Комплексное использование гидротерм Баргузинской долины

Влияние геологического строения на термальные источники

Баргузинская долина находится в Северном Прибайкалье восточнее оз. Байкал и протягивается субпараллельно его северной части на 190-200 км при ширине 13-34 км. С северо-запада она ограничена высоким Баргузинским хребтом, с юго-востока – более низким Икатским, на юго-западе замыкается Шаманским отрогом, а на северо-востоке – соединением Баргузинского, Икат-ского, Северо- и Южно-Муйского хребтов. Впадина входит в бассейн р. Баргузин, берущей начало в пределах северо-западных отрогов Южно-Муйского хребта. Поверхность котловины колеблется в интервале 450-900 м. Территория впадины перекрыта кайнозойскими отложениями. Выходы источников приурочены к бортам долины. Разгрузка происходит в пределах распространения кристаллических массивов и осадочных пород межгорных впадин.

В пределах Байкальской рифтовой зоны наиболее развиты термальные источники. газирующие азотом. Они формируются в тектонических разломах и имеют сульфатный, сульфатно-гидрокарбонатный или гидрокарбонатно-сульфатно-натриевый составы, минерализацию 1,0 - 2,0 г/л, щелочную реакцию с pH от 7,5 до 10,3 и температуру в естественном выходе от 20 до 81 ° С. Отличительной особенностью азотных гидротерм является обогащенность их кремнекислотой. Минеральные источники этих территорий относятся к следующим типам [8].

Горячинский тип азотных сульфатно-натриевых термальных вод. Источники сульфатно-натриевых терм приурочены к массивам изверженных пород (граниты), разгрузка происходит непосредственно из разломов, не перекрытых современными рыхлыми отложениями. Отличительной особенностью гидротерм горячинского типа является преобладание в их составе сульфатов. Гидрокарбонат стоит на втором месте, большая разность в колебании температур (от 20 ° С до 76 ° С), минерализация 0,5-2 г/л и рН 8-9. В газовом составе преобладает азот. Минеральными источниками этого типа являются Гаргинский, Алгинский, Инский, Нечаевский, Давшинский.

Аналоги горячинского типа в других районах земного шара немногочисленны (некоторые термы Камчатки, Тянь-Шаня и Болгарии).

Аллинский (Белокурихинский тип) гидрокарбонатно-сульфатно-натриевых терм . Характеризуется более низкой минерализацией – 0,2-0,6 г/л, широким диапазоном колебаний содержания сульфатов и гидрокарбонатов, рН 7-8. Газы терм по составу также относятся исключительно к азотным. Выходы на поверхность приурочены к рыхлым образованиям различного генезиса, перекрывающим коренные породы. Часто источники расположены вблизи уреза воды рек. В Баргузин-ской впадине к этому типу относятся Аллинский, Змеиный, Толстихинский, Уринский и Больше-реченские источники.

Многочисленные термы аллинского типа встречаются на Кавказе, Памире, Тянь-Шане, Дальнем Востоке, Камчатке, в Болгарии, Корее.

Кульдурский тип фторидно-гидрокарбонатных терм отличается высоким содержанием фтора при низкой минерализации, рН 7-8,5. В составе газов преобладает азот. К этому типу относятся источники Умхэйский, Сеюйский, Кучигерский, Быстринский, Гусихинский, Болотный.

Близкие по составу гидротермы развиты в пределах Восточно-Африканской рифтовой зоны, отдельные источники встречаются на Памире и в Болгарии.

Питателевский тип хлоридно-гидрокарбонатно натриевых терм. Для этого типа характерно повышенное содержание хлора, минерализация до 2 г/л, рН 7-8. К этому типу относится источник Кулиные болота. Воды этого типа широко распространены на Камчатке, Кавказе, Тянь-Шане. Азотные термы с высоким содержанием хлора известны в Японии, Исландии, Новой Зеландии и других районах современной вулканической деятельности.

Территориально источники в пределах долины распределены следующим образом: группа в пределах Баргузинского хребта - Аллинский, Кучигерский, Умхэйский, Большереченский; группа в пределах Икатского хребта - Гусихинский, Инский, Алгинский, Гаргинский, Сеюйский; группа источников на побережье оз. Байкал - Горячинский, Давшинский, Змеиный, Кулиные болота.

