Одному из авторов этой книги пришлось много лет работать под непосредственным руководством Глеба Максимилиановича Кржижановского, который особое внимание обращал на разработку головных проблем науки и техники.
Главнейшей задачей науки академик Кржижановский считал познание стихий природы, с тем чтобы овладеть ими и поставить на службу человечеству. К наиболее плодотворным поискам таких проблем он относил поиски на стыках наук. Много внимания он уделял разработке проблемы энергохимического и энерготехнологического использования топлива.
К числу стихий, заслуживающих внимания, он относил не только огонь, электричество и атомную энергию, но и тепло недр Земли.
Именно под влиянием этого удивительно богатого идеями человека была начата и разработка представлений о дренажной оболочке земной коры.
Геотермальное тепло
Наибольшие силы, как известно, человечество тратит на добычу из недр нужных полезных ископаемых, и особенно топлива. И если с каждой тонной добытого угля или с каждой цистерной выкачанной нефти земная кладовая пустеет, то запасы термальных вод проницаемых слоев земной коры постоянно возобновляются, то есть практически неиссякаемы. Добыть же эту воду в недалеком будущем будет несложно. Освоенное в настоящее время бурение на глубину 3000—6000 метров доставляет на поверхность воду преимущественно с температурой 100—200° С и несколько выше. Такую воду можно легко упрятать в трубы и направить куда угодно.
Горячая вода уже обогревает многие города; ее используют для выращивания овощей и цитрусовых культур. Такая небольшая северная страна, как Исландия, термальными водами обеспечивает потребности в тепле городов и сельского хозяйства. В оранжереях Рейкьявика цветут розы, созревают различные овощи и даже бананы. Подземной горячей водой теплофицированы жилища половины населения Исландии. Причем Земля «работает» надежней и лучше любого парового котла. Подземные воды отличаются постоянством температуры и непрерывностью поступления.
Подземные источники Дагестана снабжают горячей водой теплицы и парники, жилые дома и общественные здания. На курорте Талая, расположенном на Колыме, в 280 километрах от Магадана, на поверхность выходит вода с температурой 92° и используется в лечебных целях, а также для обогрева зданий и теплиц, где растут все южные овощи и ягоды.
Ресурсы термальных вод с температурой от 60 до 100° в нашей стране так огромны, что в отдельных областях можно получать около 15 миллионов кубометров кипятка в сутки. Тепло термальных вод может сэкономить ежегодно 50—100 миллионов тонн хорошего каменного угля.
На картосхеме, составленной сотрудниками лаборатории геотермии Академии наук СССР под руководством Ф. А. Макаренко, выделено около 50 крупных артезианских систем бассейнов горячих и перегретых вод с солями ценных химических элементов. Площадь многих из них составляет десятки, сотни тысяч и даже миллионы квадратных километров. Особенный интерес представляют артезианские и трещинные системы вод и пароводяных смесей, температура которых при выходе на поверхность превышает 100° С.
Геотермальные электростанции
Тепло подземных вод и пород, безусловно, будет получать все более широкое, использование в теплофикации и энергетике. Больше всего горючих ископаемых в настоящее время расходуется на производство электрической энергии. Поэтому вопрос о возможности производства энергии на базе высокотемпературного тепла недр приобретает сейчас все большую остроту и актуальность.
Первопроходцами здесь были энергетики Италии, где еще в 1904 году была пущена первая геотермальная электростанция.
В 40-х годах итальянцы построили крупнейшую по тому времени геотермальную электростанцию мощностью 126 тысяч киловатт. Ее питают две сотни скважин, которые за час выводят на поверхность Земли около 3 тысяч тонн пароводяной смеси с температурой 180—200° и давлением 5—6 атмосфер. Этого достаточно для устойчивой работы турбин, общая мощность которых в Италии уже достигла 390 тысяч киловатт.
