2003 г. Начала работу рядом расположенная Мутновская геотермальная электростанция мощностью 50 Мвт.

Большое значение для развития инженерии геотермальных месторождений в России имели работы Б.И. Пийпа, В.М. Сугробова, Е.А. Вакина и их коллег и учеников В.А. Дрознина, А.В. Кирюхина и других [Кирюхин, Гусев, Делемень, 1991, с. 4].

1983 г. Советские ученые впервые в мире получили тепловые карты живого работающего мозга: приборы регистрировали термоответы на раздражения, не касаясь головы животного и человека. Мозг работает постоянно и непрерывно. Тепловые ответы на разные раздражители появляются в разных участках коры головного мозга. Сами тепловые волны могут быть четко локализованными в пространстве или же диффузными, то есть как бы размазанными [Смирнова, 1986].

В последнее время все чаще говорят о Земле, как о живой [Гольдин, 2003; Михаил, 2004]. Поэтому приведенные выше данные о тепловом поле головного мозга позволяют предположить, что и тепловое поле Земли с его изменениями во времени может являться неким суммарным, интегральным показателем (индикатором) «работы» всех геодинамических процессов, протекающих на планете – тепловой машиной.

Середина 1980-х гг. В мире разведано и эксплуатируется 16 крупных геотермальных месторождений с общей мощностью 2580 Мвт.

Конец 1980-х гг. В мире разведано и эксплуатируется 17 крупных геотермальных месторождений, обеспечивающих суммарную мощность ГеоЭС 4092 Мвт, в том числе очень крупное геотермальное месторождение «Гейзеры» в США, 1792 Мвт [Кирюхин, Делемень, Гусев, 1991, с. 3, 6].

2008 г. Геотермальные электростанции сооружены в 24 странах, их суммарная мощность составляет 8900 Мвт. Наибольшая доля этой мощности 2850 Мвт, приходится на США (в том числе 2490 Мвт на Калифорнию, на комплекс станций «Гейзеры»), но это составляет лишь 0,36% всего производства электроэнергии в стране. С 2000 г. производство геотермальной энергии во Франции, в Кении и в России утроилось

[Фишети, 2008].

2006 г. Исландия встала перед выбором: остаться лишь островком первозданной природы, привлекательной для большого количества туристов из всех стан мира, или совершить рывок в технологическое будущее. Проблема в следующем.

С одной стороны, в стране такое количество горячих источников, что почти все дома на острове отапливаются с помощью геотермальной энергии. Как один из результатов – чистота генофонда, которая приводит в восторг молекулярных биологов. С другой – желание вырваться в передовые страны мира путем использования дешевой электроэнергии с целью выплавки алюминия привело к крупнейшей за всю европейскую историю экологической катастрофе, за которую экологи всего мира осудили действия промышленников [Гьюдис, Бендиксен, 2008].

2006-2008 гг. Что-то похожее наблюдается в настоящее время и на Камчатке. С одной стороны, Камчатка «является уникальным «горячим пятном» на земном шаре и по мощности теплового выноса превосходит Исландию» [Смирнов, Сугробов, Галушкин, 1982]. На Камчатке, фактически, нетронутая природа и в последнее время имеет место все увеличивающийся поток туристов, включая и туристов из-за рубежа. С другой – стремление к лучшей жизни и большей независимости от центра толкает регион на расширение объемов добычи полезных ископаемых, включая газ и нефть.

Общие сведения о тепловом балансе Земли

[Ботт, 1974; с. 213 – 214; Гутенберг, 1963; с. 147 – 149]

Средняя температура на земной поверхности изменяется приблизительно от 0 до - 400С в районе Северного полюса и от -10 до -500 в районе Южного полюса и составляет

215

около 260 на протяжении всего года в экваториальной зоне. Средняя температура всей земной поверхности около 150, со средними колебаниями около 20 в течение года.

Температура какой-либо точки на земной поверхности зависит главным образом от солнечной радиации, достигающей этой точки, и угла, под которым солнечные лучи падают на поверхность. Следует учитывать также излучение, отдаваемое Землей обратно в пространство, и теплообмен посредством воздушных течений. Средний поток солнечного тепла, достигающий поверхности Земли на континентах, составляет по порядку величины 10-2кал/см2сек = 10 вт/см2. Поэтому поток тепла из недр Земли, составляющий около 10-6 кал/см2сек = 1 мвт/см2, по сравнению с ним пренебрежимо мал. Температура дна океанов определяется локальной температурой воды, которая в глубоких океанах близка к 00.

Изучение тепловых процессов, протекающих в Земле, - один из самых умозрительных разделов геофизики. Объясняется это тем, что данные о наблюдаемом на поверхности тепловом потоке и температуре в недрах Земли можно интерпретировать многими различными способами. Для областей Земли глубже 100 км наши знания о распределении температуры весьма ненадежны, а расположение источников тепла и механизм его переноса неизвестны. Однако изучение теплового режима весьма важно, поскольку потеря тепловой энергии Землей может быть, прямо или косвенно, причиной большей части тектонических и магматических процессов.