Рис.1. Схема геологического строения Баргузинской впадины [11]

Условные обозначения: 1 — рыхлые четвертичные отложения; 2 — свита глин, песков и галечников со стяжениями лимонита; 3 — угленосная свита; 4 — кора выветривания;

5 — протерозойские гранитоиды; 6 — разломы

По западному борту впадины, вдоль Баргузинского хребта, проходит крутопадающий За-падно-Баргузинский разлом, вдоль которого выходят источники Аллинский, Кучигерский. С более пологим Восточно-Баргузинским разломом, проходящим вдоль восточного борта впадины, ограниченного Икатским хребтом, в свою очередь, связаны источники Гусихинский, Алгинский, Ин-ский, Гаргинский и Сеюйский. Источники Кулиные болота, Змеиный, Давшинский и другие связаны с Восточно-Байкальским разломом. Большая глубина заложения этих тектонических нарушений создает благоприятные условия для проникновения инфильтрационных вод в глубокие горизонты земной коры, где они подвергаются метаморфизации (рис. 1). Под воздействием теплового потока происходит нагревание подземных вод, возрастает их минерализация, происходит трансформация их состава — возрастает роль сульфата и натрия, они становятся сульфатно-гидрокарбонатными натриевыми или сульфатными натриевыми.

Глубина формирования высокотемпературных (70-80 ° С) современных гидротерм 1,5-6 км. Температура воды зависит от того, вытекает она непосредственно из трещин в коренных породах, проходит через толщу рыхлых озерно-аллювиальных и болотных отложений или затапливается речными водами. Азотные гидротермы являются термами наиболее глубокого зарождения, на выходе их температура достигает 75-81 ° С. Большинство термальных источников обладают напорами, обеспечивающими их транспортировку на поверхность со значительными дебитами.

Тепловой поток в пределах Баргузинской впадины сопоставим с потоком в Байкальской впадине. Максимальный тепловой поток на рассматриваемой территории находится в северной части Баргузинской впадины, в районе Аллинского, Кучигерского, Умхэйского источников [1; 9].

Большое значение на формирование химического состава гидротерм оказывает геологическое строение. Большереченский, Алгинский, Инский источники разгружаются в пределах распространения гранитов протерозоя, источники Кулиные болота, Змеиный — в поле гранито-гнейсов протерозоя, Умхэйский, Кучигерский, Аллинский источники - в поле гранитов и известняков протерозоя, Сеюйский, Давшинский, Гусихинский, Гаргинский источники - в поле распространения палеозойских гранитов. Из приведенного геологического строения можно заключить, что формирование химического состава гидротерм происходит в основном в пределах интрузивных пород, достаточно однообразных по химическому облику. Аллинский, Гаргинский источники выходят непосредственно из разломов в кристаллических породах; Давшинский, Горячинский, Гусихинский проходят через толщу аллювиальных или элювиально-делювиальных образований; Кучигер-ский, Кулиные болота разгружаются в озерно-аллювиальные образования , Алгинский - в юрско-меловые отложения [3]. Условия разгрузки указывают на возможность разбавления трещинножильных вод в некоторых местах близповерхностными водами.

Бальнеологическое и рекреационное значение

По степени использования в рекреационных и лечебных целях источники можно разделить на 3 группы:

• 1)    активно используемые приезжими и местным населением (Аллинский, Змеиный, Кучигерский, Умхэйский);

• 2)    среднеиспользуемые - используемые только местным населением (Инский, Уринский, Гусихинский, Сеюйский, Быстринский, Гаргинский, Давшинский);

• 3)    мало используемые и практически неиспользуемые (Алгинский, Нечаевский, Толстихин-ский, Болотный, Кулиные болота, Большереченские ключи). Источники расположены на значительном удалении от населенных пунктов, в местах малозатронутых антропогенным влиянием.

Степень использования связана в первую очередь с их доступностью для посетителей, а не с эффективностью лечения. Основную роль здесь играет отсутствие или наличие (и состояние) дорог, благоустроенность источников. За исключением Аллинского, Умхэйсого, Гусихинского и Ку-чигерского, дороги на остальные источники плохие или практически отсутствуют. Что касается благоустроенности, то на Умхэйском, Аллинском и Кучигерском построены жилые помещения и ванные корпуса; на других источниках построены деревянные срубы над источниками, жилье отсутствует или представлено несколькими домиками; на некоторых (Алгинский, Кулиные болота) каптажные строения полностью отсутствуют. Количество посетителей изменяется в зависимости от времени года, зимой большинство источников практически не используется. Величина дебита источников (за исключением Алгинского) позволяет усилить интенсивность их использования. Источники часто имеют несколько грифонов, приуроченных к одной общей или нескольким воронкам, расположенных на близком расстоянии друг от друга .

