И экологические риски геотермальной энергетики

Величина температур в недрах систем Камчатки и зарубежных геотер­мальных месторождений варьирует в значительных пределах, что объяс­няется различием их геологического строения. Анализ геологического строения современных гидротермальных систем мира позволил устано­вить геоструктурные элементы, оказывающие существенное влияние на процесс их формирования. К ним относятся коллекторские свойства во­довмещающих пород, характер водоупорных горизонтов и морфология их подошвы. Особенно велика роль верхнего водоупора в становлении высокотемпературного режима в недрах гидротермальных систем (Белоусов, 1967а, б). Горизонты плотных слабопроницаемых пород в период формирования, т.е. нагревания водоносных горизонтов эндоген­ным теплоносителем до наступления теплового равновесия в гидротермальной системе, играют роль теплоизолятора. В период же деятельности гидротермальной системы, когда процесс теплообмена приближается к стационарному, верхний водоупорной горизонт регулирует поступление метеорных вод в недра гидротермальной системы, тем самым, создавая условия для поддержания высоких температур. В тех случаях, когда коллекторские свойства водовмещающих пород характеризуются высо­кими коэффициентами проницаемости, а тектонические условия способст­вуют интенсивному водообмену, формируются системы относительно низкотемпературных вод.

Взаимосвязь холодных и термальных вод, по крайней мере в верхних частях гидрогеологических структур, доказана результатами разведочно­го и эксплуатационного бурения, проводившегося в геотермальных райо­нах. Особенно четко гидравлическая связь холодных (напорных и грун­товых) вод с высокотермальными водами выявлена в гидротермальных системах с поровой и порово-трещинной циркуляцией вод. Пластовое дав­ление в гидротермальной системе определяется пластовым давлением, существующим в гидрогеологической структуре, в рамках которой она возникает. Пьезометрические уровни термальных вод согласуются с по­ложением статистических уровней холодных напорных вод, изменяющих­ся по площади в соответствии с геоморфологической обстановкой. Абсо­лютные отметки пьезометрических уровней закономерно снижаются от возвышенных участков рельефа к долинам рек, озерам или морским бе­регам. Мощные очаги разгрузки обычных холодных вод приурочены к этим отрицательным формам рельефа. Например, разгрузка паужетских гидротерм осуществляется в долине р. Паужетки, а гидротермы Семячикской системы разгружаются вдоль берега океана. Следует отметить, что положение пьезометрической поверхности определяется не только плас­товым давлением, но и температурой, сказывающейся в уменьшении объемного веса нагретой воды, благодаря чему возможна за счет увели­чения разуплотненного столба воды разгрузка термальных вод на более высоких отметках. Новозеландские исследователи ввели в связи с этим понятие о термоартезианском давлении.

Высокая температура увеличивает скорость фильтрации за счет пони­жения вязкости, вследствие чего слабопроницаемые породы для них оказываются коллекторами, а для холодных вод — относительными во-доупорами. Особенно ярко влияние высокой температуры на движение гидротерм выражено в очагах разгрузки систем, на что обратил внимание В.В. Аверьев (1961). Разгрузка гидротерм интенсифицируется повышени­ем статистического уровня из-за термоартезианского напора. Там, где пьезометрические уровни располагаются ниже поверхности, разгрузка гидротерм осуществляется за счет пароотделения. Возможность вски­пания воды определяется конкретной геолого-гидрогеологической обста­новкой на участках термальных полей и прежде всего высокой темпера­турой в недрах гидротермальных систем и величиной гидростатического давления. Вскипание воды при снижении гидростатического давления в области разгрузки, кроме того, приводит к самопроизвольной откачке воды паром, когда тепловая энергия гидротерм вследствие расширения пара частично преобразуется в механическую энергию поднимающейся пароводяной смеси в канале источника или вскрывшей их скважины.

Относительная высокая динамичность гидротерм, которые не изолиро­ваны от окружающих холодных вод, способствует интенсификации водообмена в единой гидрогеологической структуре. Восходящее движение или движение нагретых водных масс в субгоризонтальном потоке в приповерхностных условиях обусловливает более глубокое проникновение инфильтрационных холодных вод к основанию гидротермальных систем из-за различия в плотностях холодных и горячих вод. Таким образом, на участках гидротермальных систем циркуляция вод отвечает условиям свободной конвекции, а возникшие в их верхних частях ограниченные напорные потоки гидротерм усиливают перемещение тепла в ее недрах.

