Использование горячих источников. Термальные воды

ТЕРМАЛЬНЫЕ ВОДЫ (французским Thermal — тёплый, от греч. therme — тепло, жар* а. thermal water; н. Thermalwasser; ф. eaux thermales, eaux thermominerales; и. aguas termales) — подземные воды с температурой 20°С и более. Температура 20°С условно принята за границу между холодными (менее подвижными) и термальными (более подвижными) водами , поскольку при этой температуре вязкость воды, определяющая её подвижность, составляет 1 сПз (1.10 -3 Па.с). Глубина залегания изотермы 20°С в земной коре зависит от климатической зональности: в районах развития многолетнемёрзлых пород — 1500-2000 м, в субтропиках до 100 м, в зоне тропиков изотерма 20°С выходит на поверхность. В пределах каждой зоны наблюдается рост температуры термальных вод с глубиной, который определяется геолого-структурными особенностями района и связанными с этим гидрогеотермическими условиями. Выделяют четыре типа теплового режима термальных вод: низкий с геотермическим градиентом до 1°С/100 м, плотностью теплового потока 30-40 мВт/м 2 ; умеренный — соответственно 1-2°С/100 м, 40-50 мВт/м 2 ; повышенный — 2-3°С/100 м, 50-60 мВт/м 2 ; высокий — более 3°С/100м, свыше 60 мВт/м 2 . Низкий тепловой режим наблюдается в основном на территории древних щитов и древних складчатых систем, умеренный — в пределах древних артезианских платформенных областей, повышенный — в артезианских областях эпипалеозойских плит и связанных с ними межгорных впадин и прогибов, а также в гидрогеологических районах альпийской складчатости , где развиты системы разрывных тектонических нарушений. Высокий тепловой режим связан с участками артезианских бассейнов (разгрузка термальных вод из глубоких частей бассейнов) и гидрогеологическими складчатыми районами, испытавшими интенсивное неотектоническое воздействие. Наиболее чётко термоаномалии выражены в областях современного вулканизма.

Термальные воды составляют большую часть вод подземной гидросферы . Температура вод на нижней границе земной коры может достигать 500-600°С, а в зонах магматических очагов, где преобладают пары воды и продукты её диссоциации, до 1000-1200°С. В артезианских бассейнах молодых плит на глубине 2000-3000 м скважинами вскрываются воды с температурой 70-100°С и более. В районах древних щитов температура на глубине 5-6 км не превышает 60-70°С. В областях неотектонических нарушений (Альпы, Кавказ , Памир, Гималаи и др.) глубокие термальные воды выходят на поверхность в виде горячих источников с температурой до 90-100°С, а в районах современного вулканизма — в виде гейзеров и паровых струй. Скважины глубиной 1000-1500 м, пройденные в зоне разгрузки паровых струй, вскрывают пароводяные смеси и пары с температурой до 200-300°С (Паужетское месторождение на Камчатке, Большие гейзеры в , Уайракей в Новой Зеландии, Лардерелло в Италии и др.).

Химический, газовый состав и минерализация термальных вод разнообразны: от пресных и солоноватых гидрокарбонатных, гидрокарбонатно-сульфатных, гидрокарбонатно-хлоридных, кальциевых, натриевых, азотных, углекислых и сероводородных до солёных и рассольных хлоридных натриевых, кальциево-натриевых, азотно-метановых и метановых, местами сероводородных. Рассольные термальные вод генетически связаны с эвапоритами . Для биохимических процессов, протекающих в зоне термальных вод, характерный температурный порог 50°С — начало свёртывания белка, хотя жизнедеятельность некоторых видов бактерий возможна и при больших температурах. На состав термальных вод оказывают влияние процессы регионального эпигенеза , развивающегося в зоне повышенных и высоких температур, когда происходит перекристаллизация породообразующих минералов и протекают активные реакции обмена между нагретыми водными растворами и породой. Повышение температуры с глубиной приводит к освобождению физически связанной воды , увеличению фильтрационной способности горных пород . С термальными водами связаны процессы минералообразования, формирования месторождений (см. Гидротермальные месторождения).

