Текст книги "Месторождения и история"

Изначально (со времен каменного века) выходы горячих вод повсеместно использовались для укрепления здоровья. Первобытный человек наблюдал, какие источники используются животными, и следовал их примеру.

Первый интерес к использованию геотермальной энергии зародился в палеолите, примерно 50 000 лет назад, и затем постепенно развивался в течение продолжительного периода вплоть до неолита, до времени, которое назвали «нулевым годом геотермии» (Cataldi et al., 1992–1993).

Одной из основных зон происхождения этих материалов и продуктов геотермальной энергии была Западная Анатолия, где формировались населенные пункты в неолите (Mellart et al., 1967). Развитию этих поселений, по-видимому, благоприятствовало обилие выше приведенных материалов, а также присутствие серы и киновари, которые использовались в качестве красителей.

Колонизация, морские путешествия и торговля, широко развитые в Средиземноморье, начиная со 2-ой половины 2-го тысячелетия до н. э., привели к открытию многих новых мест, где были проявления энергии недр Земли (Пантеллерия, Эгейский архипелаг, остров Искья и т. д.), а в Италии – Флегрейские поля, термы Западного Лациума и Южной и Центральной Тосканы, где имелись многочисленные горячие источники, фумаролы, парящие и прогретые большие участки земли, гидротермальные минералы и иные продукты деятельности земного тепла. Все эти районы стали важными не только в бальнеологии, но и в разработке рудныхместорождений, где добывались полезные минералы и другие продукты, необходимые для жизнедеятельности людей. Обилие геотермальных проявлений в Италии, кроме того, вызывала формирование новых культов и легенд, обусловленных естественными термопроявлениями. Культы и легенды были частично местного происхождения или зарождались в результате трансформирования верований древних народов, населявших страны Восточного Средиземноморья.

В течение 2–3 столетий этруски достигли высочайшей степени цивилизации во всех видах деятельности, развитой затем во всем Средиземноморье, включая добычу металлических и неметаллических руд. Быстрое развитие цивилизации этрусков связано с наличием на побережье Этрурии многочисленных рудных месторождений (Ag, Cu, Fe, Mn, Pb, Zn и т. д.), эвапоритовых минералов (алебастра, гипса, поваренной соли) и минералов гидротермального происхождения (квасцы, бораты, гидратированный кремнезём, окислы железа, каолин, сера, травертин и т. д.). Эти месторождения были связаны с активными или угасшими термопроявлениями, которыми Этрурия была богата, особенно район, который в настоящее время называется «бороносным» (Лардерелло и его окрестности).

Многие этрусские центры (Популония, Сатурния, Больсена, Тарквиния, Церветерия, Вейо, Кума и т. д.) располагались около термопроявлений, где производилась добыча и изготовление этрусками различных продуктов.

Использование гидротермальных минералов и других продуктов деятельности геотермального тепла особенно расширилось уже в римское время в конце 2-го столетия до н. э., когда римляне смогли развить промышленную и ремесленную деятельность и начать обширные строительные программы (строительство публичных зданий, храмов, монументов, стадионов, вилл) (Burgassi, 1987).

В Италии горячие воды использовали как общественные бани. И горячие воды широко использовались для получения борной кислоты. В течение веков для этого было разработано несколько типов устройств (лагоний).

Рис. 1.10.7. Конструкция римских бань (Burgassi, 1987).

Конструкция бань планировалась таким образом, чтобы тепло использовалось «каскадом». И хотя в термах Рима рассматриваемая схема не использовала земное тепло, тем не менее, она применялась в течение нескольких столетий в различных геотермальных районах Средиземноморья и, в особенности, в районе Байя.

В течение последующих 3–4 столетий эта схема использовалась не только в публичных и частных искусственных банях Рима и всех городов, удаленных от активных термопроявлений, но также в тех местах, где были природные горячая вода или пар. Следовательно, это решительно содействовало быстрому росту использования термальных вод для купаний и внедрению в быт различных социальных классов во всех районах, подвластных Риму, до начала 4 столетия нашей эры. Это подтверждается тем, что в 3-м столетии нашей эры только в Риме было 1000 публичных термоминеральных бань, примерно одна баня на 1000 жителей.