США, где работают геотермальные станции общей мощностью 350 тысяч киловатт, догоняют Италию. В Калифорнии, в районе Больших Гейзеров, сооружена и работает станция мощностью 193 тысячи киловатт. Проект предусматривает расширение ее мощности до 500 тысяч киловатт.
С 1971 года такая же станция мощностью 33 тысячи киловатт работает в Японии, где сейчас ведутся поиски для строительства новых станций.
В Мексике в 1973 году пущена станция на геотермальном тепле мощностью 75 тысяч киловатт.
В Новой Зеландии особенно богат геотермальными ресурсами Южный остров. Там на обширной площади протяженностью 240 и шириной около 80 километров обнаружено поразительное явление — аномально высокий рост температуры недр. На глубине 100 метров температура равна 140°, на трехсотметровой глубине она поднимается до 200—220°. В некоторых местах на километровой глубине температура пара достигает 270—290° С. На острове множество горячих источников, грязевых вулканов, гейзеров. В районе Вайракей работает самая мощная из ныне существующих электростанция на подземных источниках пара. В 1973 году мощность установок составляла 250 тысяч киловатт. В час новозеландцы извлекают из недр 50—60 тысяч тонн пара с давлением 14—25 атмосфер.
В Советском Союзе, на Камчатке, известно более 100 естественных выходов термальных вод и парожидких струй. При бурении скважины в районе реки Паужетки на глубине 250 метров зафиксирована температура 195°, а на глубине 375 метров — 200°. С 1967 года здесь работает опытно-промышленная гидротермальная станция мощностью 2,5 тысячи киловатт. Намечено дальнейшее развитие производства электроэнергии на базе термальных источников. Кроме работающей проектируется другая электростанция, уже большей мощности. Электроэнергия новой станции будет в 4 раза дешевле, чем на обычной тепловой станции.
В разных районах нашей страны можно встретить обширные поля с прогретой почвой, над которой поднимается пар. Есть такие «оазисы» и на Крайнем Севере, в районе вечной мерзлоты. Подземные горячие воды упорно прокладывают победный путь сквозь промерзшую толщу земли. И пусть рядом сорокаградусный мороз, бушует вьюга и метет поземка — зеленая трава тянется вверх, как будто смеется над холодом, обещая ему скорую гибель.
На Чукотке, Камчатке, Курильских островах обширные пространства, согреваемые термальными водами, круглый год покрыты изумрудным травяным ковром, ветвистыми кустарниками и даже цветами. Недалеко от Южно-Курильска на самом океанском берегу расположен поселок с очень метким названием — Горячий Пляж. Если создать там теплицы (а частью они уже созданы), десятки тысяч жителей будут обеспечены и горячей водой, и ранними овощами. Здесь можно будет выращивать даже ананасы.
В настоящее время на Земле уже построены и введены в действие гидротермальные электростанции, общая мощность которых в 1973 году составила 1,1 миллиона киловатт.
Мощность геотермальных станций в мире (тыс. кВт)
|
|
1966 г. |
1968 г. |
1971 г. |
1973 г. |
|
СССР |
— |
3,5 |
3,5 |
3,5 |
|
Япония |
0,5 |
20 |
33 |
33 |
|
Мексика |
— |
— |
— |
75 |
|
Новая Зеландия |
6 |
190 |
190 |
250 |
|
США |
12 |
82 |
173 |
350 |
|
Италия |
315 |
315 |
315 |
390 |
|
Итого |
333,5 |
609,5 |
713,5 |
1100 |
Планы
Несмотря на то что в Италии геотермальные станции работают уже на протяжении 70 лет и вырабатывают самую дешевую электроэнергию, во всем мире на геотермальные исследования почти не обращалось внимания. Только в 60-х годах геотермальные источники вызвали интерес, а ныне этот интерес стал злободневным. Особенный толчок развитию геотермальных исследований дало принятие в 1967 году Международного геотермального проекта ООН. В 1970 году в Пизе (Италия) был организован Международный институт геотермики для подготовки специалистов для развивающихся стран. В 1971, 1972 и 1973 годах ООН и Исследовательский центр США провели симпозиумы в Найроби, Нью-Йорке, Сиэтле и Нью-Дели, посвященные разработке проблемы использования геотермического тепла. В ООН организован специальный фонд для финансирования геотермальных изысканий, предоставляющий развивающимся странам Латинской Америки, Азии и Африки субсидии в размере до 1,5—2,5 миллиона долларов.