Основные энергетические процессы, в которых участвует Земля, представлены табл. 8.1. Самое большое количество энергии Земля получает от Солнца, но значительная ее часть переизлучается обратно в пространство. Лишь малая доля солнечной энергии проникает в глубину, измеряемую метрами. В слоях, расположенных близко к поверхности континентов, все периодические изменения температуры убывают с глубиной по экспоненциальному закону. На глубине порядка 1 м от поверхности суточные изменения температуры становятся настолько малыми, что ими можно пренебречь. Так при среднем для поверхностных пород коэффициенте теплопроводности χ ≈ 0,01 см2/с, интервал изменения температуры в 200С на поверхности Земли

теоретически составит около 1,40 на глубине 30 см и менее чем 00,004 на глубине 1 м. Изменение температуры на поверхности Земли на глубину 30 см передается примерно через 10 час. Лишь малая часть солнечной энергии проникает внутрь Земли на глубину, превышающую 30-40 м, где температура остается постоянной. Именно по этой причине начиная с этих глубин, как правило, в шахтах и производится измерение теплового потока.

Таблица 8.1. Основные составляющие энергетического баланса Земли [Трухин, Показеев,

Куницын, 2005, с. 55].

Эти расчетные значения, в основном, согласуются с наблюдениями. Поэтому солнечное излучение является основным источником энергии лишь для процессов, протекающих на поверхности твердой Земли и над ней. Влияние солнечной энергии на процессы в недрах Земли пренебрежимо мало по сравнению с той энергией, которая выделяется внутренними источниками тепла. Энергия, высвобождающаяся при

216

землетрясениях, как и энергия приливного трения, замедляющего вращение Земли, также невелика по сравнению с геотермической потерей тепла.

В настоящее время принято считать, что основным источником современной тепловой энергии в недрах Земли является радиоактивный распад долгоживущих изотопов. На ранних этапах истории Земли существенную роль в тепловых процессах могла играть освобождающаяся гравитационная энергия. По мере рассеяния тепла малая доля потока Земли переходит в другие формы энергии, которые вызывают тектонические и магматические процессы, метаморфизм и создают магнитное поле Земли (см. главу 7).

Энергетический баланс с позиции современной теории глобального развития Земли с его «привязкой» к тектонической активности и взаимосвязью с возможными эндогенными источниками энергии, возбуждающими геомагнитное поле, подробно описан в работе [Сорохтин, Ушаков, 2002, с. 204-212].

Тектономагматическая активность Земли связана с движениями земных масс и плавлением земного вещества. Проявляется эта активность в магматических внедрениях глубинного вещества в земную кору (например, в океанических рифтовых зонах Земли), в деформациях земной коры (например, в горных поясах Земли), во вторичном переплавлении коровых пород (например, в зонах подвига или при образовании гранитных плутонов), при землетрясениях и во многих других случаях движения земного вещества. Однако, в конце концов, все эти перемещения земных масс приводят к преобразованию кинетической энергии движения вещества в тепло, которое с течением времени рассеивается в окружающем пространстве и теряется с тепловым излучением Земли. Поэтому естественным мерилом тектономагматической активности Земли является поступающий из мантии глубинный тепловой поток.

Магнитное поле Земли возбуждается эндогенными источниками энергии. Мощность такого поля сравнительно невелика и, по разным оценкам, заключена в пределах от 2·1016 до 1019 эрг/с. В настоящее время можно считать почти очевидным, что генерация геомагнитного поля связана с конвективными процессами, развивающимися в жидком и электропроводящем веществе внешнего (жидкого) ядра Земли. (В предыдущей главе отмечен и другой механизм генерации геомагнитного поля, связанный с вихревыми движениями газообразного вещества, образующегося на границе между внутренними твердым и внешним жидким ядром). Ясно также, что магнитное поле Земли связано и с вращением Земли.

Основная сложность с разработкой теории геомагнитного поля, в соответствии с требованиями теории глобальной эволюции Земли, связана с тем, что в земном ядре отсутствуют заметные источники энергии, способные возбуждать это поле. Наиболее вероятными источниками энергии геомагнитного поля могут быть два процесса. Первый из них – это возможно продолжающееся остывание земного ядра после этапа его перегрева, связанного с формированием ядра в конце архея, в результате которого выделилось около 5,52·1037 эрг кинетической энергии. Второй и более реальный механизм генерации геомагнитного поля может быть связан с возникновением на поверхности земного ядра струйных течений дезинтегрированного мантийного вещества. Такие течения, по сути, замыкают собой конвективные движения мантии в единые замкнутые структуры, с механической точки зрения дополняя модель конвекции, и позволяют связать такую модель с механизмом генерации геомагнитного поля.