Таким образом, в три первых столетия христианской эры, использование термальных ванн настолько глубоко укоренилось в народных обычаях во всём Средиземноморье, что бани стали местами ежедневных встреч и, соответственно, одним из главных мест гражданской жизни.

Не удивительно, что, завоевывая чужие земли, римляне строили свои военные лагеря близ выходов термальных вод. Известно, что кельтские и даккские центры (Виндобона, Корнутум, Бригетно, Аквинкум, Апулум, Дьерна, Ад Медиам) впоследствии были выбраны римлянами для размещения военных лагерей. Римляне построили и укрепили Виндобону (в настоящее время Вена) около Бадена (Австрия), столицу Верхней Паннонии, центр Легиона и Аквинкум (Будапешт) – столицу Нижней Паннонии. Столица Нижней Паннонии имела термальный комплекс на левом берегу Дуная. Дакия со столицей Улпия Траяна Сармизегетуза имела на своей территории термальные источники Аква (Челан, Хунедора), около Акулума (сегодня Алба Юлия) – центра тринадцатого легиона Гемина – находился термальный комплекс Гермизара (Бэйли Геоджиу). Наиболее важный термальный комплекс в этой части Империи, аква Геркули находился вблизи форта Дробета. Кроме того, Дерна – на левом берегу Дуная, Ад Медиам и Тибисум располагались вдоль имперского пути, следующего в сторону центрального сектора Дакии. Это означает, что план главных дорог учитывал возможность движения через термальные источники, что свидетельствует об их важности.

Во всех странах термальные источники были символом национальных богатств и использовались в зависимости от типа политического устройства. В императорском Китае император и его двор устраивали в горячих источниках торжественные приемы.

Рис. 1.10.8. Разные типы лагоний. (Burgassi, 1987)

Особое развитие получило использование термальных источников в терапевтических целях в Западной Европе. Здесь создавались многочисленные курорты, пользовавшиеся широкой популярностью как места отдыха и лечения и постоянно посещавшиеся многочисленной публикой. Тут-то и родилось общее название этих курортов Спа (от валлонского espa, фонтан). В России визиты в Европу – на теплые воды, стали традиционными среди поместного дворянства по крайней мере со времени царствования Петра Первого, именем которого названо одно из спа.

Рис. 1.10.9. Спа. Слева – Спа Петра Великого, справа – Спа во Фландрии.

Многочисленные проявления термальных вод на территории США детально описаны Лундом (Lund, 1996). Здесь горячие источники стали важной составной частью туристской индустрии. На них построены плавательные бассейны, через которые в год прокатываются десятки (и сотни) тысяч посетителей. Одновременно детально изучены терапевтические свойства вод, что дало возможность специализировать разные источники для лечения разных заболеваний. Использование вод в терапевтических целях нашло широкое применение на Мертвом море в Израиле (см. главу 1.8).

В Японии были приняты специальные постановления о проведении порайонных переписей источников горячих вод. В 713 году императорский двор Японии обязал все провинции Японии составить «Фудоки», или описания природных объектов провинций. Происхождение и описание горячих источников находились в нескольких Фудоки.

На Камчатке использование термальных вод стало возможным после переписи термальных источников, выполненной Б. И. Пийпом (Пийп, 1937).

В суровом климате Исландии многочисленные выходы гидротерм (рис. 1.10.10) служили местами поселения первых обитателей страны, которые основывали свои фермы именно близ горячих источников. Горячие воды давали возможность отопления жилищ, приготовления пищи и стирки. Поэтому естественно, что когда в 1000 году парламент Исландии принял решение об отказе от язычества и принятии христианства, исландцы испугались крещения в холодной воде открытых водоемов и предпочли выходы геотермальных вод, которые и были использованы при крещении всего народа.

Теплые источники и парящие почвы, вероятно, были самыми привлекательными среди природных явлений для первых поселенцев, когда они прибывали в Исландию в 9-м веке нашей эры. Едва ли из поселенцев кто-нибудь видел до этого путешествия горячие источники и активные вулканы. Новизна созерцания горячих источников проявилась во множестве их названий, включая reuk (дым), laud (горячий источник) и hver (кипящий источник), которые вошли в имена собственные, такие как Рейкир, Рейкьявик, Рейкьядалур, Лаугаланд, Даугарватн, Хверавеллир и Хверадалир. Предполагается, что поселенцы подозревали, что горячие источники и паровые струи связаны друг с другом.