Вскипание гидротерм в приповерхностных условиях является при­чиной того, что разгрузка гидротерм проявляется в различных формах. В гидротермальных системах, в верхних частях которых имеется относи­тельно проницаемый пласт, вмещающий перегретые (по отношению к атмосферному давлению) воды и перекрывающийся водоупором (закры­тая система), характер термальной активности определяется в зависи­мости от положения пьезометрического уровня. Если пьезометрическая поверхность находится над поверхностью Земли (обычно область разгруз­ки водонапорной системы), то наблюдаются преимущественно горячие или кипящие источники и гейзеры, паровые струи и участки нагретой ими почвы (Паужетское термальное поле, Долина Гейзеров, Больше-Банное поле и др.). Там, где пьезометрические уровни устанавливаются ниже поверхности, отмечаются только выходы пара в виде отдельных струй или рассредоточенного парения (участки парящей земли). Выходящий пар, как правило, является «вторичным», и его температура соответствует точке насыщения при данном атмосферном давлении. Обычно участки с выходами пара приурочены к возвышенностям микрорельефа. Если пар, выделившийся с верхнего уровня подземных вод, выходит в понижение, заполненное поверхностными водами, то образуются кипящие или грязевые котлы и озерки, от которых непрерывно отделяется пар. Как правило, они характеризуются почти полным отсутствием стока.

В гидротермальных системах, в верхних частях которых развиты плот­ные трещиноватые породы (относительно открытые системы), поверх­ностные термопроявления представляют собой, главным образом, паро­вые струи, горячие и кипящие котлы. Последние часто имеют вид источ­ников, хотя формируются вследствие внедрения парогазовых струй в по­верхностные или грунтовые воды и подобны проявлениям гидротермаль­ных систем закрытого типа на участках низкого положения пьезометри­ческой поверхности.

Масштаб современной гидротермальной деятельности можно оценить по тепловой мощности гидротермальных систем в естественных условиях. Тепловая мощность гидротермальных систем или термальных полей в настоящее время определяется по суммарному выносу тепла источника­ми, паровыми струями или фумаролами, теплоотдачей с участков рассре­доточенных выходов пара («парящая земля»), теплоотдачей с поверхности нагретых пород, кондуктивным потоком на участках термальных полей, теплоотдачей с поверхности теплых озер и кипящих котлов. Методика измерения тепловой мощности наиболее сложных по условиям теплоотда­чи проявлений была разработана В.В. Аверьевым — «Теплоотдача с по­верхности парящей земли», Г. Даусоном и Р. Фишером (Dawson, 1964; Dawson, Fisher 1964). Г.Н. Ковалев описал методы определения выноса тепла специфическими термопроявлениями - термальными озерами - и те­плоотдачи с поверхности нагретой почвы (Ковалев, 1966) .В табл. 1 приве­дены данные по тепловой мощности термальных полей и гидротермальных систем, при определении которых с той или иной степенью точности учтены все ее составляющие, включая скрытую разгрузку высокотермальных вод.

Таблица 1

систем Камчатки

Наибольшую тепловую мощность на Камчатке имеют Кошелевская (75 тыс. ккал/сек) и Семячикская системы (74 тыс. ккал/сек). В этом отношении они сходны с гидротермальными системами Новой Зеландии. В.В. Аверьев (1966) обратил внимание на близость этих цифр по порядку величин к величинам, характеризующим тепловую мощность фумарольной активности отдельных вулканов и определенным пока в диапазоне 4,5 х.10⁵ ккал/сек (вулкан Мутновский) - 0,2^.10⁵ ккал/сек (вулкан Авачинский).

Удельный вынос тепла (отношение тепловой мощности гидротермальных систем к площади их формирования) позволяет сравнить интенсивность гидротермальной деятельности в различных районах. Характерно, что в гидротермальных системах удельный вынос тепла имеет одинаковый порядок и превышает среднепланетарные кондуктивные теплопотери в десятки и даже сотни раз. Некоторое расхождение в величине удельного выноса тепла между отдельными системами объясняется, по-видимому, различным отношением исследователей к ограничению площадей генерации и трудностью их точного оконтуривания. Так, например В.В. Аверьев удельный вынос тепла в гидротермальных системах называл интенсивностью теплового питания и связывал его с площадью, на которой происходят инфильтрация и нагрев атмосферных вод. Эта площадь, как правило, имеет четкие геологические границы и соответствует площади водонапорных систем. Оценив возраст гидротермальной системы, с данными об эволюции геологической структуры подобных районов величиной порядка n^.10⁴ лет, В.В. Аверьев указал, что общий вынос тепла индивидуальными системами за все время их существования должен соответствовать 10¹⁵ - 10¹⁶ ккал.

Химический состав гидротерм Камчатки типичен для вод районов активного вулканизма. Табл. 2 дает представление об их основных гидро - химических типах, встречающихся в каждой из изученных в этом отношении систем. Первый тип представляют собой воды термальных (как правило, кипящих) источников, наиболее близко отражающие глубинный состав растворов, циркулирующих в системах. Ко второму типу относятся воды теплых источников, располагающихся на периферии очагов разгрузки и возникающих вследствие восходящих перегретых вод и последующей конденсации гидротермального пара в приповерхностной частях разреза. К третьему типу относятся естественные конденсаты парогазовых струй, заполняющих бессточные котлы, и, наконец, к четвертому — конденсаты вторичного пара.

