Изменение температуры с глубиной. Земная поверхность в силу неравномерного поступления солнечного тепла то нагревается, то охлаждается. Эти колебания температуры проникают в толщину Земли очень неглубоко. Так, суточные колебания на глубине 1 м обычно уже почти не ощущаются. Что же касается годовых колебаний, то они проникают на разную глубину: в теплых странах на 10-15 м, а в странах с холодной зимой и жарким летом до 25-30 и даже 40 м. Глубже 30-40 м уже всюду на Земле температура держится неизменной. Например, термометр, поставленный в подвале Парижской обсерватории, все время на протяжении свыше 100 лет показывает 11°,85С.
Слой с постоянной температурой наблюдается на всем земном шаре и носит название пояса постоянной или нейтральной температуры. Глубина залегания этого пояса в зависимости от климатических условий различна, а температура равна приблизительно средней годовой температуре данного места.
При углублении в Землю ниже слоя постоянной температуры обыкновенно замечается постепенное повышение температуры. Впервые это было замечено рабочими глубоких рудников. Замечалось это и при прокладке тоннелей. Так, например, при прокладке Симплонского тоннеля (в Альпах) температура повышалась до 60°, что создавало немалые трудности в работе. Еще более высокие температуры наблюдаются в глубоких буровых скважинах. Примером может служить Чуховская скважина (Верхняя Силезия), в которой на глубине 2220 м температура была свыше 80° (83°, 1) и т. д. На основании очень многих наблюдений, произведенных в самых различных местах Земли, удалось установить, что в среднем при углублении на каждые 33 м температура возрастает на 1°С.
Число метров, на которое нужно углубиться в Землю, чтобы температура возросла на 1°С, называют геотермическо ступенью. Геотермическая ступень в различных случаях неодинакова и чаще всего она колеблется от 30 до 35 м. В некоторых случаях эти колебания могут быть и выше. Например, в штате Мичиган (США), в одной из буровых скважин, расположенных близ оз. Мичиган, геотермическая ступень оказалась не 33, а 70 м. Наоборот, очень малая геотермическая ступень наблюдалась в одной из скважин Мексики, Там на глубине 670 м появилась вода с температурой в 70°. Таким образом, геотермическая ступень оказалась всего около 12 м. Малые геотермические ступени наблюдаются также в вулканических областях, где на небольших глубинах могут быть еще неостывшие толщи изверженных пород. Но все подобные случаи являются не столько правилами, сколько исключениями.
Причин, влияющих на геотермическую ступень, много. (Кроме приведенных выше, можно указать на различную теплопроводность горных пород, на характер залегания пластов и др.
Большое значение в распределении температур имеет рельеф местности. Последнее хорошо можно заметить на приложенном чертеже (рис. 23), изображающем разрез Альп по линии Симплонского тоннеля, с нанесенными пунктиром геоизотермами (т. е. линиями одинаковых температур внутри Земли). Геоизотермы здесь как бы повторяют рельеф, но с глубиной влияние рельефа постепенно уменьшается. (Сильный изгиб геоизотерм вниз у Балле обусловливается наблюдающейся здесь сильной циркуляцией вод.)
Температура Земли на больших глубинах. Наблюдения над температурами в буровых скважинах, глубина которых редко превышает 2-3 км, естественно, не могут дать представления о температурах более глубоких слоев Земли. Но здесь нам на помощь приходят некоторые явления из жизни земной коры. К числу таких явлений относится вулканизм. Вулканы, широко распространенные по земной поверхности, выносят на поверхность Земли расплавленные лавы, температура которых свыше 1000°. Стало быть, на больших глубинах мы имеем температуры, превышающие 1000°.
Было время, когда ученые на основании геотермической ступени пытались вычислить ту глубину, на которой могли быть столь высокие температуры, как 1000-2000°. Однако подобные вычисления нельзя считать достаточно обоснованными. Наблюдения, производившиеся над температурой остывающего базальтового шара, и теоретические расчеты дают основание говорить, что величина геотермической ступени с глубиной увеличивается. Но в каких пределах и до какой глубины идет подобное увеличение, мы также пока сказать не можем.
Если допустить, что температура с глубиной возрастает непрерывно, то в центре Земли она должна измеряться десятками тысяч градусов. При таких температурах все известные нам горные породы должны перейти в жидкое состояние. Правда, внутри Земли огромное давление, и мы ничего не знаем о состоянии тел при подобных давлениях. Тем не менее у нас нет никаких данных утверждать, что температура с глубиной непрерывно возрастает. Сейчас большинство геофизиков приходит к выводу о том, что температура внутри Земли вряд ли может быть больше 2000°.