Термальные вод ыслужат объектом добычи и переработки с целью использования в народном хозяйстве. Классификация термальных вод по температуре зависит от их практического применения. В бальнеологии термальные вод подразделяются на тёплые (субтермальные) — 20-35°С, термальные (горячие) — 35-42°С и очень горячие (гипертермальные) — свыше 42°С. В группе термальных вод для теплоэнергетического использования выделяются воды низкопотенциальные с температурой до 70°С, среднепотенциальные- от 70 до 100°С и высокопотенциальные — свыше 100°С (в т.ч. слабоперегретые — 100-150°С, значительно перегретые — 150-250°С и весьма перегретые — 250-375°С). Значительно и весьма перегретые термальные вод используются в основном для выработки электроэнергии. Термальные воды с температурой 70-150°С широко используются для теплоснабжения жилых и производственных зданий, для плавательных бассейнов, обогрева тепличных комбинатов, в технологических целях. На базе месторождений термальных вод функционируют многих крупные курорты, имеющие мировое значение. К ним относятся Кавказские

Эоценовые отл (Ставрополье) йодные J до 90 мг/л.

К 1 J йод до 70 мг/л, Sr до 700 мг/л.

Термальные воды неогена: самоизлив до 50 л/с.и более, Т 70–95° С.

Прикумск К 2 – пароводяная смесь Т 104,5°С.

К 1 – пароводяная смесь Т 117 ° С.

Широкое исп. терм. вод (Чечня и др)

Особенности гидрогеологических условий бассейна,которые обязательно нужно «обыграть!

1. Наличие в зоне передовой складчатости Кавказа и в краевой зоне бассейна многочисленных молодых тектонических нарушений, связанных с эпохой альпийской складчатости.

2. Установленные многочисленные факты значительной разгрузки по зонам тектонических нарушений глубоких (К, J, возможно более глубокие) флюидов: термальные источники, источники с относительно повышенной минерализацией воды и специфическим составом компонентов, в том числе и микро., особенно широкое распространение СО 2 (район КМВ). Высокие конц. В (до 600 мг/л) как показатель поступления глубинных газо-паровых флюидов.

3. Широкое развитие в Терско-Сунженской зоне и на прилегающих площадях аномально высоких пластовых давлении в палеогеновых и особенно в меловых отложениях, которые наиболее вероятно также связаны с субвертикальной фильтрацией глубоких флюидов. ???

4. Наиболее широкое (практически до побережья Каспия) распространение в отложениях бакинского комплекса подземных вод с низкой (в осн. до 1 г/л, только в узкой прибрежной полосе до 7 г/л) минерализацией, в то время как в вышележащих комплексах хазарских и хвалынских отложений минерализация подземных вод пестрая, в отд. пунктах до 20 г/л и более. Это косвенно свидетельствует о том, что бакинский горизонт в связи с наличием слабопроницаемых глинистых пород в верхней части разреза и в вышележащих отл хазарского и хвалынского возраста залегает в условиях зоны относительно затрудненного водообмена I-го гидрогеологического этажа. В связи с чем взаимодействие с грунтовыми и верхними напорными вод. горизонтами, содержащими частично минерализованные воды континентального засоления относительно затруднено и не сказывается на составе подз. вод бакинского комплекса. Подобная «частичная» инверсия гидрогеохимического разреза весьма характерна для артезианских бассейнов аридной зоны (Сырдарьинский, Амударинский бассейны и др.) То же в Апш. и Акч. с минер. до 5 г/л.

Для подмайкопского этажа центральной части бассейна (для всех водоносных комплексов) характерны две региональные особенности:

Наличие резко выраженных АВПД с напорами подз. вод до 3000-4000 м а. в.(до 2000 и более выше поверхности земли по И. Г. Киссину)

Наличие высоких температур, изменяющихся от 55° на глубинах порядка 500 м. до 170°С и более на гл. 3500 м.