Таблица 1

Использование источников для лечения заболеваний [2]

Источник	Тип воды	Болезни, которые лечат
Гаргинский	Горячинский сульфатно-натриевый	ОДА. НС. ГБ. ОД. ЖКТ. КБ
Алгинский	Горячинский сульфатно-натриевый	ЖКТ
Инский	Горячинский сульфатно-натриевый	ОДА, ЖКТ
Давшинский	Горячинский сульфатно-натриевый	ОДА, ЖКТ
Аллинский	Аллинский гидрокарбонатно-сульфатный	ОДА. КБ. ЖКТ. ГБ
Большереченские ключи	Аллинский гидрокарбонатно-сульфатный	ОДА
Змеиный	Аллинский гидрокарбонатно-сульфатный	ОДА
Гусихинский	Кульдурский фторидно-сульфатный-гидрокарбонатный	ОДА. НС. КБ
Кучигерский	Кульдурский фторидно-сульфатный-гидрокарбонатный	ОДА. ЖКТ.ГЗ.
Сеюйский	Кульдурский фторидно-сульфатный-гидрокарбонатный	ЖКТ.ГЗ
Умхэйский	Кульдурский фторидно-сульфатный-гидрокарбонатный	ЖКТ.ГЗ
Кулиные болота	Питателевский хлоридно-гидрокарбонатно натриевый	Не используется

Примечание. ОДА - опорно-двигательный аппарат; ГБ — гинекологические болезни; НС - нервная система; ОД - органы дыхания; ЖКТ - желудочно-кишечный тракт; КБ - кожные болезни; ГЗ - глазные заболевания.

По степени эксплуатации выделяются источники с хорошо развитым курортным комплексом и относительно регулярным медицинским обслуживанием (здравницы, водолечебницы); так называемые «дикие курорты», отличающиеся нерегулярным медицинским контролем; бесконтрольно используемые источники, без медицинского обслуживания.

Минеральная вода на благоустроенных лечебницах применяется в виде минеральных ванн различной температуры, бассейновых купаний, общих и местных орошений и ингаляций, принятия внутрь, на большинстве же источниках – в виде ванн и питья.

Основными бальнеологическими факторами термальных вод служат высокая температура и наличие «специфических» макро- и микроэлементов.

Под действием тепла локально прогретых горных пород подземные воды приобретают повышенную температуру. С повышением температуры увеличивается минерализация, растет концентрация натрия, кремнекислоты, фтора, сульфат-иона, хлор-иона, которые являются физиологически активными веществами. Таким образом, температура – один из основных факторов, влияющих на химический состав и бальнеологические свойства вод. Лечебное значение кремнистых терм кроме высокотемпературного фактора определяется высоким содержанием кремнекислоты и повышенной щелочностью. Щелочная среда способствует набуханию коллоидов кожи и смылива-нию кожного сала, что благоприятно сказывается на эластичности кожного покрова. Этим объясняется их лечебное действие при кожных заболеваниях. Высоким содержанием кремнекислоты объясняется лечебное действие терм при травматических повреждениях, некоторых заболеваниях желудочно-кишечного тракта и т.д. Существует прямая зависимость между концентрацией в водах SiO 2 и их температурой. Вследствие того что минеральные соли остаются в течение длительного времени в кожных покровах, образуя так называемый «солевой плащ», лечебное действие бальнеологических и грязевых процедур не ограничивается сроком пребывания больного в ванне или сроком самой грязевой процедуры. Это служит одним из условий, обеспечивающих последействие бальнеологических и грязевых факторов. В общем действии минеральных ванн на организм человека сочетается ряд взаимосвязанных факторов. Одни из них имеют ведущее, другие – подчиненное значение.

В Баргузинской долине формируются разнообразные по своему температурному, химическому, микроэлементному составу воды (табл. 2), и их применение возможно для лечения широкого круга заболеваний. Сейчас вода используется в основном при лечении заболеваний опорнодвигательного аппарата, при желудочно-кишечных, гинекологических, кожных заболеваниях, нервной системы и органов дыхания.