Источники тепла. Что касается источников тепла, обусловливающих внутреннюю температуру Земли, то они могут быть различны. Исходя из гипотез, которые считают Землю образовавшейся из раскаленной и расплавленной массы, внутреннее тепло нужно считать остаточным теплом стывающего с поверхности тела. Однако есть основания полагать, что причиной внутренней высокой температуры Земли может быть радиоактивный распад урана, тория, актиноурана, калия и других элементов, содержащихся в горных породах. Радиоактивные элементы большей частью распространены в кислых породах поверхностной оболочки Земли, меньше их встречается в глубинных основных породах. В то же время основные породы богаче ими, чем железные метеориты, которые считаются обломками внутренних частей космических тел.
Несмотря на небольшое количество радиоактивных веществ в горных породах и медленный их распад, общее количество тепла, получающееся за счет радиоактивного распада, велико. Советский геолог В. Г. Хлопин подсчитал, что радиоактивных элементов, содержащихся в верхней 90-километровой оболочке Земли достаточно, чтобы покрыть потерю тепла планеты путем лучеиспускания. Наряду с радиоактивным распадом тепловая энергия выделяется при сжатии вещества Земли, при химических реакциях и т, п.
Фото: «NesjavellirPowerPlant edit2» участника Gretar Ívarsson / https://commons.wikimedia.org/wiki/ 25 мая 2015 / Теги:Самая большая трудность - избежать патогенной микрофлоры. А это сложно сделать в среде влагонасыщенной и достаточно теплой. Даже в самых лучших погребах всегда есть плесень. Посему нужна система регулярно используемой очистки труб от всякой гадости, накапливающейся на стенках. А сделать это при 3-х метровом залождении не так уж и просто. На ум в первую очередь приходит механический способ - ёршик. Как для чистки дымовых труб. С использованием какой-то жидкой химии. Или газ. Если прокачать через трубу фозген к примеру, то всё подохнет и на пару месяцев возможно этого хватит. Но любой газ вступает в хим. реакции с влагой в трубе и соответственно оседает в ней, что заставляет проветривать долго. А долгое проветривание приведет к восстановлению патогенов . Тут нужен грамотный подход со знанием современных средств чистки.
Вообщем подписьіваюсь под кажньім словом! (правда не знаю чему тут радоваться).В данной системе я вижу несколько вопросов которьіе предстоит решить:
1. Достаточно ли длиньі данного теплообменника для еффективного его использования (какой то еффект ессно будет, но не ясно какой)
2. Конденсат. Зимой его не будет, так как по трубе будет прокачиваться холодньій воздух. Конденсат будет вьіпадать с внешней стороньі трубьі - в земле (она теплее). Но вот летом... Проблема КАК вьікачивать конденсат из под глубиньі 3м - уже додумался на стороне збора конденсата сделать герметичньій колодец-стакан для сбора конденсата. В него устанавливать насос которьій будет периодично откачивать конденсат...
3. Предполагается, что канализационньіе трубьі (пластиковьіе) - герметичньі. Если так, то грунтовьіе водьі вокруг не должньі проникать внуть и не должньі влиять на влажность воздуха. Поетому я полагаю влажности (как в подвале) там не будет. По крайней мере зимой. Я думаю подвал влажньій из за плохого проветривания. Плесень не любит солнечньій свет и сквозняки (в трубе будут сквозняки ). А теперь вопрос - НАСКОЛЬКО герметичньі канализационньіе трубьі в земле? На сколько лет мне их хватит? Дело в том что данньій проект сопутствующий - траншея копается для канализации (будет на глубине 1-1.2м) потом изоляция (пенополистирол) и глуже - земельньій аккумулятор). А значит данная система неремонтопригодна при разгерметизации - я ее вьікапьівать не буду - просто засьіплю землей и все.
4. Чистка труб. Думал в нижней точке делать смотровой колодец. сейчас "интузизизма" по етому поводу меньше - грунтовьіе водьі - может оказатся что его затопит и толку будет НОЛЬ. Без колодца вариантов не так то много:
а. с двух сторон делаются ревизии (для каждой 110мм трубьі), которьіе вьіходят на поверхность, в трубьі протягьівается нержавеющий тросик. Для чистки к нему крепим квач. Минусьі - на поверхность вьіходит куча труб, котоьіе будут влиять на температурньій и гидродинамический режим работьі аккумулятора.