В Японии Управление по энергетическим ресурсам разработало и вынесло на утверждение парламента план использования геотермальной энергетики, по которому в 1975 году должно было начаться бурение скважин и обследование 75 районов. Готовятся к строительству и эксплуатации станции мощностью около 500 тысяч киловатт.
По прогнозам Института вулканологии СО АН СССР, на Камчатке могут быть сооружены станции общей мощностью до 375 тысяч киловатт. Намечается бурение скважин под основание Авачинского вулкана.
В Калифорнии, в районе Больших Гейзеров, где за 120 лет наблюдений не обнаружено снижения интенсивности выбросов пара с температурой до 400°, идущего с глубины 280 метров, намечается сооружение станций мощностью свыше 600 тысяч киловатт.
В США в 1970 году принят Геотермальный проект (закон 91—581—84, статья 1566), по которому установленная мощность Геотермальных станций должна была составить в 1975 году 750 тысяч киловатт, в 1985 — 132 миллиона, а в 2000 году — достигнуть 395 миллионов киловатт. Следовательно, по этому проекту мощность геотермальных станций к 2000 году увеличится по сравнению с 1973 годом в 1100 раз.
Освоение энергии термальных вод осуществляется теперь и во многих городах и районах СССР.
Большие преимущества геотермальных станций перед тепловыми, атомными и гидростанциями состоят прежде всего в простоте их оборудования. Они строятся в 2,5—5 раз быстрее тепловых, не нуждаются в складах топлива и в очистных сооружениях. Они не загрязняют атмосферу дымом, вредными газами, не засоряют водные бассейны вредными отбросами. Энергия геотермальных станций конкурирует с атомной, является самой дешевой. Отработанная на электростанциях горячая вода может быть использована и используется для теплофикации и для выделения из нее различных химических соединений — соды, поташа, хлоридов, бикарбонатов, сульфатов, боратов и таких особо ценных веществ, как серебро, литий, цезий, ртуть и многие другие. Встречаются геотермальные воды и с повышенным содержанием тяжелой воды. Поэтому возникло комплексное использование гидротерм — для получения энергии и химических веществ, теплоснабжения, теплофикации.
Возражают энергетики
Несмотря на такие преимущества геотермального тепла, оно пока еще не всегда находит поддержку у тех, кто занимается большой энергетикой. Главная причина недооценки ими геотермального тепла в том, что наиболее высокотемпературные воды находят пока лишь вблизи действующих или недавно действовавших вулканов.
Но высокотемпературное тепло горных недр есть всюду под нами, и, кажется, проще простого наклониться и «поднять» этот дар природы. Однако доступность геотермальной энергии все же не так проста. Основной недостаток в том, что она рассеяна по многим миллионам тонн пород и вод. В этой рассеянности ее сходство с солнечным теплом. Правда, Солнце за год на каждый квадратный сантиметр земной поверхности проливает энергетический дождь в 260 больших калорий. Это примерно в 7 тысяч раз превышает тепловой поток, поступающий из недр к тому же квадратному сантиметру.