Определение теплового потока и геотермического градиента на континентах и в океане

Когда-то считалось, что Земля может по существу представлять собой тепловую машину. Это означает, что энергия, вызывающая геодинамические явления, может быть результатом тепловых процессов. Приведенные выше общего плана данные показывают, что в самом общем виде, «философски», такая точка зрения на процессы, протекающие на

217

Земле, может быть обоснована. Однако если говорить конкретно, с «термической» точки зрения, то в настоящее время нельзя определенно ответить на вопрос: «Может ли Земля рассматриваться как тепловая машина?» Термальная история Земли известна недостаточно, так как она непосредственно связана с проблемой происхождения Земли и солнечной системы, проблемой - еще далекой от своего решения.

Температура внутренних частей Земли в настоящее время известна с очень малой точностью. Температура ее верхних частей до глубин 50 км известна несколько лучше. Мы располагаем следующими источниками сведений о температуре верхних частей Земли: данными геотермических измерений, данными о генерации тепла главными типами горных пород в результате распада радиоактивных элементов, данными о температурах изливающихся лав и данными об электропроводности.

Тот факт, что тепло повсеместно истекает из недр Земли в пространство, с очевидностью доказывается повышением температуры с глубиной в любой скважине или шахте; температурные градиенты, измеренные на разных объектах, изменяются от 250 до 400С на 1 км. Следовательно, тепловой баланс может осуществляться только в том случае, если тепло поступает во внешнее пространство из недр Земли.

Следует отметить, что в некоторых случаях измеренный тепловой поток оказывается направленным в обратную сторону – от поверхности земли направление. Два таких случая были отмечены во время измерений теплового потока у берегов Камчатки во время рейса НИС «Вулканолог» в 1978 г. Однако оба эти случая, по всей вероятности, связаны с циркуляцией морской воды в верхней части земной коры, которая постоянно подвергается вследствии активных сейсмотектонических процессов дроблению и оползням [Смирнов, Сугробов, 1980б].

Тепловой поток определяется как произведение:

где χ - коэффициент теплопроводности, ∂T/∂n – температурный градиент по нормали n к поверхности Земли.

На континентах температурные градиенты определялись путем измерения температуры и коэффициента теплопроводности пород на различных глубинах в буровых скважинах. Обычно для этого применяются максимальные термометры, которые находятся нередко в воде, но часто в неподвижном воздухе. По возможности измерения проводятся в течение нескольких часов с помощью нескольких термометров одновременно. Перед измерениями необходимо выждать некоторое время, чтобы в скважине (или шахте) установилось тепловое равновесие. Это время должно быть в несколько раз больше времени, затраченного на бурение скважины. Затем значения, полученные в течение нескольких периодов измерений, осредняются.

Теплопроводность образцов горных пород из скважины измеряется или в лаборатории, или же непосредственно на месте.

На Камчатке оценка теплового потока проводилась по глубоким скважинам Богачевской структуры на Кроноцком полуострове; величина измеренного теплового потока составила 46±10 мВт/м2 = 1,11 мккал/(см2с) [Смирнов, Сугробов, Галушкин, 1982].

Пример измерения теплового потока в скважине «Рукхоуп» (Станоп, северная Англия) показан на рис.8.1. Тепловой поток здесь оценивается значением 2,16±0,07

мккал/(см2с).

По-видимому, впервые метод измерения термического градиента океанического дна опробовал Петтерсон. В последующие годы (1950 г.) Буллард и его коллеги применили этот метод в Тихом и Атлантическом океанах. Данный метод основан на измерении разности температур в отложениях океанического дна вдоль вертикального зонда, который имел длину около 0,5 м и диаметр около 3 см. В этих экспериментах зонд

218

находился примерно в течение 15 мин на расстоянии около 100 м над дном океана. После этого он со скоростью 2-3 м/с заталкивался в дно и оставался там в течение 30-40 мин. Поведение зонда детально изучалось и экспериментально и теоретически. По имеющимся оценкам при благоприятных условиях ошибки в определении температурного градиента не превышают 3%.

Рис. 8.1. Результаты определения теплового потока в скважине «Рукхоуп» (Станоп, Северная Англия). Измерения проводились через три года после завершения бурения. Измерения теплопроводности 13 гранитных образцов, взятых с равноотстоящих горизонтов между глубинами 427 и 792 м, представлены гистограммой внизу [Ботт, 1974, с. 215]. Общие результаты таковы:

На Камчатке и прилегающих к ней провинциях массовые измерения теплового потока на море стали проводиться Институтом Вулканологии совместно с другими Институтами страны в середине 1970-х г. Во время второго рейса НИС «Вулканолог» в 1977 г. по программе «Изучение роли теплового поля Земли в геодинамике» был выполнен большой объем измерений [Смирнов, Сугробов, 1979]. Использовались приборы конструкции А.Л. Александрова – ПТГ-3 с автономной регистрацией сигнала и ПТГ-4 с телеметрической передачей сигнала на борт судна по кабель-тросу.

В акваториях Охотского и Берингова морей исследовалось распределение температуры с глубиной. Оказалось, что годовые колебания температур на поверхности воды сильно затухают на глубинах 250-300 м и практически полностью на глубине 500700 м. Ниже устанавливается адиабатический градиент температуры и можно считать, что фактор колебания температуры на поверхности моря не влияет на температурное поле в осадках.

219