б. периодически затапливать трубьі водой с хлоркой, например (или другим дезинфицирующим средством), откачивая воду из конденсационного колодца на другом конце труб. Потом сушка труб воздухом (возможно ревесньім режимом - из дома наружу, хотя такая идея мне не очень нравится).
5. Плесени не будет (сквозняк). а вот другие микроорганизмьі которьіе живут в пьіли - очень даже. Есть надежда на зимний режим - холодньій сухой воздух хорошо дезинфицирует. Вариант защитьі - фильтр на вьіходе из аккумулятора. Или ультрафиолет (дорого)
6. Насколько сильно напряжно гонять воздух по такой конструкции?
Фильтр (мелкая сетка) на входе
-> поворот на 90градусов вниз
-> 4м 200мм труба вниз
-> разделение потока на 4 110мм трубьі
-> 10 метров по горизонтали
-> поворот на 90градусов вниз
-> 1 метр вниз
-> поворот на 90градусов
-> 10 метров по горизонтали
-> сбор потока в 200мм трубу
-> 2 метра вверх
-> поворот на 90градусов (в дом)
-> фильтр бумажньій или тканевой карманньій
-> вентиляторИмеем 25м труб, 6 поворотов на 90 градусов(поворотьі можно делать плавнее - 2х45), 2 фильтра. Хочется 300-400м3/ч. Скорость потока ~4м/сек
В городе Эспоо через два года будет запущена первая в Финляндии геотермальная электростанция. Финские инженеры планируют использовать естественное тепло земных недр для обогрева зданий. И если эксперимент будет успешным, то подобные теплоцентрали можно возводить повсеместно, например, в Ленинградской области. Вопрос в том, насколько это выгодно.
Использование энергии Земли - идея не новая. Естественно, за ее реализацию прежде всего взялись жители тех регионов, где сама природа создала “паровые машины”. Так, например, еще в 1904 году итальянский князь Пьеро Джинори Конти зажег четыре электролампочки, поместив турбинку с электрогенератором вблизи природного выхода разогретого пара из земли, в регионе Лардерелло (Тоскана).
Спустя девять лет, в 1913 году, там же была запущена первая коммерческая геотермальная станция мощностью 250 киловатт. Станция использовала самый выгодный, но, к сожалению, редко встречающийся ресурс — сухой перегретый пар, который можно встретить лишь в недрах вулканических массивов. Но, на самом деле, жар Земли можно найти не только близ огнедышащих гор. Он есть повсеместно, под нашими ногами.
Недра планеты раскалены до нескольких тысяч градусов. Ученые до сих пор не выяснили, вследствие каких процессов наша планета в течение нескольких миллиардов лет хранит в себе гигантское количество тепла, и невозможно оценить, на сколько миллиардов лет его хватит. Достоверно известно, что при погружении на каждые 100 метров вглубь земли температура пород повышается в среднем на 3 градуса. В среднем — это значит, что есть места на планете, где температура повышается на полградуса, а где-то — и на 15 градусов. И это — не зоны активного вулканизма.
Температурный градиент, разумеется, увеличивается неравномерно. Финские специалисты рассчитывают достичь на глубине 7 км зоны, в которой температура пород составит 120 градусов Цельсия, притом что температурный градиент в Эспоо примерно 1,7 градуса на 100 метров, а это даже ниже среднего уровня. И, тем не менее, это уже достаточная температура для запуска геотермальной теплоцентрали.
Суть системы, в принципе, проста. Бурятся две скважины на расстоянии в несколько сот метров друг от друга. Между ними в нижней части нагнетают под давлением воду, чтобы разорвать пласты и создать меж ними систему проницаемых трещин. Технология отработана: подобным способом сейчас добывают сланцевую нефть и газ.
Затем в одну из скважин закачивают воду с поверхности, а из второй — наоборот, откачивают. Вода идет по трещинам среди раскаленных пород, и затем поступает по второй скважине на поверхность, где передает тепло обычной городской теплоцентрали. Такие системы уже были запущены в США, в настоящее время идут разработки в Австралии и странах Европейского союза.