Энергетики ищут и признают пригодными для большой энергетики только такие ее источники, которые обеспечивают создание крупных, непрерывно действующих электростанций. Ни ветер, ни волны, ни Солнце, ни тепло недр земных не удовлетворяют этим высоким требованиям большой энергетики, по крайней мере при современной технике и технологии добычи. Казалось бы, солнечная энергия может претендовать на самое почетное место среди пригодных источников тепла и света. Но светит Солнце днем, когда и так светло, а греет летом, когда и так жарко, — острят противники гелиоэнергетики. А ведь Солнце только за один год посылает на Землю в сотни раз больше тепла, чем его заключено во всех выявленных ресурсах органического топлива в виде углей, нефти и природного газа. Наилучшим способом использования солнечного тепла в энергетике, по мнению многих специалистов, является выращивание растительного вещества, которое в какой-то мере может заменить уголь и другое топливо. Разрабатывается и многообещающий процесс получения свободного водорода путем фотосинтеза.
Энергия ветра, морских волн, приливов и отливов, даже энергия гидроэлектростанций, с точки зрения представителей большой энергетики, не может принять серьезного участия в развитии большой энергетики, во всяком случае пока…
Большими недостатками, по их мнению, обладает и тепло недр в отношении возможности использования его для создания крупных электрических станций. Опираясь на неполные сведения и взгляды о строении земной коры, энергетики считают, что даже на небольших глубинах, 5—10 километров, нагретые до 150—250° С породы являются сухими, непроницаемыми для воды и пара. Они твердо знают, что породы обладают низкой теплоемкостью и теплопроводностью. Это значит, что для того, чтобы забрать их физическое тепло (пропуская через них воду, получая пар), надо предварительно их раздробить, и по возможности на мелкие куски. Знают энергетики и то, что для замены 1 тонны нефти им надо будет дробить 50—100 тонн пород, и пород прочных. Помнят они, что одна крупная станция расходует за один год до 5 миллионов тонн нефти.
Выходит, что дробить надо будет ежегодно по нескольку миллиардов тонн пород, да еще наверное с применением атомной энергии. Но чтобы не загрязнять воздушный и водный бассейны, надо подождать с использованием пара, а пока будешь ждать, от трещин, созданных в породах дроблением, ничего не останется, ведь геологи пишут, что всякие трещины и пустоты мгновенно «захлопываются» под влиянием существующего на глубине 5—10 километров давления.
Защитники геотермального тепла убеждают энергетиков, что, пробурив несколько скважин и взорвав там атомную бомбу, можно будет, закачивая в определенные скважины обычную холодную воду, получать из соседних горячую воду и пар практически вечно, так как тепло недр возобновляемо, радиоактивные вещества выделяют тепло непрерывно, кроме того, такие системы можно отрегулировать, так, чтобы тепловой баланс на участках эксплуатации вообще не нарушался. Но энергетики знают, что физическое тепло возобновляемо только чисто теоретически. Ведь радиоактивное тепло, выделяющееся даже в самых богатых радиоактивными элементами породах — гранитах, так мизерно, что оно сможет нагреть остывшие породы только на протяжении сотен миллионов лет. В каждом кубическом километре гранитов на протяжении года выделяется столько же тепла, сколько его выделяется при сгорании только 3 тонн топлива. Можно ли считаться с теплом распада радиоактивных веществ, если в. 1 тысяче кубометров пород за год выделяется тепло сгорания 1 грамма угля. Энергетики и слышать не хотят, что радиоактивное тепло, недр вечно возобновляемо. Попробуйте, говорят они, получать пар в парилке, полив нагретый камень водою и ожидая затем, когда он снова нагреется своим радиоактивным теплом.
Имеется некоторый опыт по извлечению физического тепла из недр путем подземной газификации угольных месторождений. Породы в этом случае нагреваются путем закачки воздуха или даже кислорода к подожженному угольному пласту. Уголь сгорает и нагревает породы. При этом, конечно, получают прежде всего горючий газ, который может быть использован для энергетики и химической промышленности. Но в недрах остаются нагретые породы, тепло которых ждет использования. Сделать это, однако, не так просто. Породы оказывались достаточно хорошо проницаемыми для того, чтобы воздух или газ, закачиваемые в скважины, уходили не туда, где они нужны, а во все стороны, по трещинам и другим пустотам.
