – 0,0117 % от K.

Таблица 2.

Концентрации U, Th и K в донных отложениях Баренцева моря.

№ станции	Широта (с.ш.)	Долгота (в.д.)	238U, г/т	232 Th, г/т	40 K, %
2523	80 06,04	29 32,66	4,22	13,00	0,00033
2525	80 06,42	29 33,70	4,22	13,00	0,00033
2526	80 31,77	29 44,37	3,81	12,83	0,00034
2527	80 40,90	29 30,90	3,81	12,83	0,00034
2530	80 44,56	29 28,63	3,81	12,83	0,00034
2537	81 39,74	27 56,07	2,98	11,75	0,00030
2541	81 05,38	29 30,96	3,97	11,75	0,00029
2545	81 32,21	29 03,58	3,47	9,75	0,00024
2550	81 35,01	27 47,93	2,98	11,75	0,00030

На основе полученных данных о концентрациях радиоактивных изотопов ²³⁸U, ²³²Th, ⁴⁰K в донных осадках Баренцева моря, были вычислены — поверхностная теплогенерация А_пов и радиогенный тепловой поток q рад в земной коре (табл. 3.):

Апов (мкВт/м3} = р (aU + bTh + с IC), где ρ — плотность породы, кг/м3; a, b, c — теплогенерация изотопа на единицу массы (a = 9,17 · 10-5; b = 2,56 · 10-5; c = 2,97 · 10-5 , Вт/кг) [6].

Для расчета радиогенного теплового потока в земной коре использовалось следующее выражение:

Qpad I (мВт /М )    ^noe i ' ^i

H – мощность i-го слоя, А пов — теплогенерация i-го слоя.

Таблица 3.

Поверхностная теплогенерация А пов и радиогенный тепловой поток q рад .

№ станции	Широта	Долгота	A.. пов	q рад	q набл	q рад	q ред
	(с.ш.)	(в.д.)	(мкВт/м3)	(мВт/м2)	(мВт/м2) (%	от qнабл	(мВт/м2)
2523	80 06,04	29 32,66	1,7	3,9	340	1,1	336
2525	80 06,42	29 33,70	1,7	3,9	338	1,2	334
2526	80 31,77	29 44,37	1,6	4,2	299	1,4	295
2527	80 40,90	29 30,90	1,6	4,3	484	0,9	480
2530	80 44,56	29 28,63	1,6	4,3	438	1,0	434
2537	81 39,74	27 56,07	1,4	4,9	54	9,1	49
2541	81 05,38	29 30,96	1,6	4,6	519	0,9	514
2545	81 32,21	29 03,58	1,4	4,3	107	4,0	103
2550	81 35,01	27 47,93	1,4	4,9	89	5,6	84

Как видно, радиогенный тепловой поток вносит не существенный вклад в наблюденный у поверхности дна (q набл ) тепловой поток — от 1 до 9 %. Значения редуцированного теплового потока (q ред ) характеризуют величину теплового потока, поступающего к подошве земной коры.

Построение геотермических моделей.

Рассчитанные и измеренные данные, а также данные из литературных источников стали основой для построения геотермической модели. При моделировании использовались основные измеренные геофизические параметры (такие как тепловой поток, температура на земной поверхности, теплоемкость, теплопроводность и плотность пород), также была учтена радиогенная поверхностная теплогенерация.

Модель служит для визуального представления измеренных и вычисленных параметров и характеристик, для наиболее полного отображения полученной информации о тепловом режиме и строении земной коры (рис. 2).

Рис. 2. Геотермическая модель земной коры на основе полученных параметров.

Построенная модель показывает распространение высоких температур уже на небольших глубинах. Согласно модели, катагенетические температуры (температуры благоприятные для образования и сохранения месторождений углеводородов) встречаются уже на глубине 200-350 м, изотерма Кюри (температура, при которой горные породы теряют магнитные свойства) - 1200-1250 м, а солидусные температуры (температуры плавления горных пород) от 3100 м.

Выделение и картирование температурных аномалий имеет значение при поиске возможности использования внутреннего тепла Земли для выработки электроэнергии.

Возможность использования тепла «сухих пород».

На глубине до 5-6 км в активных геодинамических провинциях можно встретить массивы с температурой 250-300° С [7]. Утилизация этого тепла возможна при помощи закачки воды во встречающиеся на различных глубинах пористые пласты и зоны естественной трещиноватости. Вода, циркулируя в этих зонах, нагревается и затем, поступает в качестве энергоносителя на поверхность (рис. 3).

Рис. 3. Схема использования тепла «сухих пород» [1].

Основным принципом использования тепла «сухих пород» является использование естественных трещиноватостей и полостей в породах фундамента, или искусственно созданных полостей, с применением метода гидравлического разрыва. При помощи установленной многоскважинной системы, и с помощью насосной системы для регулировки давления воды в системе трещиноватостей и полостей, вода проводится через полости и трещины, где она захватывает тепло. Далее вода поднимается на поверхность, где может быть использована для различных целей (рис. 4). Это могут быть отопительные системы, бассейны, теплицы и т.д. Помимо прямого использования, пар и нагретая вода (пароводяная смесь) может быть использована для выработки электроэнергии.

Рис. 4. Петротермальная циркуляционная система [5].

Экономический аспект.

Инвестиционный банк Credit Suisse сравнил в полном объеме стоимость энергии вырабатываемой и разных источников и оценил геотермальную энергетику, как наименее дорогую. Эти оценки произведены с учетом авансовых капитальных инвестиций, текущих операционных расходов, срока эксплуатации, расходов на топливо, фактической средней выходной мощности. Стоимость за 1 МВт электроэнергии, вырабатываемой геотермальными станциями, составила 36,22 долларов США [3].

Заключение.

Геотермические методы исследования необходимы для анализа геодинамического состояния планеты, изучения истории ее развития и выяснения условий формирования и сохранения месторождений полезных ископаемых и поиска мест, наиболее благоприятных для извлечения геотермальных, и в частности, петротермальных ресурсов.

Среди относительных преимуществ эксплуатации геотермальных ресурсов перед другими видами энергетических ресурсов можно выделить:

низкий риск возникновения экологически опасной ситуации, независимость эксплуатации от времени суток и погодных условий, наименьшие финансовые затраты на эксплуатацию электростанций. К недостаткам относят сложность осуществления надежной разведки, и основную приуроченность к активным геодинамическим зонам планеты, обладающим сравнительно высоким тепловым потоком.

Экспериментальные проекты по добыче петротермальной энергии, осуществляемые в разных странах, имеют перед собой цель разработать наиболее продуктивный вариант использования ресурса, сделать эту отрасль наиболее привлекательной для инвесторов.