Разнообразие химического состава поверхностных проявлений гидротермальной активности связано, во-первых, с дифференциацией химического состава гидротерм в очагах их разгрузки благодаря фазовым переходам при их вскипании (Аверьев, 1961), а во-вторых, с приповерхностными изменениями состава глубинных струй вследствие смешения с грунтовыми водами. Классическим примером поверхностной гидрохимической аномалии, связанной с разгрузкой гидротермальной системы, служит Узонское термальное поле (Пилипенко, 1971). Проявленная здесь концентрическая зональность вод позволяет проследить все стадии химической дифференциации перегретых терм в очаге их разгрузки - от слабощелочных хлоридных натриевых в центре участка разгрузки, через группу смешанных вод разнообразного химического состава к слабокислым сульфатным водам периферийных участков.

Изучение солевого и газового состава вод поверхностных источников и паровых струй позволяет реконструировать первоначальный состав гидротермальных растворов. Такой балансовый расчет был сделан В.В. Аверьевым и В.И. Кононовым (Аверьев и др., 1965) для определения глубинного состава гидротерм Узонской и Гейзерной систем. Оказалось, что на глубине в несколько сот метров, где существование гидротерм возможно лишь в жидкой фазе, резко усиливается роль соединений угле­рода и серы, которые в этих условиях занимают в составе растворов равноправное положение с ионом хлора или выступают на первый план. Для окончательной реконструкции глубинного состава гидротерм необ­ходимо учитывать взаимодействие их с окружающими породами в процессе фильтрации и, в частности, выпадение минеральных новооб­разований.

Таблица 2

Сравнительная характеристика химического состава вод

гидротермальных систем Камчатки

Особая роль верхнего водоупорного горизонта в формировании и де­ятельности субповерхностных гидротермальных систем в современных вулканических областях признается абсолютным большинством исследо­вателей, изучающих геологическое строение этих участков (Facca, Nonani, 1961, 1963, 1967; Неа1у, 1964, 1965; Белоусов, 1967а, 1967,б; Beloussov, 1967; Манухин, Ворожейкина, 1976; Вакин, 1968; Вакин и др., 1976). Эта проблема возникает при геолого-поисковых и геологоразведочных работах на месторождении гидротерм с целью их эксплуатации. Роль экранов в формировании гидротермальных месторождений полезных ископаемых аналогична роли водоупоров в современных субповерхност­ных гидротермальных системах: позволяет использовать полученные нами данные в разработке теории экранов в рудообразующем гидротермальном процессе.

Кроме того, изучение условий теплопередачи в верхних частях гидро­термальных систем, где обязательно присутствует верхний водоупор, по­зволяет определить общие закономерности тепломассопереноса в услови­ях земной коры не только в гидротермальном, но и в вулканическом про­цессе.

Представляется целесообразным рассмотреть этот вопрос в двух ас­пектах: 1) роль верхнего водоупорного горизонта в образовании гидро-термальной системы и 2) роль верхнего водоупорного горизонта в дея­тельности гидротермальной системы.

Роль верхнего водоупорного горизонта в обра­зовании гидротермальной системы удобнее рассматри­вать на идеальных моделях. Геологический разрез такой модели пред­ставим двумя горизонтами: нижним водовмещающим, сложенным поро­дами с хорошими фильтрационными свойствами, и верхним — сложенным плотными породами с низким коэффициентом проницаемости. В водо­носном горизонте находится вода, в которой отсутствует вынужденная конвекция. Эта система подогревается снизу контактным способом или путем привноса высоконагретого водяного пара в нижние части водоносного горизонта. За счет источника тепла создается разность температур между нижней частью модели и верхней. В связи с этим создаются условия для теплопереноса. Теплоперенос в нашем случае осуществляется двумя путями: кондуктивной (молекулярной) теплопроводностью и конвекцией. Так как в условии модели предусмотрен застойный режим воды в водовмещающем горизонте, конвекция будет осуществляться лишь под действием разности плотностей воды при разных температурах: за счёт архимедовой силы более нагретые порции воды в нижней части водоносного горизонта будут подниматься вверх до тех пор, пока их температура и соответственно плотность не выровняются с вышележащими частями водоносного горизонта. Теплопередача в этом случае будет происходить результате свободной конвекции (рис. 11).