Рис. 1.10.10. Карта выходов терм в Исландии (Fridlifsson, 1995)

Олафссон и Пассон (Ólafsson, Pâlsson, 1943), также упоминают, что люди использовали горячую глину из грязевых котлов в Ёлфусе (вероятно, современное геотермальное поле около деревни Хверагерди) для изготовления герметичных деревянных бочек, в которых хранили пищевые продукты. Они также писали о сухих или паровых банях (саунах) в Тингейярсисла на севере Исландии и в Арнессисла на юге острова. Торвалдур Тороддсен, путешествовавший по Исландии в конце ХХ века (1882–1892 гг) упоминает сухие бани в Стурлуррейкер около Сноррис Рейкхолт на западе острова. Он также свидетельствует, что люди отводили горячую воду на поля, где они выращивали картофель и капусту. Здесь имеется первое документальное подтверждение о подогреве почв. С 13 до конца 18 веков существенный интерес представляла добыча серы на геотермальных проявлениях. В 1776–1792 г.г. геотермальные источники использовались для получения соли из морской воды. Таким образом исландцы дали пример полного использования термальных вод для всех возможных типов из применения.

Использование горячих вод для извлечения содержащихся в ней полезных компонентов началось с доисторических времен. Выше уже упоминалось, что в Италии горячие воды с древнеримских времен широко использовались для получения борной кислоты. Сера осаждалась из горячих вод не только исландцами, но и японцами. На фумаролах вулкана Менделеева на острове Кунашир были поставлены бочки, зараставшие серой, после чего сера извлекалась, а бочка заменялась новой. Особое развитие извлечениие рудных компонентов из горячих вод получило в XX веке. Во вступлении к этой главе упоминалось об установках по извлечению магния из вод Мертвого моря и лития из горячих вод Солтон Си в Неваде.

Другой тип использования природных горячих вод – для выращивания овощей и фруктов – получил особое распространение в Японии. Несмотря на теплый в среднем почти субтропический климат страны здесь подавляющее большинство фруктов и овощей для снабжения всего населения страны выращиваются в парниково-тепличных хозяйствах, что позволяет избавиться от климатических капризов. Нельзя не отметить разницу в подходе к снабжению парниковыми овощами в Японии и на Камчатке, где парниково-тепличный комбинат в бассейне реки Паратунки использовался главным образом для снабжения работников обкома партии и вообще областного начальства. В демократической Исландии источники рассматриваются как национальное достояние. В итоге исландцы (все желающие того исландцы) получают бананы, выращенные в местных теплицах. Бананы – это, конечно, роскошь (символ, однако, замечательный!), но свежие овощи и фрукты – предмет первой необходимости в суровом климате страны.

Район Лардерелло в Тоскане (Италия) был и остался опытным полигоном, на котором разрабатывались основные концепции геотермии, и была построена первая в мире опытная энергетическая установка по получению электроэнергии за счет природных гидротерм.

В отношении теоретических вопросов здесь дискутировались три проблемы:

Связь геотермальных проявлений с региональной тектоникой.

Тот факт, что бурение ни в одном случае не вскрыло магматических тел на глубине.

Что является источником борной кислоты в гидротермах?

По первому вопросу конец дискуссии положила работа Р. Мурчисона (Murchison, 1850), в которой было ясно показано, что термы локализуются вдоль тектонического нарушения, имеющего то же простирание, что и основные разломы и складчатые структуры Аппенинского полуострова.

Для объяснения отсутствия магматических тел в глубинной части геотермальной системы было предложено паллиативное решение, предполагающее наличие на глубине не вскрытой бурением не до конца остывшей магматической камеры, поставляющей тепло гидротермам. Это касается, в частности, геотермального поля Лардерелло. Учитывая, что в этом районе нет обнажений изверженных пород, Лотти (Lotti, 1900) пришел к выводу о том, что гранитная интрузия залегает на относительно малой глубине, а корневые части её представлены активным магматическим очагом. Он считал, что магматическое тело, подвергаясь охлаждению, питает геотермальную систему Лардерелло не только теплом, но и паром. Лотти утверждал, что пар, выделяемый паровыми струями и другими природными термопроявлениями не только в Лардерелло, но также и на других геотермальных полях мира (включая гейзеры, сольфатары и т. д.), являются проявлениями финальной стадии активного магматического процесса. Эта теория, совершенствовалась на протяжении 1900–1928 г.г.