Фото: www.facepla.net (скриншот)
Мало того — тепла хватит, чтобы запустить выработку электроэнергии. Приоритет в разработке низкотемпературной геотермальной энергетики принадлежит советским ученым — именно они более полувека назад решили вопрос использования такой энергии на Камчатке. Ученые предложили использовать в качестве кипящего теплоносителя органическую жидкость — фреон12, у которой точка кипения при нормальном атмосферном давлении — минус 30 градусов. Вода из скважины температурой в 80 градусов Цельсия передавала свое тепло фреону, который вращал турбины. Первой в мире электростанцией, работающей с водой такой температуры, стала Паужетская геотермальная электростанция на Камчатке, построенная в 1967 году.
Достоинства такой схемы очевидны — в любой точке Земли человечество сможет обеспечить себя теплом и электроэнергией, даже если погаснет Солнце. В толще земной коры запасена огромная энергия, более чем в 10 тысяч раз превышающая все топливопотребление современной цивилизации в год. И эта энергия постоянно возобновляется за счет притока тепла из недр планеты. Современные технологии позволяют добывать этот вид энергии.
Интересные места для строительства подобных геотермальных электростанций есть и в Ленинградской области. Выражение "Питер стоит на болоте" применимо лишь с позиции строительства малоэтажных объектов, а с точки зрения "большой геологии" — осадочный чехол в окрестностях Петербурга достаточно тонок, всего десятки метров, а затем берут свое начало, как и в Финляндии, коренные магматические породы. Этот скальный щит неоднороден: он испещрен разломами, по некоторым из которых поднимается наверх тепловой поток.
Первыми на это явление обратили внимание ботаники, которые нашли на Карельском перешейке и на Ижорском плато островки тепла, где произрастают растения либо с высокой скоростью воспроизводства, либо относящиеся к более южным ботаническим подзонам. А под Гатчиной и вовсе обнаружена ботаническая аномалия — растения альпийско-карпатской флоры. Растения существуют благодаря тепловым потокам, идущим из-под земли.
По результатам бурения в районе Пулково на глубине 1000 метров температура кристаллических пород составила плюс 30 градусов, то есть в среднем она повышалась на 3 градуса каждые 100 метров. Это "средний" уровень температурного градиента, но он почти в два раза больше, чем в районе Эспоо, в Финляндии. Это означает, что в Пулково достаточно пробурить скважину на глубину всего лишь до 3500 метров, соответственно, такая теплоцентраль обойдется гораздо дешевле, чем в Эспоо.
Стоит учесть, что срок окупаемости подобных станций зависит также и от тарифов на теплоснабжение и электроэнергию для потребителей в этой стране или региона. В мае 2015 года тариф для многоквартирных домов без электрического отопления от компании Helsingin Energia составлял 6,19 евроцента за кВт*ч, с электрическим отоплением, соответственно, — 7,12 евроцентра за кВт*ч (в дневное время). По сравнению с тарифами Санкт-Петербурга, разница для тех, кто использует электричество и для отопления, составляет около 40%, при этом еще надо учитывать игры курсов. Столь невысокая цена на электричество в Финляндии связана, в том числе, с тем, что страна имеет собственные атомные генерирующие мощности.
А вот в Латвии, которая вынуждена постоянно закупать электроэнергию и топливо, отпускная цена электроэнергии практически вдвое выше , чем в Финляндии. Однако финны полны решимости построить станцию в Эспоо, в не самом удачном по геотермическому градиенту месте.
Дело в том, что геотермальная энергетика требует долгосрочных инвестиций. В этом смысле она ближе к крупной гидроэнергетике и атомной энергетике. ГеоТЭС гораздо сложнее возвести, чем солнечную или ветростанцию. И нужно быть уверенными, что политики не начнут играть с ценами и правила не будут меняться на ходу.
Поэтому финны и решаются на этот важный промышленный эксперимент. Если им удастся осуществить задуманное, и хотя бы для начала обогреть своих жителей теплом, которое никогда не кончится (даже в масштабах вообще жизни на нашей планете) — это позволит задуматься о будущем геотермальной энергетики и на обширных российских просторах. Сейчас в России греются теплом Земли на Камчатке и в Дагестане, но, возможно, настанет и время Пулково.
Константин Ранкс
Кирилл Дегтярев, научный сотрудник, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова.
В нашей стране, богатой углеводородами, геотермальная энергия - некий экзотический ресурс, который при сегодняшнем положении дел вряд ли составит конкуренцию нефти и газу. Тем не менее этот альтернативный вид энергии может использоваться практически всюду и довольно эффективно.