Площадь, Рельеф: Границы. Предкавказская предгорная область-до 1500 м.и более, Терско-Сунженское поднятие–до 500 –750 м., центральная часть бассейна–примерно до 100–250 м. Прикаспий до –28 м.

Дрены: реки Терек, Кума и их немногочисленные притоки.

Осадки, температуры???

Верхний гидрогеологический этаж: четвертичные, неоген-четвертичные и плиоценовые и среднемиоценовые (N 1 2) преимущественно песчано-глинистые отложения мощностью в прогибах Терско-Сунженской зоны и в центральной части бассейна до 3000-3500 м и более и выклиниваются к валу Карпинского и частично в центре поднятий Т-С обл, где непосредст. с поверхности залегают глины майкопа.

Нижним водоуп. 1 этажа являются глины майкопской свиты (Р 3 –N 1 1) мощн. до 1500–2000 м. и более в центр части бассейна. Четверт. отложения, а также Апшеронский и Акчегыльский ярусы.(плиоцен N 2 1-2). Среднемиоценовый???.

Четвертичные отложения представлены покровными, аллювиальными, эоловыми и аллювиально-морскими и морскими в прибрежной части и отложениями нижне четвертич. трансгрессий Каспия (Хвалын. и Хазарс. ярусы

Апшерон и Акчегыл тоже трансг. Каспия.

Характерное строение с наличием конт., приб. морск. и морских фаций осадков. Вероятный выдержанный водоупор–глинистые отложения апшерона («скачки» с минерализацией).

Глубины залегания уровня грунтовых вод изменяются от 50–100 м и более в предгорной зоне, до 10-20 м на Ствропольском поднятии, до 5–10 м и менее в центре басс. и до 1-3 м в прикаспийской части. Уровни напорных вод 1-го этажа на пониженных участках центра бассейна и в прикаспии вплоть до самоизлива.

Питание грунтовых вод и напорных 1-го этажа за счет инф. атм. осадков и перетекания наиболее интенсивное в предгорной зоне, за счет поглощения из рек и оросит. каналов и в центр. и прикасп. части «снизу-вверх». Разгрузка в речную сеть и в центр. а особ. в Прикаспийской части за счет испарения.

Величины питания…….Разгрузка……..

Минерализация грунтов. вод …………. В Прикаспийских степях до 10 -50 и даже до 100 г/л (солончаки) Правильнее говорить, что в центральной части бассейна грунтовые воды имеют «пеструю» минерализацию. В «ближнем» Прикаспии (т. н. черные земли) на участках распространения эоловых песков широко распространены линзы мало минерализованных (до 1,5 г/л) вод, залегающие на соленых грунтовых водах

Напорные самоизливающиеся воды в четвертичных и плиоценовых отложениях являются основой водоснабжения терр. Терско-Кумского бассейна. Производительность скважин при самоизливе в зависимости от состава пород от долей л/с до 30-40 л/с. (в сред? 2 л/с).

Верхний и средний миоцен (N 1 2-3) последний надмайкопский примерно 300 м.

В подмайкопском (П) г/г этаже бассейна выделены водоносные комплексы: палеоцен-эоценовый, верхнемеловой, верхнеюрско-нижнемеловой, среднеюрский и палеозойский, алеврито-глинистые и карбонатные породы. Общей мощностью в центральной части бассейна до 1500–2000 м. и боде. Основные водоупоры: глины верх. и сред. алба (К 1), и глины батского яруса (J 2) верхи ср. юры. (Нефтегазоносный интервал бассейна).

Все эти отложения залегают непосредственно с поверхности на северном склоне Кавказа.С ними связаны многочисленные источники пресных вод с разными дебитами, в том числе с карбонатными породами верх. мела и юры с дебитами до 1000–2000 л/с и более.