Свободная конвекция и связанный с ней тепломассоперенос осуществляются при малых температурных градиентах, значительно меньших, чем при молекулярной теплопроводности. Это означает, что при тепломассопереносе эквивалентное количество тепла переносится при значительно меньшей разности температур, чем при молекулярной (кондуктивной) теплопроводности. В нашем примере процесс тепломассопереноса, идущий за счет свободной конвекции будет стремиться к выравниванию температур в вертикальном разрезе, в связи с

Рис. 11. Схема распределения температур и тепловых потоков в водовмещающем водоупорном горизонте при образовании высокотемпературной гидротермальной системы. Составил В.И. Белоусов.

Стадии теплового равновесия: а - неустановившегося; б - установившегося 1 - верхний водоупор, 2 - водовмещающий горизонт; 3 - направление циркуляции гидротерм; 4 - аномальный тепловой поток; 5 - изотермы; 6 - грани фазового перехода (параобразование). t₂ -температура гидротерм в глубоких недрах гидротермальной системы; t₁ - температура у нижней границы водоупора; t-температура у верхней границы водоупора; q - глубинный тепловой поток; q₁ тепловой поток в водоносном горизонте; q₂ - тепловой поток а водоупорном горизонте
чем, доля теплопереноса за счет молекулярной теплопроводности будет сводиться к минимуму (рис. 11, 6). Однако в верхнем водоупоре соотношение долей этих способов теплопередачи будет обратное. Из усло­вий модели следует, что породы водоупорного горизонта отличаются крайне низкой пористостью и малыми коэффициентами проницаемости. Все это позволяет считать, что свободная конвекция, возникающая за счет градиента температур на границах слоя, невозможна и превалирует мо­лекулярная теплопроводность. В связи с этим в нашей модели создается ситуация, когда при малых температурах поступает достаточно большое количество нагретой воды и все тепло, переданное нижней кромке водо­упорного горизонта, не может быть передано дальше вверх по разрезу, так как в дальнейшем это количество должно двигаться при большом пе­репаде температур. В модели можно предусмотреть дополнительное усло­вие, при котором температура над верхней границей водоупорного го­ризонта постоянна. В реальных случаях она может соответствовать сред­несуточным или среднегодовым значениям температуры воздуха в данном районе.

Для того чтобы обеспечить передачу всего тепла, поступающего из глу­бин через водоупорный горизонт, необходимо поднять температуру у ниж­ней кромки водоупорного горизонта до значений, когда количество тепла, идущего снизу, будет эквивалентно теплопотерям от верхней границы водоупорного горизонта. В реальных гидротермальных системах это равновесие наступает значительно раньше в связи с тем, что мощность верхнего водоупора имеет ограниченные размеры и может изменяться по простиранию.

В тех местах, где мощность водоупорного горизонта наименьшая и он не разбит системой трещин, создаются условия наибольшей концент­рации тепла, так как наиболее нагретые порции воды стремятся занять наиболее верхнее положение в водоносном горизонте (см. рис. 12). В этих случаях давление столба породы (литостатическое давление) над водовмещающим горизонтом в какой-то момент будет недостаточным, т.е. будет меньше давления насыщения воды при данной температуре. В этих случаях должно произойти вскипание гидротерм. Часть гидротерм в этом месте перейдет в пар, который стремится подняться вверх через водоупорный горизонт по трещинам, унося с собой избыточное тепло к поверхности Земли, где проявится или в виде паровых струй, или термопроявлений конденсатного типа.


Рис. 12 Схематический геолого-гидрогеологический разрез гидротермальной системы Паужетско- Вайракейского типа. Составил В.В. Аверьев

1 - водоупорные горизонты; 2 - водовмещающий горизонт; 3 -экструзия риодацитов; 4 - аномальный тепловой поток; 5 - инфильтрация метеорных вод; 6- циркуляция гидротерм; 7 - выходы гидротерм в очаге разгрузки; 8 - выходы паровых струй; 9 - разрывные нарушения

Существенную роль при этом также играет состояние коллекторов. Ведущим качеством структуры водовмещающих горизонтов должно быть

обеспечение замедленной циркуляции воды в их недрах. В рассмот­ренных примерах геологических структур гидротермальных систем эта достигается слабой пористостью и проницаемостью водоносных горизонтов. В гидротермальных системах Паужетского типа возможно формиро­вание высокотемпературных гидротермальных систем типа артезианско­го склона, где господствует вынужденная конвекция, обусловленная пе­репадом напорных уровней в области питания и в области разгрузки (см. рис. 12).

В случаях коллекторов с хорошими фильтрационными свойствами за­медленная циркуляция обеспечивается структурой типа артезианского бассейна, когда открытая разгрузка гидротерм практически отсутствует (рис. 13).