Таким образом, все, что известно энергетикам о геотермальном тепле и о строении самих недр земных, не дает оснований считать это тепло базой для большой энергетики. Они, не отрицая народнохозяйственного значения этого тепла, предлагают широко использовать его для отопления промышленных и жилых зданий, теплиц, бассейнов, для электростанций и холодильников. Это позволит несколько сократить расход топлива, нужного для энергетики.
Таким представляется энергетикам использование геотермального тепла. Их пессимизм можно понять. Ведь они в своих суждениях опираются на еще широко признанные, но уже устаревшие представления о полной непроницаемости пород земной коры.
Однако сомневаются они напрасно. Кора в действительности проницаема всюду, и особенно в той оболочке, которую, как уже показано, следует называть дренажной. Это пока теоретическое представление может коренным образом изменить положение дел.
Тепло глубин — прогнозы
Попробуем подсчитать, как велики ресурсы высокотемпературного пара в недрах всей дренажной оболочки земной коры.
Занимает дренажная оболочка слой между поверхностями Мохоровичича и Конрада. На суше это толща пород мощностью 5—10 километров, под горными областями — 15 и более километров. В коре океанов поверхность Конрада отсутствует. Но кора океанов, как и кора суши, тоже состоит из трех слоев: осадочных пород, первого и второго слоя базальтов. Наиболее выдерживается мощность только второго слоя, лежащего непосредственно над поверхностью Мохоровичича. Можно с большой обоснованностью считать, что именно мощность второго слоя есть главная мощность дренажной оболочки. Она в океане в среднем близка к 3 километрам.
Для простоты расчета примем, что она всюду равна 3 километрам, что пористость ее равна только 5 объемным процентам, в действительности она может быть равной и 10 процентам. Плотность пара под давлением в 1—3 тысячи атмосфер примем равной 1 грамму на кубический сантиметр.
Тогда под каждым квадратным метром земной поверхности в порах дренажной оболочки находится 150 тонн пара, что по энергии эквивалентно 15—20 тоннам условного топлива. Под территорией такого города, как Москва, ресурсы пара эквивалентны 15 миллиардам тонн хорошего угля.
Если подсчитать, сколько такого тепла под материками и под всей поверхностью суши и океана, то получится весьма внушительная цифра, соответствующая 1016 тонн условного топлива.
Эта величина в 10 тысяч раз превосходит количество тепла, заключенного в разведанных ресурсах органического и атомного топлива, которые в настоящее время оцениваются в 1012 тонн.
Дренажная оболочка — это паровой котел постоянного действия. Теплом для нагрева воды и превращения ее в пар служит физическое тепло пород, слагающих дренажную оболочку и подстилающих кору слоев мантии.
Отбор пара из оболочки будет вызывать охлаждение нижних ее горизонтов и пород мантии с увеличением мощности коры. Количество тепла, эквивалентное 1016 тонн условного топлива, можно получить при увеличении мощности коры на 1 километр со средней величины с 16 до 17 километров.
На земном шаре в настоящее время ежегодно сжигается около 8 миллиардов тонн органического топлива. К концу текущего столетия ежегодный расход может достигнуть 20—25 миллиардов тонн. При таком расходе органического топлива хватит примерно на 150 лет, а вместе с атомной энергией — на 300 лет. Однако следует помнить, что, как говорил Д. И. Менделеев, нефть не топливо, топить можно и ассигнациями. Нефть чрезвычайно, да и уголь тоже нужны будут прежде всего для химической промышленности.
Энергия, заключенная в дренажной оболочке, по ресурсам уступает только ядерной энергии — энергии тяжелой воды. Известно, что в каждом литре морской воды содержится столько тяжелой воды, что решение проблемы использования ее для получения энергии в ядерных реакторах откроет возможность заменить 300 килограммов нефти. В океанах находится 1,4∙1021 литров воды. Умножив эту цифру еще на 0,3, получим потенциальные ресурсы ядерного тепла в виде цифры с 20 нулями — 4,2∙1020 тонн нефти.