Дебиты скважин 0,1–0.5 л/с. Из известняков верх. мелов. комплекса на моноклинальных поднятиях предкавказской зоны и в Дагестане (ю-в) дебиты скв. до 460–800 л/с.

Для подмайкопского этажа бассейна (для всех комплексов) характерны две (региональные) особенности:

–наличие резко выраженных АВПД, с чем связаны иск.высокие расч. напоры подз. вод до 3000–4500 м. а. в.,(до 2000 м. и более выше поверхности земли) в Тер. Сун. области (по И.Г.Киссину).

–наличие высоких температур, изменяющихся от 55 на глубинах порядка 500 м.,.до более 170 °С. на гл. 3500 м

Точки зрения на формирование АВПД. !!!

Минераловодческий выступ

Терма́льные во́ды – подземные воды с температурой 20°С и более. Температура 20°С условно принята за границу между холодными и термальными водами. Термальные воды составляют большую часть вод подземной гидросферы.

Температура подземных вод на нижней границе земной коры может достигать 500–600°С, а в зонах магматических очагов, где преобладают пары воды, – 1000–1200°С. В артезианских бассейнах молодых геологических плит на глубине 2000–3000 м скважинами вскрываются воды с температурой 70–100°С и более, а в районах древних кристаллических щитов температура на глубинах 5–6 км не превышает 60–70°С. Наиболее ярко термальные воды проявляются в районах современной или недавно закончившейся вулканической деятельности, в тектонически активных горно-складчатых областях и в краевых прогибах и межгорных впадинах. В областях неотектонических нарушений (Альпы, Кавказ, Тянь-Шань, Памир, Гималаи и др.) и в глубокие термальные воды выходят на поверхность в виде горячих источников с температурой до 90–100°С, а в районах современного вулканизма – в виде гейзеров и паровых струй. Скважины глубиной 1000–1500 м, пройденные в зоне разгрузки паровых струй, вскрывают пароводяные смеси и пары с температурой до 200–300°С (Паужетское и Мутновское месторождения на Камчатке, Большие гейзеры в США, Уайракей в Новой Зеландии, Лардерелло в Италии и др.).

Глубина залегания термальных подземных вод зависит от климатической зональности и составляет в районах развития многолетнемёрзлых пород 1500–2000 м, в субтропиках – до 100 м; в зоне тропиков эти воды часто выходят на поверхность. В пределах каждой зоны наблюдается рост температуры с глубиной. В среднем для верхней части земной коры температура на 1 км глубины увеличивается на 32,9°С. Однако геотермические градиенты (значение увеличения температуры с глубиной, обычно на 1 км или 100 м глубины) существенно различаются в зависимости от возрастных, тектонических, литологических и гидродинамических особенностей разных регионов. Наименьший – 6°С/км зарегистрирован в области древнего кристаллического щита в Витватерсранде (Южная Африка), максимальные отмечаются в районах современной вулканической деятельности и в рифтовых поясах – до 100–150°С/км. На территориях внутриплатформенных впадин и предгорных прогибов они либо близки к среднепланетарному, либо превышают его, достигая 40–50°С/км.

Выделяют четыре типа теплового режима термальных вод: низкий (термический градиент до 1°С/100 м, 30–40 мВт/м 2), умеренный (1–2°С/100 м, 40–50 мВт/м 2), повышенный (2–3°С/100 м, 50–60 мВт/м 2), высокий (более 3°С/100м, свыше 60 мВт/м 2).

Химический, газовый состав и минерализация термальных вод разнообразны: от пресных до солёных и рассольных хлоридных натриевых, кальциево-натриевых, азотно-метановых и метановых, местами сероводородных вод. В зоне повышенных и высоких температур и давлений происходит перекристаллизация породообразующих минералов и протекают активные реакции обмена между нагретыми водными растворами и породой, что в значительной мере определяет химический состав термальных вод. Повышение температуры с глубиной приводит к освобождению физически связанной воды, увеличению фильтрационной способности горных пород. С термальными водами связаны процессы минералообразования, формирования гидротермальных месторождений полезных ископаемых.