Фото Игоря Константинова.
Изменение температуры грунта с глубиной.
Рост температуры термальных вод и вмещающих их сухих пород с глубиной.
Изменение температуры с глубиной в разных регионах.
Извержение исландского вулкана Эйяфьятлайокудль -иллюстрация бурных вулканических процессов, протекающих в активных тектонических и вулканических зонах с мощным тепловым потоком из земных недр.
Установленные мощности геотермальных электростанций по странам мира, МВт.
Распределение геотермальных ресурсов по территории России. Запасы геотермальной энергии, по оценкам экспертов, в несколько раз превышают запасы энергии органического ископаемого топлива. По данным ассоциации «Геотермальное энергетическое общество».
Геотермальная энергия - это тепло земных недр. Вырабатывается оно в глубинах и поступает к поверхности Земли в разных формах и с различной интенсивностью.
Температура верхних слоёв грунта зависит в основном от внешних (экзогенных) факторов - солнечного освещения и температуры воздуха. Летом и днём грунт до определённых глубин прогревается, а зимой и ночью охлаждается вслед за изменением температуры воздуха и с некоторым запаздыванием, нарастающим с глубиной. Влияние суточных колебаний температуры воздуха заканчивается на глубинах от единиц до нескольких десятков сантиметров. Сезонные колебания захватывают более глубокие пласты грунта - до десятков метров.
На некоторой глубине - от десятков до сотен метров - температура грунта держится постоянной, равной среднегодовой температуре воздуха у поверхности Земли. В этом легко убедиться, спустившись в достаточно глубокую пещеру.
Когда среднегодовая температура воздуха в данной местности ниже нуля, это проявляется как вечная (точнее, многолетняя) мерзлота. В Восточной Сибири мощность, то есть толщина, круглогодично мёрзлых грунтов достигает местами 200-300 м.
С некоторой глубины (своей для каждой точки на карте) действие Солнца и атмосферы ослабевает настолько, что на первое место выходят эндогенные (внутренние) факторы и происходит разогрев земных недр изнутри, так что температура с глубиной начинает расти.
Разогрев глубинных слоёв Земли связывают, главным образом, с распадом находящихся там радиоактивных элементов, хотя называют и другие источники тепла, например физико-химические, тектонические процессы в глубоких слоях земной коры и мантии. Но чем бы это ни было обусловлено, температура горных пород и связанных с ними жидких и газообразных субстанций с глубиной растёт. С этим явлением сталкиваются горняки - в глубоких шахтах всегда жарко. На глубине 1 км тридцатиградусная жара - нормальное явление, а глубже температура ещё выше.
Тепловой поток земных недр, достигающий поверхности Земли, невелик - в среднем его мощность составляет 0,03-0,05 Вт/м 2 ,
или примерно 350 Вт·ч/м 2 в год. На фоне теплового потока от Солнца и нагретого им воздуха это незаметная величина: Солнце даёт каждому квадратному метру земной поверхности около 4000 кВт·ч ежегодно, то есть в 10 000 раз больше (разумеется, это в среднем, при огромном разбросе между полярными и экваториальными широтами и в зависимости от других климатических и погодных факторов).
Незначительность теплового потока из недр к поверхности на большей части планеты связана с низкой теплопроводностью горных пород и особенностями геологического строения. Но есть исключения - места, где тепловой поток велик. Это, прежде всего, зоны тектонических разломов, повышенной сейсмической активности и вулканизма, где энергия земных недр находит выход. Для таких зон характерны термические аномалии литосферы, здесь тепловой поток, достигающий поверхности Земли, может быть в разы и даже на порядки мощнее «обычного». Огромное количество тепла на поверхность в этих зонах выносят извержения вулканов и горячие источники воды.
Именно такие районы наиболее благоприятны для развития геотермальной энергетики. На территории России это, прежде всего, Камчатка, Курильские острова и Кавказ.
В то же время развитие геотермальной энергетики возможно практически везде, поскольку рост температуры с глубиной - явление повсеместное, и задача заключается в «добыче» тепла из недр, подобно тому, как оттуда добывается минеральное сырьё.
В среднем температура с глубиной растёт на 2,5-3 о С на каждые 100 м. Отношение разности температур между двумя точками, лежащими на разной глубине, к разности глубин между ними называют геотермическим градиентом.