Рис. 13. Схематический геолого-гидрогеотермический разрез гидротермальных сис­тем типа Лардерелло. Составил В.И. Белоусов

1 - верхний водоупор; 2 - водовмещающий комплекс пород, представленный кавернозными трещиноватыми известняками; 3 - нижний водоупор, гидротермально измененные терригенные осадочные породы; 4 - аномальный тепловой поток; 5, 6 - инфильтрация метеорных вод; 7 - направление циркуляции гидротерм в нед­рах гидротермальной системы; 8- разрывные нарушения, формирующие поровые ловушки (очаги разгрузки); 9, 10- уровни образования пара в поровых ловуш­ках и поверхностная разгрузка гидротерм; 11-предполагаемое распределение тем­ператур в недрах гидротермальной системы

Этап образования субповерхностной гидротермальной системы, обусловленной первичной структурой данного участка, заканчивается в период установления теплового равновесия, когда количество тепла, поступа­ющего к корням гидротермальной системы, уравнивается с тепловыми потерями у земной поверхности. После этого наступает второй этап в жизни гидротермальных систем.

Таким образом, создаются условия для обратного воздействия водоупора на термодинамическое состояние гидротерм в нижележащем водовмещающем горизонте. Это позволяет сделать вывод о том, что процессе достигнутого теплового равновесия в первичной структуре не завершается и создаются условия для прогревания данной системы. Процесс прогревания, по-видимому, не повсеместный, а локализуется вблизи очагов разгрузки, где возможно нарушение химического равновесия в гидротермах и выпадение минеральных новообразований с улучшением водоупорных и соответственно теплоизолирующих свойств водоупорного горизонта. Повышение температуры в недрах гидротермальных систем носит местный характер.

На Паратунской гидротермальной системе, как это известно из описаний ее геологического строения, на участке выхода Среднепаратунских термальных источников под чехлом рыхлых и слабоуплотненных пород четвертичного возраста водовмещающая толща образует куполообразно поднятие. Основная разгрузка наиболее высокотемпературных гидротерм этой системы приурочена к этому поднятию. Замеры температур в скважинах показали, что на границе водоупора и водовмещающей толще происходит резкий перепад температур. Из описаний геологических разрезов известно, что нижняя часть рыхлых и слабоуплотненных пород четвертичного возраста, которая играет роль относительного водоупора, сцементирована гидротермальным халцедон-цеолитовым цементом. Максимальная мощность сцементированного горизонта располагается в наиболее приподнятой части куполообразного поднятия, где наблюдаете наибольшая разгрузка гидротерм.

Несколько по-иному создаются гидротермальные системы на вулканических массивах, подобных Кошелевскому. Геолого-структурные условия вулканических аппаратов, на первый взгляд, неблагоприятны для создания гидротермальных систем вообще, а для высокотемпературных - в особенности. Как было рассмотрено ранее, для начальной аккумуляции тепла в недрах гидрогеологических систем необходимо существование верхнего водоупора, выполняющего одновременно роль теплоизолятора. Сейчас мы подчеркиваем, что наличие верхнего относительного водоупора обязательно и в низкотемпературных напорных гидротермальных системах, аналогичных Паратунской. При зарождении гидротермальных систем Кошелевского вулканического массива также предполагается наличие верхнего водоупорного горизонта. Изучение литологического строения этих гидротермальных систем показало, что роль верхнего водоупорного горизонта могут играть глинистые прослои, образованные в результате постмагматической деятельности при внедрении магматических образований. Такие глинистые прослои вскрыты скважинами в разрезах Нижнекошелевского термального поля.

Рис. 14. Кратер Мутновского вулкана. Взаимодействие парогидротерм с ледником. Фото А.Л. Самойленко

В свое время, изучая химизм гидротерм Курильской островной дуги, С.С. Сидоров (1967) обратил внимание на тот факт, что внедрение неко­торых экструзий сопровождается изменениями вмещающих пород под действием термальных вод, а другие экструзии таких изменений не про­изводят. Объяснялось это, как правило, степенью газонасыщенности внедрившихся расплавов. С.С. Сидоров обратил внимание, что конденса­ты газов, выделяющиеся из экструзивного расплава, производят гидро­термальные изменения на ограниченной площади. Он предположил, что для формирования больших полей гидротермально измененных пород вокруг экструзии необходим большой объем кислых растворов. Это могло произойти при наличии значительных запасов воды на участке внедрения экструзии. Последние на вулканах или сложных вулканичес­ких постройках часто образуются в их вершинных частях. Здесь воз­можно существование кратерных озер, многолетних снежников и ледни­ков. По нашему мнению, в этих условиях могли образовываться значи­тельные объемы кислых растворов при таянии вод. Талые воды форми­руются в результате таяния ледников или многолетних снежников при их контакте с горячими экструзиями (рис. 14). В таких водах растворя­лись газы, выделявшиеся из экструзии с образованием кислых раство­ров. Они, фильтруясь по трещинам, питали поверхностный грунтовый по­ток, распространявшийся по экструзии и вмещающим ее породам. В ре­зультате взаимодействия кислых растворов с породой происходило обра­зование глинистых минералов, опалов и алунитов. Глинистые частицы, как наиболее легкие и поддающиеся механическому разрушению, вымывались грунтовыми и поверхностными водами. Они переотлагались на более низких гипсометрических уровнях у экструзивного купола или на некотором удалении от него.