Следует отметить, что если отнять все физическое тепло, заключенное в теле нашей Земли, то получится примерно такая же величина. Выходит, что геотермальное тепло Земли и ядерное тепло тяжелой воды близки по своим потенциальным ресурсам. Но геотермальное тепло в отличие от ядерного не требует для использования разработки теоретических проблем, которые трудны и пока неизвестно еще, насколько далеки от решения.
Для скважин точное место
Тоньше всего кора в океане, особенно в его глубоких районах. Поэтому пробурить такую скважину скорее и проще в коре океана, тем более там, где на небольшой глубине находятся вулканические сойки, сквозь которые добраться до проницаемой оболочки легче, чем через слой воды океана. Но разработаны уже средства и устройства, позволяющие бурить и через мощный слой воды. Технически возможно пробурить скважину и на суше под неглубокий промежуточный вулканический очаг, как это и намечается сделать, например, на Камчатке.
В США уже пробурено несколько скважин до глубины, превышающей 9 километров; правда, все они проходят сквозь толщу осадочных пород.
Однако скважины в дне океана, вдали от суши и от потребителей энергии, имели бы огромный, но чисто научный интерес. Для практического использования тепла дренажной оболочки потребуются скважины не столько в океане, сколько на суше.
Есть ли какие-нибудь основания считать, что и в коре суши можно пробурить даже уже имеющейся техникой бурения скважину, по которой будет выходить пар из дренажной оболочки? Такие основания имеются. Ведь земная кора расчленена глубинными разломами и трещинами на крупные блоки, а они в свою очередь разбиты множеством трещин различного размера и происхождения. Если такие глубокие разломы достигают сложной системы трещин и других полостей, создающих дренажную оболочку, то возможность вывода горячих паров из недр коры суши становится реальной. Надо только определить такую систему трещин, которая «живет», отзывается, скажем, на движение приливной волны.
Проблема выявления разломов в земной коре получила новое значение для геологической науки, когда выяснилась тесная связь размещения геотермальных месторождений самых различных рудных и других полезных ископаемых с глубинными разломами. Оказалось, что даже многие месторождение нефти также связаны с разломами. Пока причины такой связи не имеют объяснения, но если принять во внимание наличие в дренажной оболочке растворов самых различных минеральных веществ, то проблема происхождения руд и размещения многих их месторождений станет более доступной для понимания.
Многие месторождения минеральных ресурсов, разработка которых ведется десятилетиями и веками, уже постепенно исчерпываются. Поиски новых месторождений приходится вести на все больших глубинах, и поэтому связь их образования с растворами дренажной оболочки и с разломами, идущими к ней, будет иметь большое практическое значение.
Поисковые признаки «живых» разломов
Разломы земной коры, достигающие дренажной оболочки, могут иметь огромное значение для практического использования высокотемпературного пара. Если разлом еще «живой», если он на большую высоту заполнен паром, то бурить скважину над ним надо будет только до того уровня, куда пар сам поднимается по трещине.
Как же отличить разлом «живой» от уже застывшего? Уже сейчас можно найти некоторые поисковые признаки «живых» разломов. Это, например, величина тепловых потерь коры над разломом. Ведь если в недрах коры пар может подняться по разлому на 10—15 километров кверху, то породы разлома, его стенки будут иметь повышенную температуру и интенсивнее передавать тепло вверх, к дневной поверхности. В таком случае величина тепловых потерь над разломом будет более высокой, чем над прилегающими к разлому участками. Если же различия потерь тепла нет, то разлом можно считать уже застывшим, «заснувшим».