По вопросу о предполагаемом источнике борной килоты дискутировались две гипотезы. С одной стороны Л. Диеулафайт, Франция (Dieulafait, 1877) предполагал, что борная кислота, содержащаяся в паровых струях, образована выщелачиванием метеорными водами погребенных эвапоритовых осадков миоценового возраста. В частности, он считал, что тепловая аномалия связана с магматическими массами, тогда как пар является производной процесса парообразования метеорных вод, просочившихся по трещинам в глубокие высокотемпературные формации.

Е. Беки (Bechi, 1878), однако, принимая в расчёт присутствие значительного количества обнажений серпентинитов, мощность которых достигала многих сотен метров в районе Лардерелло, высказал гипотезу, что борная кислота образовалась в результате разложения борных силикатов, содержавшихся в этих породах. Разложение, по его мнению, происходило при их взаимодействии со струями СО₂, восходящими из недр.

Этой точке зрения противопоставлялась «теория ювенильного происхождения геотермальных флюидов Лотти и была широко распространена среди исследователей 40 лет назад. И, наконец, стоит сказать, что во время своих полевых работ Лотти составил детальную геологическую карту района Лардерелло, и она служила в качестве путеводителя в полевых экскурсиях 1-го международного геотермального конгресса, который происходил в Лардерелло в 1928 году в рамках 41-го Конгресса Итальянского геологического общества.

Практическое применение гидротерм для получения электроэнергии началось с того, что в 1904 году тосканский граф Дж. Пьеро Конти провел очень важный опыт: от природного пара в том же районе, Лардерелло, зажглись пять электрических светильников. В 1905 году эксперимент был расширен до освещения фабрики по производству борной кислоты. В 1913 на основе поршневой машины на природном паре была создана опытная энергоустановка мощностью 250 кВт. В следующем году введены в действие три турбогенератора мощностью 1250 кВт, а в 1916 году мощность первой геотермальной электростанции возросла до 12 МВт, в 1930 году до 20, а в 1942 году до 130 МВт. В 1953 году итальянские ГеоТЭС с общей мощностью 290 МВт вырабатывали 2.5 млрд. квт.ч., то есть 6 % всей производимой в стране электроэнергии. В 1978 году мощность 17 энергоблоков достигла 420, а в 1984 году – 457 МВт. В настоящее время общая мощность ГеоТЭС Италии превышает 1 Гвт (1 млн. кВт).

Первая же промышленная ГеоТЭС Лардерелло стала вырабатывать самую дешевую в мире электроэнергию – в 4–5 раз дешевле, чем на топливных электроустановках. В 1918 году, всего через два года после пуска станции 1, в Лардерелло был впервые предложен проект постройки станции в Вайракее (Северный остров Новой Зеландии). Только в 1940-х годах эти предложения были тщательно изучены в связи с нуждами в снабжении энергией индустрии Северного острова. Первые исследовательские скважины были пробурены в 1950 году, и к 1953 году было собрано достаточно информации, чтобы установить выгодность строительства первой энергетической установки в Вайракее мощностью 20 МВт. Работы на этой основе продолжались до 1956 года, когда проект предполагаемого завода по производству тяжелой воды был оставлен. Вайракейская электростанция была официально открыта в 1958 году с конечной мощностью 193 МВт. В связи с падением давления пара четыре турбины высокого давления были закрыты. Две из них были заново установлены в 1989 году на станции Охааки. С 1958 года по 1987 станция принадлежала электрическому департаменту Новозеландского министерства электроэнергии.

Вслед за Италией в 1919 году были начаты опыты по созданию ГеоТЭС на месторождении Беппу в Японии. К 1982 году мощность девяти японских ГеоТЭС составила 228 МВт, а в настоящее время приближается к 1 Гвт.