Образование глинистого прослоя вблизи экструзии могло служить предпосылкой для образования гидротермальной системы (см. ниже рис. 15). После образования высокотемпературного потока гидротерм при подземном кипении его возможно отделение вторичного пара, который, поднимаясь вверх, может охлаждаться и, конденсируясь, образовывать кислые растворы. На уровнях конденсации вторичного пара происходят процессы аргиллизации вмещающих пород и образуется новый верхний водоупорный горизонт.

В основу типизации современных гидротермальных систем положены геолого-структурные факторы. Они определяют локализацию гидротерм, температурный режим и условия разгрузки. При обобщении данных по гидротермальным системам учитывались зарубежные исследования.

Большинство известных высокотемпературных гидротермальных сис­тем в областях современного вулканизма: Вайракей (Новая Зеландия), Оникобе, Мацукава (Япония), Паужетская, Долина Гейзеров, Узон (Камчатка) — характеризуются таким строением.

В районах развития гидротермальных систем данного типа, как прави­ло, отмечается ненарушенное или слабонаклонное залегание вулканогенно-осадочных толщ. Локальные нарушения известны вблизи экструзий, которые рвут водовмещающие и водоупорные толщи. Во многих случа­ях в поднятие вовлекаются большие участки пород, разбитых в припод­нятых частях (вблизи контактов с экструзией) на крупные блоки. Часто бывает, что экструзии обрамляют крупный блок вулканогенно-осадочных пород. Для всех гидротермальных систем этого типа характерны трещинно-поровые условия циркуляции. Наличие водоупорных толщ, перекрывающих обводненные породы, придает им гидрогеологический за­крытый характер и препятствует интенсивному проникновению в недра метеорных вод. В очагах разгрузки пьезометрический уровень находится выше земной поверхности. Благодаря хорошей проницаемости водовмещающих пород создаются условия для бокового (горизонтального) пере­мещения гидротерм в субповерхностных условиях. Это обусловливает значительную протяженность термоаномалии и поверхностных термопро­явлений (десятки квадратных километров).

Паратунский тип. Отличительными чертами гидротермальных систем этого типа являются низкие температуры в их недрах. Водовмещающими породами в подобных системах являются непроницаемые по­роды, которые пересечены относительно изолированными трещинами и зонами дробления. Роль верхнего водоупорного горизонта в паратунском типе гидротермальных систем выполняют рыхлые или слабоуплотненные гляциальные, флювиогляциальные и аллювиальные отложения четвертич­ного возраста (верхний структурный ярус). Эти образования являются лишь относительным водоупором, так как они в свою очередь являются водовмещающими для грунтовых вод. Основная часть тепловой разгрузки осуществляется за счет выходов термальных вод, что обусловлено высо­ким положением пьезометрического уровня. Для систем этого вида харак­терен трещинно-жильный тип циркуляции термальных вод.

Зоны разгрузки, выраженные на поверхности низкотемпературными восходящими источниками (до 100° С), приурочены к крупным разрыв­ным нарушениям или к местам, где подошва пород верхнего структурно­го яруса образует свод (куполовидную структуру). Нижняя часть рыхлых и слабоуплотненных отложений над сводами сцементирована кремнисты­ми и карбонатными минералами, что является реакцией взаимодействия нижнего потока термальных вод и верхнего «холодного» грунтового пото­ка и обусловлена выпадением минералов из растворов при дегазации и перепаде температуры. Мощность горизонта, сцементированного карбонатно-кремнистым цементом, уменьшается от вершины сводовой структуры к периферии. В результате этого процесса поток напорных термальных вод самоизолируется от верхнего «холодного» грунтового потока.

Гидротермальные системы паратунского типа связаны с крупными гео­логическими структурами, линейные размеры которых достигают не­скольких десятков километров. Очаги разгрузки имеют точечный харак­тер, так как зависят от особенностей геологического строения, например наличия верхнего водоупора.

Нами выделена еще одна группа гидротермальных систем, которая ха­рактеризуется высокими тепловыми параметрами термальных вод, подоб­ными тепловым параметрам паужетско-вайракейского типа, но имеющих геологическое строение, подобное паратунскому типу. Наиболее яркими представителями этой группы являются Лардерелло (Италия, провинция Тоскана) и Гейзеры Калифорнии (США). На Камчатке к этому подтипу, по нашему мнению, относится Больше-Банная гидротермальная система.