Обратная величина - геотермическая ступень, или интервал глубин, на котором температура повышается на 1 о С.
Чем выше градиент и соответственно ниже ступень, тем ближе тепло глубин Земли подходит к поверхности и тем более перспективен данный район для развития геотермальной энергетики.
В разных районах, в зависимости от геологического строения и других региональных и местных условий, скорость роста температуры с глубиной может резко различаться. В масштабах Земли колебания величин геотермических градиентов и ступеней достигают 25 крат. Например, в штате Орегон (США) градиент составляет 150 о С на 1 км, а в Южной Африке - 6 о С на 1 км.
Вопрос, какова температура на больших глубинах - 5, 10 км и более? При сохранении тенденции температура на глубине 10 км должна составлять в среднем примерно 250-300 о С. Это более или менее подтверждается прямыми наблюдениями в сверхглубоких скважинах, хотя картина существенно сложнее линейного повышения температуры.
Например, в Кольской сверхглубокой скважине, пробурённой в Балтийском кристаллическом щите, температура до глубины 3 км меняется со скоростью 10 о С/1 км, а далее геотермический градиент становится в 2-2,5 раза больше. На глубине 7 км зафиксирована уже температура 120 о С, на 10 км - 180 o С, а на 12 км - 220 o С.
Другой пример - скважина, заложенная в Северном Прикаспии, где на глубине 500 м зарегистрирована температура 42 o С, на 1,5 км - 70 o С, на 2 км - 80 o С, на 3 км - 108 o С.
Предполагается, что геотермический градиент уменьшается начиная с глубины 20-30 км: на глубине 100 км предположительные температуры около 1300-1500 o С, на глубине 400 км - 1600 o С, в ядре Земли (глубины более 6000 км) - 4000-5000 o С.
На глубинах до 10-12 км температуру измеряют через пробурённые скважины; там же, где их нет, её определяют по косвенным признакам так же, как и на бóльших глубинах. Такими косвенными признаками могут быть характер прохождения сей-смических волн или температура изливающейся лавы.
Впрочем, для целей геотермальной энергетики данные о температурах на глубинах более 10 км пока не представляют практического интереса.
На глубинах в несколько километров много тепла, но как его поднять? Иногда эту задачу решает за нас сама природа с помощью естественного теплоносителя - нагретых термальных вод, выходящих на поверхность или же залегающих на доступной для нас глубине. В ряде случаев вода в глубинах разогрета до состояния пара.
Строгого определения понятия «термальные воды» нет. Как правило, под ними подразумевают горячие подземные воды в жидком состоянии или в виде пара, в том числе выходящие на поверхность Земли с температурой выше 20 о С, то есть, как правило, более высокой, чем температура воздуха.
Тепло подземных вод, пара, пароводяных смесей - это гидротермальная энергия. Соответственно энергетика, основанная на её использовании, называется гидротермальной.
Сложнее обстоит дело с добычей тепла непосредственно сухих горных пород - петротермальной энергии, тем более что достаточно высокие температуры, как правило, начинаются с глубин в несколько километров.
На территории России потенциал петротермальной энергии в сто раз выше, чем у гидротермальной, - соответственно 3500 и 35 трлн тонн условного топлива. Это вполне естественно - тепло глубин Земли имеется везде, а термальные воды обнаруживаются локально. Однако из-за очевидных технических трудностей для получения тепла и электроэнергии в настоящее время используются большей частью термальные воды.
Воды температурой от 20-30 до 100 о С пригодны для отопления, температурой от 150 о С и выше - и для выработки электроэнергии на геотермальных электростанциях.
В целом же геотермальные ресурсы на территории России в пересчёте на тонны условного топлива или любую другую единицу измерения энергии примерно в 10 раз выше запасов органического топлива.
Теоретически только за счёт геотермальной энергии можно было бы полностью удовлетворить энергетические потребности страны. Практически же на данный момент на большей части её территории это неосуществимо по технико-экономическим соображениям.
В мире использование геотермальной энергии ассоциируется чаще всего с Исландией - страной, расположенной на северном окончании Срединно-Атлантического хребта, в исключительно активной тектонической и вулканической зоне. Наверное, все помнят мощное извержение вулкана Эйяфьятлайокудль (Eyjafjallajökull) в 2010 году.