В последние годы в СССР разработан новый и весьма эффективный метод определения интенсивности выхода воды и газов из недр земной коры. Наиболее показательным признаком оказалось содержание гелия в подземных водах. Гелий образуется при распаде радиоактивных элементов и на протяжении сотен миллионов и миллиардов лет накапливается в недрах и растворяется в воде. Считалось, что, чем больше гелия в воде, тем она застойнее, то есть тем старше по длительности пребывания в недрах.
Эта гипотеза полностью отпала после проведения систематических обследований подземных вод на больших территориях. Оказалось, что в воде гелия тем больше, чем ближе место отбора проб воды к глубинным разломам. Над разломами обнаружены воды, содержание гелия в которых так велико, что не только за 3—5, но и за 30—50 миллиардов лет не могло столько попасть в воду за счет радиоактивного распада. Гелий идет из глубин по разломам, но каковы причины и источники его, еще не ясно. Этот факт считается убедительным свидетельством постоянного выхода воды из глубин, что дает основание считать опасным глубинное захоронение вредных отходов промышленности и атомной энергетики.
Одним из наиболее грандиозных и постоянно действующих источников гелия в недрах земной коры, по нашему предположению, являются пары, газы и растворы, заполняющие дренажную оболочку. Ежегодно в. эту оболочку проникает около 150 кубических километров атмосферных вод, которые привносят сюда содержащийся в них гелий. На своем пути воды увлекают и тот гелий, который они вымывают из пород земной коры, особенно из гранитов и пород самой проницаемой оболочки.
При переходе водных растворов в пар гелий начинает подниматься вверх. Особенно значительным должен быть при этом его выход по глубинным разломам. Можно утверждать, что не только гелий, но и криптон и другие газы должны по глубинным разломам подниматься кверху и, чем моложе разлом, чем он глубже проникает в дренажную оболочку, тем более интенсивным будет выход газов, особенно гелия, над разломами. Важно, что газы эти в таком случае не обязательно должны иметь радиогенное происхождение.
Отсюда следует, что выход гелия, как и величина тепловых потерь, может служить поисковым признаком «живых» разломов.
Сколько пара может выдать скважина?
Некоторые оценки можно получить при рассмотрении производительности естественных скважин, следы деятельности которых остались на дне Мирового океана. В Тихом океане, который занимает площадь 180 миллионов квадратных километров, более половины дна покрыто относительно мелкими сопками вулканического происхождения — их насчитано уже, мы говорили, около 200 тысяч, а на каждую сопку приходится площадь 500—700 квадратных километров. Сопки имеют высоту от 50 до 1000 метров и ширину основания, от 1 до 10 километров, находятся они друг от друга на расстоянии в среднем 25—50 километров.
Выброс, образовавший такую сопку, происходил чаще однократно. Пар выходил из недр дренажной оболочки при противодавлении слоя океанической воды, глубина которой близка к 4,3 километра, а давление — к 450 атмосферам. Выброс прекращался, когда в дренажной оболочке у устья сопки давление пара снижалось до противодавления. Какое же количество пара выбрасывалось при этом в воду океана?
Для ориентировочного расчета можно принять мощность дренажной оболочки 3 километра и ее пористость — 5 процентов. Под каждым квадратным метром при давлении 1000 атмосфер заключено 100—150 тонн пара, а под площадью, приходящейся на каждую сопку, — примерно 70—100 миллиардов тонн. При выбросе пара до давления 450 атмосфер, создаваемого весом океанической воды, количество вышедшего пара может составить 35—50 миллиардов тонн. Из этого количества паровых растворов при снижении давления и температуры выпадут такие труднорастворимые вещества, как силикаты, алюмосиликаты и другие, о которых мы говорили, с накоплением на дне лавы, образующей сопку. Каждый процент труднорастворимых веществ даст при таком количестве пара массу 350—500 миллионов тонн. При выпадении не одного, а 2—3 процентов труднорастворимых компонентов могли образоваться сопки таких размеров, какие в действительности покрывают дно.