Такого рода система описана Макниттом в районе Кали­форнийских Гейзеров (McNitt, 1961). Площадь термального поля и учас­тки с поверхностной гидротермальной активностью имеют малые размеры; (первые единицы км²) в отличие от гидротермальных систем, характери­зующихся развитием пород с поровой проницаемостью.

В районе Лардерелло наблюдаются хорошо проницаемые известняки и доломиты, перекрытые на значительной площади водоупорными сланцевыми глинами. Поэтому площади термальных полей, в недрах которых содержатся скопления нагретого пара, достигают 40 км², а площадь всей системы - 150 км².

На примере Больше-Банных термальных источников, расположенных в пределах развития источников паратунского типа, и характеризующихся таким же геологическим строением участка, их проявления можно видеть, что в значительной мере их образование - явление случайное, обусловленное чисто геологическим событием. Перед внедрением экструзивного купола произошло извержение пирокластического потока, который вблизи выхода термальных источников перегородил р. Банную. В результате за­пруды образовалось долинное озеро, в котором сформировался неболь­шой мощности чехол тонкообломочных осадочных пород; в последующем (когда перестало существовать озеро) он сыграл роль верхнего водоупора. В связи с его ограниченным распространением инфильтрационные во­ды попадают в систему и оказывают охлаждающее воздействие, чем и объясняется относительно небольшая их температура.

Водовмещающими горизонтами для гидротермальных систем являются лавово-пирокластические образования, формирующие постройки плей­стоценовых вулканов, которые наследуют структуру и характер изверже­ний от долгоживущих вулканических центров, имеющих длительную пре­дысторию развития. Глубокие недра таких структур характеризуются сложнейшими фациальными переходами лавово-пирокластических толщ и вулканогенно-осадочных пород, часто прорванных субинтрузивными телами. Характерной особенностью плейстоцен-голоценовых вулканов является рассредоточение эруптивных центров андезито-базальтового материала в пределах постройки. Эти центры группируются в линии, субпарал­лельные региональным тектоно-магматическим разломам, по которым проявляется вулканизм ареального типа. На последних этапах развития таких структур происходит внедрение экструзий дацитового состава. Час­то этот процесс совпадает по времени с присутствием в месте внедрения ледников. Это служит главным условием образования опал-алунитовых и опал-каолинитовых пород (рис. 15).

При инфильтрации грунтовых вод на этих участках происходило обра­зование глинистых прослоев или кальматация трещин в верхней части сильно трещинных лавово-пирокластических пород с формированием водоупорного горизонта, который для нижележащих горизонтов сыграл роль верхнего водоупора. Этот геолого-структурный фактор явился и теплоизолятором, создав условия для аккумуляции тепла в недрах гидро­геологической системы вулканической постройки. Наиболее высокие температуры в близ поверхностных условиях обязаны возникновению ес­тественных ловушек — водоупорных горизонтов, образованных в резуль­тате переотложения глинистых минералов.

Рис.15 Схема геологического развития гидротермальных структур Кошелевского типа. Составил В.И. Белоусов
I - предполагаемая геологическая структура до внедрения экструзивного купо­ла; I - схема взаимодействия нагретого экструзивного купола с ледником; III - схема образования высокотемпературных условий в недрах вулканической построй­ки после образования чехла гидротермальных пород; 1 - лавово-пирокластический комплекс пород вулканической постройки; 2 - экструзия кислого состава; 3 - дай­ки базальта; 4 - опал-алунитовые породы; 5 - глины; 6 - аномальный тепловой поток, сопровождающий внедрение экструзивного купола; 7 - уровень подземных вод вулканической постройки; 8 - вероятные температуры гидротерм; 9 - инфиль­трация конденсатных и смешанных кислых вод; 10 - пути миграции паров и газов, образовавшихся при внедрении экструзивного купола и при кипении гидротерм в недрах сформированной гидротермальной системы таких структур происходит внедрение экструзий дацитового состава.
Эти участки аналогичны ловушкам, образованным сводовыми или бло­ковыми тектоническими поднятиями подошвы верхнего водоупора в ра­нее описанных типах геологических структур гидротермальных систем:

Паужетско-Вайракейском, Лардерелло, Паратунском.

В этих ловушках гидротермальных систем Кошелевского типа созда­ются условия для перегрева и подземного вскипания гидротерм с прояв­лением на поверхности Земли над ними паровых струй, парящих и прогре­тых площадок. Часть пара, отделившегося от горизонта термальных вод, конденсируется на глубине в несколько десятков метров с образованием кислых поровых растворов, которые разлагают лавово-пирокластические породы на уровне конденсации до каолинитов. Последние, обладая хоро­шими водоупорными свойствами, увеличивают площадь ловушки.