Именно благодаря такой геологической специфике Исландия обладает огромными запасами геотермальной энергии, в том числе горячих источников, выходящих на поверхность Земли и даже фонтанирующих в виде гейзеров.
В Исландии в настоящее время более 60% всей потребляемой энергии берут из Земли. В том числе за счёт геотермальных источников обеспечивается 90% отопления и 30% выработки электроэнергии. Добавим, что остальная часть электроэнергии в стране производится на ГЭС, то есть также с использованием возобновляемого источника энергии, благодаря чему Исландия выглядит неким мировым экологическим эталоном.
«Приручение» геотермальной энергии в XX веке заметно помогло Исландии в экономическом отношении. До середины прошлого столетия она была очень бедной страной, сейчас занимает первое место в мире по установленной мощности и производству геотермальной энергии на душу населения и находится в первой десятке по абсолютной величине установленной мощности геотермальных электростанций. Однако её население составляет всего 300 тысяч человек, что упрощает задачу перехода на экологически чистые источники энергии: потребности в ней в целом невелики.
Помимо Исландии высокая доля геотермальной энергетики в общем балансе производства электроэнергии обеспечивается в Новой Зеландии и островных государствах Юго-Восточной Азии (Филиппины и Индонезия), странах Центральной Америки и Восточной Африки, территория которых также характеризуется высокой сейсмической и вулканической активностью. Для этих стран при их нынешнем уровне развития и потребностях геотермальная энергетика вносит весомый вклад в социально-экономическое развитие.
(Окончание следует.)
Температура внутри Земли. Определение температуры в оболочках Земли основывается на различных, часто косвенных данных. Наиболее достоверные температурные данные относятся к самой верхней части земной коры, вскрываемой шахтами и буровыми скважинами до максимальных глубин- 12 км (Кольская скважина).
Нарастание температуры в градусах Цельсия на единицу глубины называют геотермическим градиентом, а глубину в метрах, на протяжении которой температура увеличивается на 1 0 С - геотермической ступенью. Геотермический градиент и соответственно геотермическая ступень изменяются от места к месту в зависимости от геологических условий, эндогенной активности в различных районах, а также неоднородной теплопроводности горных пород. При этом, по данным Б. Гутенберга, пределы колебаний отличаются более чем в 25 раз. Примером тому являются два резко различных градиента: 1) 150 o на 1 км в штате Орегон (США), 2) 6 o на 1 км зарегистрирован в Южной Африке. Соответственно этим геотермическим градиентам изменяется и геотермическая ступень от 6,67 м в первом случае до 167 м - во втором. Наиболее часто встречаемые колебания градиента в пределах 20-50 o , а геотермической ступени -15-45 м. Средний геотермический градиент издавна принимался в 30 o С на 1 км.
По данным В. Н. Жаркова, геотермический градиент близ поверхности Земли оценивается в 20 o С на 1 км. Если исходить из этих двух значений геотермического градиента и его неизменности в глубь Земли, то на глубине 100 км должна была бы быть температура 3000 или 2000 o С. Однако это расходится с фактическими данными. Именно на этих глубинах периодически зарождаются магматические очаги, из которых изливается на поверхность лава, имеющая максимальную температуру 1200-1250 o . Учитывая этот своеобразный "термометр", ряд авторов (В. А. Любимов, В. А. Магницкий) считают, что на глубине 100 км температура не может превышать 1300-1500 o С.
При более высоких температурах породы мантии были бы полностью расплавлены, что противоречит свободному прохождению поперечных сейсмических волн. Таким образом, средний геотермический градиент прослеживается лишь до некоторой относительно небольшой глубины от поверхности (20-30 км), а дальше он должен уменьшаться. Но даже и в этом случае в одном и том же месте изменение температуры с глубиной неравномерно. Это можно видеть на примере изменения температуры с глубиной по Кольской скважине, расположенной в пределах устойчивого кристаллического щита платформы. При заложении этой скважины рассчитывали на геотермический градиент 10 o на 1 км и, следовательно, на проектной глубине (15 км) ожидали температуру порядка 150 o С. Однако такой градиент был только до глубины 3 км, а далее он стал увеличиваться в 1,5-2,0 раза. На глубине 7 км температура была 120 o С, на 10 км -180 o С, на 12 км -220 o С. Предполагается, что на проектной глубине температура будет близка к 280 o С. Вторым примером являются данные по скважине, заложенной в Северном Прикаспии, в районе более активного эндогенного режима. В ней на глубине 500 м температура оказалась равной 42,2 o С, на 1500 м-69,9 o С, на 2000 м-80,4 o С, на 3000 м - 108,3 o С.