Термальные воды служат объектом добычи и переработки в целях дальнейшего использования для выработки электроэнергии, отопления и горячего водоснабжения ; извлечения химических элементов (промышленные воды), (термоминеральные воды).

Для выработки электроэнергии в настоящее время геотермальные месторождения используются преимущественно в районах активного вулканизма, где вскрываются перегретые термальные воды с температурой более 120–150°С. Эффективность развития геотермальной энергетики заключается в практической неисчерпаемости природного теплоносителя. Геотермические электростанции работают в Италии, США, Японии, Исландии, Мексике, Новой Зеландии. В России первая геотермальная электростанция на Паужетском месторождении (Камчатка) дала электрический ток в 1967 г., в 1999 г. запущена Верхне-Мутновская ГеоЭС, в 2002 г. – Мутновская ГеоЭС-1.

Для отопления и горячего водоснабжения жилых и производственных зданий (в т.ч. теплиц и оранжерей) используют горячие и весьма горячие термальные воды с температурой 50–100°С. Для отопления тепличных хозяйств используется теплоноситель с еще меньшей температурой – 20–60°С. Кроме того, термальные воды используются для других технических нужд (ферментация чая, сушка, пропарка древесины, мойка шерсти), в плавательных бассейнах, для рыборазведения и др. Такие горячие воды в Российской Федерации широко распространены в Западной и Восточной Сибири, на Камчатке, Чукотке, на Северном Кавказе, в Прикаспии, в Крыму. Низко- и среднетемпературные термальные воды для целей отопления широко применяются в Исландии, Венгрии, а также во Франции, в основном в пределах Парижского и Аквитанского артезианских бассейнов в районе Эльзаса.

На современном этапе геотермальная энергетика развивается в направлении использования низкопотенциальных (30–70°С) термальных вод в качестве аккумуляторов энергии.

Высокие содержания в термальных водах множества растворённых микроэлементов позволяют осуществлять их промышленную добычу. Как правило, термальные воды представляют интерес с точки зрения извлечения йода, брома, бора, лития, цезия, рубидия и др. – в этом случае они рассматриваются как промышленные воды .

Лечебный эффект термоминеральных вод обусловливается их газовым и химическим составом. К бальнеологическим соединениям и элементам относятся углекислый газ, радон, сероводород; немалую бальнеологическую роль могут играть растворённые бром, йод, бор, фтор, мышьяк, кремний и их соединения. На базе месторождений термальных вод функционируют многие крупные курорты, имеющие мировое значение. К ним относятся Кавказские Минеральные Воды (Железноводск, Ессентуки, Пятигорск), Цхалтубо, Сочи-Мацеста, Боржоми (Грузия), Виши (Франция), Висбаден и Наухайм (ФРГ), Карлови-Вари (Чехия) и др.

Классификации термальных вод по температуре зависит от направления их практического применения.

По универсальной 9-балльной шкале температур подземных вод выделяются термальные тёплые воды (20–37°С) – 4 балла, горячие (37–50°С) – 5 баллов и весьма горячие (50–100°С) – 6 баллов, умеренно перегретые (100–200°С) – 7 баллов и весьма перегретые (200–375°С) – 8 баллов. Выше температуры 375°С (9 баллов) исключительно перегретые подземные воды рассматриваются как флюиды с существенно отличными от обычных жидкостей свойствами.

Для теплоэнергетического использования выделяются низкопотенциальные воды с температурой до 70°С, среднепотенциальные – от 70 до 100°С и высокопотенциальные – свыше 100°С (в т.ч. слабоперегретые – 100–150°С, значительно перегретые – 150–250°С и весьма перегретые – 250–375°С).

В бальнеологии термальные воды подразделяются на тёплые (субтермальные) – 20–35°С, термальные (горячие) – 35–42°С и очень горячие (гипертермальные) – свыше 42°С.