К Кошелевскому типу геологических структур современных гидро­термальных систем на Камчатке мы относим Северо-Мутновскую, Кипинычскую и вулкан Бурлящий (Большой Семячик).

2.0 Геотермия на Камчатке.

1. 
   Использование геотермальной энергии в народном хозяйстве (Диаграмма Линдела)
   

Потенциальные геотермальные ресурсы в мире огромны, но как было показано Гудмундсоном (Gudmundsson, 1988), имеется ряд ограничений их возможного использования в народном хозяйстве. Эти ограничения могут быть технического, экономического характера или специфики места локализации (удалённости от потребителя). Месторождения геотермальных ресурсов играют важную роль с точки зрения их использования. В случаях геотермальных электростанций реальность их строительства совершенно очевидна; все такие электростанции строятся в местах нахождения геотермальных ресурсов. Однако в случаях непосредственного использования геотермального тепла этот аспект реализации менее ясен. Геотермальные ресурсы, находящиеся в городской среде, наиболее вероятно будут использоваться, в отличие от тех гидротерм, которые удалены на небольшие расстояния. Совместимость геотермальных месторождений и пользователя становится менее важным, когда стоимость энергии влияет на выполнимость проекта.

Прямое использование энергии имеет значительный потенциал в большинстве стран, где есть геотермальные ресурсы. Во-первых, хотя производство электричества технически выполнимо при низких и средних температурах геотермального теплоносителя, имеется экономический предел температуры гидротерм для рационального производства электроэнергии. Во-вторых, низко- и среднетемпературный нагрев за счёт высококалорийных ископаемых топлив, приводит к низким эксплуатационным характеристикам энергетического оборудования. Вовлечение геотермальных ресурсов в систему тепловых потребностей может привести к лучшему использованию энергоресурсов. В-третьих, большая доля необходимых ресурсов во многих странах связана с нагревом низко- и среднетемпературного теплоносителя.

Требуемые средние температуры гидротермального теплоносителя в промышленно развитых странах были оценены Reistad (1975). Верхний предел 250⁰С оценивался для потенциального применения геотермальной энергии. Все виды энерго потребностей в США, рассчитанные от 25⁰С до этого температурного предела, колебались в пределах 50-250⁰С. Было определено, что значительная доля общего количества энергии используется ниже 120⁰С. Расход энергии на нагрев помещений 50-75⁰С температурным теплоносителем составлял 50% от общего расхода тепла ниже 250⁰С. Результаты Рейстада схематически показаны на Рис.16, который иллюстрирует распределение используемого тепла.

Рис.16 Распределение используемой энергии

Диаграмма Линдела подчёркивает два встречно направленных аспекта природы прямого употребления геотермальных ресурсов: а) каскадное и комбинированное употребление предполагает возможность усовершенствования выполняемых геотермальных проектов, б) температура эксплуатируемых гидротерм может ограничить набор возможного вида их потребления. Однако изменение цели существующих тепловых процессов может в некоторых случаях сделать данные гидротермы, пригодные к использованию.

2. 
   Использование геотермальных ресурсов в России
   

В настоящее время экономическая ситуация не способствует развитию геотермальной энергетики. Наличие топливных и транспортных трудностей отягощает проблемы энергетического обеспечения в северных и восточных регионах страны. В особенности ситуация ухудшилась после августовского кризиса 1998 г. на Камчатке, где до настоящего времени геотермальные ресурсы использовались в очень ограниченном масштабе по сравнению с потенциальными возможностями.

Кроме Курило-Камчатского региона, который изобилует современными вулканическими проявлениями и высокотемпературными гидротермальными системами, другие гидрогеологические провинции России также содержат значительные геотермальные ресурсы. Среди них следующие: 1)Кавказский сегмент альпийского тектонического пояса, 2) современная Байкальская рифтовая зона, 3) эпигерцинская Скифская плита Предкавказья, 4)Западно-Сибирская плита эпигерцинского возраста (Рис.18) Последние два региона содержат термальные воды (Т=100-200⁰С) в осадочном покрове, тогда как в двух других районах геотермальные ресурсы размещены в водовмещающих комплексах трещиноватых пород. Кроме того, часть геотермальных ресурсов находится в дорифейских образованиях Восточно-Европейской и Сибирской платформ, в палеозойских складчатых поясах Урала, Алтая и Саян, а также в мезозойском вулканическом поясе Чукотка-Катазия. Эти регионы менее перспективны на геотермальные ресурсы; они содержат поровые и трещинные гидротермальные системы с температурами 50-70⁰С на глубине примерно 3 км. Геологическая структура, гидрологические условия и геотермаческие характеристики этих районов описаны более детально в работах Kononov (1992) и Kononov et al.(1995).