Таблица 2

Бальнеологические ценные компоненты источников Баргузинской долины и побережья озера Байкал

Источник	Физические параметры и химические элементы, содержащиеся в повышенных количествах и определяющие бальнеологическую ценность вод
Гусихинский	to,Si,F,Li, Sr, Ba, Cu, Zn, Cd, Pb, W, Mo
Алгинский	Rn, TDS, грязь,Li,Rb,Sr,Al,Ti, TR,Ni,Co,Cr,U
Инский	TDS,Li,Rb,Cs,Sr, Cu,W,Mo,Cr,Mn,U
Гаргинский	to,Rn,Si,TDS,F,Li,Sr,Ba,Cu,Zn,Ni,Co,W,Mo
Сеюйский	to,Si,Rb,Pb,W,Cr,Mn
Аллинский	to,Si,H 2 S,Al,Sc,W,Mo
Кучигерский	to,Si,H 2 S,F,грязь,Al,Ti,TR,Cu,Zn,Mn
Умхейский	to,грязь,Mn

Среди высокотемпературных гидротерм одни насыщены микрокомпонентами (Гаргинский, Гусихинский), другие имеют сравнительно бедный микроэлементный состав (Умхейский), третьи – насыщены сероводородом, метаном (Кучигерский).

Рекреационная емкость источников составляет [2] для Алгинского 200 койко-мест, для Ин-ского – 275, для Умхэйского – 1250, для Сеюйского – 2150, для Кучигерского – 2025, для Гуси-хинского – 625, для Аллинского – 1650. Причем основным является бальнеологический потенциал. Он отражает возможное количество бальнеопроцедур, рассчитанных по современному дебиту минеральных источников, при ежедневном использовании их вод в дневное время (в течение 12 ч). Бальнеогрязевой, туристский и климатолечебный потенциалы играют лишь второстепенную роль.

Кроме бальнеологического и рекреационного источники обладают большим потенциалом в сфере использования их для получения геотермальной энергии.

Перспективы альтернативной энергетики

Геотермальные ресурсы Земли огромны. Объем Земли составляет примерно 1085 млрд. км3, и весь он, за исключением тонкого слоя земной коры, имеет очень высокую температуру. Если учесть еще и теплоемкость пород Земли, то станет ясно, что геотермальная теплота представляет собой, несомненно, самый крупный источник энергии, которым в настоящее время располагает человек. Причем это энергия в чистом виде, так как она уже существует как теплота, и поэтому для ее получения не требуется сжигать топливо или создавать реакторы. Тепло Земли уже сейчас вносит вклад в современную энергетику, но он не соответствует ни экономической и экологической эффективности, ни ресурсам, пригодным для освоения имеющимися техническими средствами. Высокопотенциальное термальное тепло позволяет производить электроэнергию напрямую.

Геотермальная энергия может быть использована двумя основными способами - для выработки электроэнергии и для обогрева домов, учреждений и промышленных предприятии. Применение геотермальных вод не может рассматриваться как полностью экологически чистое потому , что пар часто сопровождается газообразными выбросами , включая сероводород и радон - оба считаются опасными. На геотермальных станциях пар, вращающий турбину, должен быть конденсирован, что требует источника охлаждающей воды, точно так же как этого требуют электростанции на угле или ядерном топливе. В результате сброса как охлаждающей, так и конденсационной горячей воды возможно тепловое загрязнение среды. Кроме того, там, где смесь воды и пара извлекается из земли для электростанций, работающих на влажном паре, и там, где горячая вода извлекается для станций с бинарным циклом, воду необходимо удалять. Эта вода может быть необычно соленой (до 20% соли), и тогда потребуется перекачка ее в океан или нагнетание в землю. Сброс такой воды в реки или озера мог бы уничтожить в них пресноводные формы жизни. В геотермальных водах нередко содержатся также значительные количества сероводорода - газа, опасного в больших концентрациях [4].

В России геотермальные источники расположены экономически невыгодно. Камчатка, Бурятия, Сахалин и Курильские острова отличаются слабой инфраструктурой, высокой сейсмичностью, малонаселенностью, сложным рельефом местности. Общие запасы этого вида энергии в России оцениваются в 2000 МВт. Высокопотенциальное термальное тепло (пароводная смесь свыше 100°С) позволяет производить электроэнергию напрямую.

В настоящее время на Камчатке действуют 3 геотермальные электростанции: Паужетская, Верхне-Мутновская и Мутновская ГеоЭС. Суммарная мощность этих геотермальных электростанций составляет более 70 МВт. Это позволяет на 25% обеспечить потребности региона в электроэнергии и ослабить зависимость от поставок дорогостоящего привозного мазута .