Какова же температура в более глубоких зонах мантии и ядра Земли? Более или менее достоверные данные получены о температуре основания слоя В верхней мантии (см. рис. 1.6). По данным В. Н. Жаркова, "детальные исследования фазовой диаграммы Mg 2 SiO 4 - Fe 2 Si0 4 позволили определить реперную температуру на глубине, соответствующей первой зоне фазовых переходов (400 км)" (т.е. перехода оливина в шпинель). Температура здесь в результате указанных исследований около 1600 50 o С.
Вопрос о распределении температур в мантии ниже слоя В и ядре Земли еще не решен, и поэтому высказываются различные представления. Можно только предположить, что температура с глубиной увеличивается при значительном уменьшении геотермического градиента и увеличении геотермической ступени. Предполагают, что температура в ядре Земли находится в пределах 4000-5000 o С.
Средний химический состав Земли. Для суждения о химическом составе Земли привлекаются данные о метеоритах, представляющих собой наиболее вероятные образцы протопланетного материала, из которого сформировались планеты земной группы и астероиды. К настоящему времени хорошо изучено много выпавших на Землю в разные времена и в разных местах метеоритов. По составу выделяют три типа метеоритов: 1)железные, состоящие главным образом из никелистого железа (90-91% Fe), с небольшой примесью фосфора и кобальта; 2) железокаменные (сидеролиты), состоящие из железа и силикатных минералов; 3) каменные, илиаэролиты, состоящие главным образом из железисто-магнезиальных силикатов и включений никелистого железа.
Наибольшее распространение имеют каменные метеориты- около 92,7% всех находок, железокаменные 1,3% и железные 5,6%. Каменные метеориты подразделяют на две группы: а) хондриты с мелкими округлыми зернами - хондрами (90%); б) ахондриты, не содержащие хондр. Состав каменных метеоритов близок к ультраосновным магматическим породам. По данным М. Ботта, в них около 12% железоникелевой фазы.
На основании анализа состава различных метеоритов, а также полученных экспериментальных геохимических и геофизических данных, рядом исследователей дается современная оценка валового элементарного состава Земли, представленная в табл. 1.3.
Как видно из данных таблицы, повышенное распространение относится к четырем важнейшим элементам - О, Fe, Si, Mg, составляющим свыше 91%. В группу менее распространенных элементов входят Ni, S, Ca, A1. Остальные элементы периодической системы Менделеева в глобальных масштабах по общему распространению имеют второстепенное значение. Если сравнить приведенные данные с составом земной коры, то отчетливо видно существенное различие, заключающееся в резком уменьшении О, A1, Si и значительном увеличении Fe, Mg и появлении в заметных количествах S и Ni.
Фигуру Земли называют геоидом. О глубинном строении Земли судят по продольным и поперечным сейсмическим волнам, которые, распространяясь внутри Земли, испытывают преломление, отражение и затухание, что свидетельствует о расслоенности Земли. Выделяют три главные области:
земная кора;
мантия: верхняя до глубины 900 км, нижняя до глубины 2900 км;
ядро Земли внешнее до глубины 5120 км, внутреннее до глубины 6371 км.
Внутреннее тепло Земли связано с распадом радиоактивных элементов - урана, тория, калия, рубидия и др. Средняя, величина теплового потока составляет 1,4-1,5 мккал/см 2. с.
1. Каковы форма и размеры Земли?
2. Какие существуют методы изучения внутреннего строения Земли?
3. Каково внутреннее строение Земли?
4. Какие сейсмические разделы первого порядка четко выделяются при анализе строения Земли?
5. Каким границам соответствуют разделы Мохоровичича и Гутенберга?
6. Какая средняя плотность Земли и как она изменяется на границе мантии и ядра?
7. Как изменяется тепловой поток в различных зонах? Как понимается изменение геотермического градиента и геотермической ступени?
8. По каким данным определяется средний химический состав Земли?
Литература
-
Войткевич Г.В. Основы теории происхождения Земли. М., 1988.
-
Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет. М., 1978.
-
Магницкий В.А. Внутреннее строение и физика Земли. М., 1965.
-
Очерки сравнительной планетологии. М., 1981.
-
Рингвуд А.Е. Состав и происхождение Земли. М., 1981.