В 1960 была построена первая крупная ГеоТЭС в 160 МВт на пароводяной смеси из скважины Вайракей в Новой Зеландии. В том же году введена в эксплуатацию первая энергоустановка на крупнейшем в мире месторождении сухого пара Гейзеры в 160 км от Сан-Франциско. Быстро наращивая мощности геотермальной энергетики на базе этого и других месторождений, США в 1973 году обогнали Италию и уверенно лидируют при общей мощности ГеоТЭС более 3 млн. кВт. Здесь и далее источником являются материалы, помещенные на сайте Геотермальная энергетика.

Примером очень быстрого и весьма эффективного освоения ресурсов природного пара служат Филиппины. В 1962 году здесь была начата разведка геотермального района Тиви на острове Лусон, в 1967 году создана опытная энергоустановка, в 1979 году построены два ГеоТЭС (мощностью 446 МВт). Филиппины по производству электроэнергии за счет геотермальных истчников вышли на второе место после США, а годовая прибыль от освоения геотермической энергии составила 176 млн. долларов.

На 2003 на третьем месте в мире по выработке геотермальной энергии находится Мексика. Установленная мощность работающих на тепле Земли электростанций составляет здесь 953 миллиона киловатт. На важнейшей термальной зоне Серро Прието расположились станции общей мощностью 750 МВт.

В Исландии действуют пять теплофикационных ГеоТЕС общей мощностью 570 МВт, которые производят 25 % всей электроэнергии в стране.

Дополнительный импульс исследование и освоение геотермальных ресурсов получили после энергетического кризиса 70-х годов. В развитых странах геотермальные исследования проводились на постоянной основе. Так, например, в США была принята 10 летняя программа по изучению объектов, которые в какой-либо степени могут быть источником подземного тепла. В сферу внимания вовлекались все поверхностные термопроявления, как действующие в настоящее время, так и в недалёком прошлом (четвертичный период), вулканы зоны андезитового вулканизма, зоны поверхностного гидротермального изменения пород на вулканах и сопряжённых с ними структурах, термальных аномалий в недрах потухших вулканов и нефтегазовых месторождений.

После длительного единоличного лидерства в геотермальной энергетике Италии, где на высокотемпературной гидротермальной системе Лардерелло была построена Гео ТЭС на 250 МВТ, в 1957 году в Новой Зеландии, в Вайракее начала работать Гео ТЭС, мощность которой впоследствии колебалась от 190 МВТ до 147 МВТ. В 1960 году в США на Гейзерах Калифорнии вошла в строй 12 мегаваттная ГеоТЭС. В это время начинаются усиленные поиски альтернативных источников энергии (солнца, ветра, гидротерм и др.), из которых приоритетной была геотермальная энергия.

Освоение энергии земных недр сопровождалось усилением научных исследований, а также разработкой технологий выбора мест бурения геотермальных скважин, усовершенствования конструкции как подземного, так и наземного оборудования, отработки технологических процессов отбора тепла из низко– и высокотемпературных гидротермальных систем и из сухих нагретых горных пород. В конце 70-х годов решаются проблемы оценки тепловых ресурсов различного типа геотермальных систем и создания их моделей и программного обеспечения ЭВМ.

В настоящее время существует комплекс методов и способов оптимального объёма научно-исследовательских, поисковых, разведочных и эксплуатационных работ, который применяется при освоении энергетических ресурсов современных геотермальных (сюда включены не только разнообразные гидротермальные системы, но и системы нагретых твёрдых пород и системы высокого давления – геотермальные системы, находящиеся под большим давлением в нефтегазовых месторождениях). Одновременно получила развитие система подготовки кадров геотермальных геологов.

Результаты этих достижений приводятся в таблицах 1.10.1 и 1.10.2

Таблица 1.10.1.1. Установленная энергетическая мощность ГеоТЭС по странам и годам.

Таблица 1.10.2. Прямое использование геотермального тепла

Анализ, приведённых выше таблиц свидетельствует об экономической целесообразности использования геотермальных ресурсов даже при наличии других энергетических источников. Аргументы, что геотермальный теплоноситель экономически не конкурентоспособен с другими видами энергетических источников, являются неправомочными. Несостоятельность такой аргументации состоит в том, что места добычи природного газа удалены от населенных пунктов на многие километры и, например, для того, чтобы доставить газ к электростанциям города Петропавловска-Камчатского, необходимо проложить большой протяженности газопроводы, сжечь газ в котельных, получить пар и передать его на турбину.