В Сахалинской области на о-ве Кунашир введены первый агрегат мощностью 1,8 МВт Менделеевской ГеоТЭС и геотермальная тепловая станция ГТС-700 мощностью 17 Гкал/ч.

Геотермальная энергия, т.е. теплота недр Земли, уже используется более чем в 40 странах мира, например в Исландии, Турции, России и Новой Зеландии. Лидером по приросту использования геотермальной энергии в теплицах и коммунальных системах теплоснабжения за счет среднетемпературных геотермальных источников стала Турция. В частности, подземным теплом с температурой воды в 40-50 градусов обеспечиваются 11 городов. В столица Исландии г. Рейкьявик с 1943 г. используют геотермальные воды для обогрева домов, учреждений, магазинов и фабрик. Установленная мощность всех исландских геотермальных станций еще в 1988 г. составляла 39 МВт. Треть электроэнергии для Сан-Франциско дают геотермальные станции. Сегодня мощность канадских ГеоТЭС достигла 0.7 млн. кВт. В Польше есть уже 4 геотермальные станции. В Литве г. Клайпеда обеспечивается горячей водой с помощью геотермальной станции.

Зарубежный опыт показывает, что затраты на строительство ГеоЭС сначала получаются больше. Однако поскольку эта энергия бесплатная, предлагаемая нам самой природой и к тому же возобновляемая, отопление в дальнейшем становится дешевле в несколько раз.

С учетом увеличения температуры с глубиной и неизбежных потерь тепла при подъеме воды к поверхности за счет теплоотдачи во вмещающие породы, смешения с холодными подземными и поверхностными водами считается, что в глубоких слоях земной коры Байкальского рифта существуют гидротермы с температурой выше 100-150 ° С [9]. О существовании высокотемпературных гидротерм говорит и факт увеличения температуры воды при землетрясениях.

На основании химического состава вод была рассчитана максимальная температура гидротерм, формирующихся в различных частях Баргузинкого Прибайкалья. Для этого мы воспользовались кремниевым геотермометром [7].

Расчет температур на глубине формирования вод велся на основе данных о содержании Si, Na и K, полученных нами методом ICP-MS и НАА [10]. На рисунке 2 приведены результаты расчетов, значения 1, 2, 3 для высокотемпературных высокодебитных, низкодебитных и низкотемпературных вод соответственно. Рассчитанные значения различаются абсолютными содержаниями, но коррелируют друг с другом. Наиболее реально, на наш взгляд, отражает температурную ситуацию кривая 3 (высокотемпературные-низкодебитные). Все рассчитанные величины температуры значительно выше измеренных значений. Использование геотермометра показало, что наряду с известными высокотемпературными источниками интенсивной температурной проработкой характеризуются и другие источники. Максимальная температура воды в этих источниках по расчетам превышает 80 оС, что согласуется с данными Голубева [5, 6].

—ф— t изм.

—■— t расч.1

▲ t расч.2

t расч.3

Рис. 2. Температура вод источников Баргузинского Прибайкалья, измеренная и рассчитанная по Si-геотермометру

Это вполне совпадает с распределением градиента температурного поля в данном районе. Большие различия между измеренной и рассчитанной по геотермометру температурами установлены для ряда источников. Охлаждение воды в этих источниках связано с разбавлением их холодными растворами в приповерхностных условиях. Их разгрузка происходит в придолинных условиях, где имеются мощные обводненные четвертичные отложения. Максимальные рассчитанные температуры не превышают 120оС.

В целом можно заключить, что термальные воды Баргузинской долины и восточного побережья озера Байкал обладают большими бальнеологическими и рекреационными ресурсами. Источники могут использоваться для лечения широкого круга заболеваний и являются привлекательными объектами для туристов.

Таким образом, на территории Баргузинского Прибайкалья есть множество термальных источников, отвечающих задачам геотермальной энергетики. Источники могут использоваться как для получения энергии, так и для теплоснабжения теплиц и жилых зданий. Освоение этих ресурсов требует относительно небольших капиталовложений, но может привести в дальнейшем к значительной экономии энергоресурсов и удешевлению производимой продукции. Важно, что геотермальные ресурсы – это практически неисчерпаемый и довольно чистый с экологической точки зрения источник энергии. Закономерное повышение цен на органическое топливо и на его транспортировку и соответственно рост отпускных цен на электрическую и тепловую энергию делают применение естественного тепла Земли не только весьма эффективным, но и необходимым. Использование геотермальных ресурсов Баргузинской впадины в хозяйственных целях – проблема многоплановая, требующая множество дополнительных исследований.