Этот расчет показывает, что производительность и продолжительность действия скважины при условии регулируемого отбора пара могут обеспечить длительную работу электростанции мощностью 5 миллионов киловатт, поскольку за год такая станция потребует 100—200 миллионов тонн пара. Это только за счет емкости оболочки, которая, однако, не только резервуар, но и котел непрерывного действия, куда по мере выхода пара поступают все новые его массы из соседних мест.
Поэтому судить о рентабельности работ по бурению скважин в дренажную оболочку надо с учетом того, что по производительности и длительности действия такая скважина не может приравниваться к скважинам на. нефть, воду и природный газ. Одна скважина в дренажную оболочку по своей эффективности может заменить многие сотни и даже тысячи скважин для добычи нефти и тем более горячей воды. Поэтому, чего бы ни стоило бурение скважины, ее эксплуатация будет рентабельной, а технические, экономические и социальные преимущества геотермальных электростанций сделают их строительство и эксплуатацию предпочтительными по сравнению со всеми другими видами энергетики.
Теперь о трудностях, ожидаемых и неожиданных.
Прежде всего надо найти способы бурения и закрепления труб в скважинах, чтобы их не вытолкнуло вверх и не начало бы действовать первое искусственно вызванное вулканическое извержение. Надо иметь средства, пригодные для регулирования режима выдачи пара. Потребуются, конечно, особые способы теплоизоляции труб, по которым пойдут горячие пары и растворы. На внутренней поверхности паропроводов будет возникать «накипь» — результат выпадения минеральных солей. Борьба с отложением солей потребует тоже значительных усилий, хотя уже широкое применение для борьбы с этим находит омагничивание труб, которое оставляет отложения в объеме воды и отталкивает их от. поверхности труб. Омагничивание труб, конечно, надо создавать на нижних или средних глубинах скважин.
Куда труднее будет задача изготовления труб, выдерживающих давление до 500 и 1000 атмосфер и способных выводить 10—15 и более тонн пара в секунду — столько пара необходимо только для одной станции мощностью 5 миллионов киловатт. В тепловых станциях расходы воды меньше, так как воду стараются возвращать в котлы, поскольку конденсирующаяся из пара вода не жесткая и не образует накипи ни на поверхности котельных труб, ни в турбинах. Но зато геоэлектростанция не потребует для себя ни 10 миллионов тонн нефти, пи 20 миллионов тони угля, которые расходуют тепловые электростанции такой же мощности. Геотермальная станция не нуждается в железнодорожных путях для подвоза топлива и складах для топлива, не требует сооружения очистных установок и дымовых труб, ведь на ней не сжигают топлива и даже не расходуют кислорода атмосферы и не выбрасывают вредных продуктов сгорания, образующихся при сжигании всех видов химического топлива.
Можно создать промежуточные емкости, «магазины», для высокотемпературного пара на глубине 5—10 километров, с тем чтобы пар для электростанций поступал из них равномерно, без «всплесков». В качестве таких емкостей могут служить естественные, обладающие проницаемостью слои, например бывшие месторождения нефти, газа или воды. Можно использовать и искусственно вызванные разломы, трещины и другие полости, которые образуются при взрыве на нужной глубине.
Соединив такие емкости с дренажной оболочкой скважиной или бурением с помощью «крота», можно заполнить их высокотемпературным паром и сделать такой пар доступным для бурения и, вероятно, более чистым в смысле содержания в нем летучих с паром минеральных веществ.
Изложенное позволяет утверждать, что, несмотря на далеко еще не решенные вопросы глубинного бурения, скважины в дренажную оболочку могут давать самое дешевое тепло для крупнейших электрических станций.
Можно ли предвидеть какое-либо влияние отбора тепла недр на климат, на распределение суши и океана; на соотношение между занятыми ими площадями?
По-видимому, нет никаких оснований опасаться использования того тепла, которым недра обогревают земную кору. Оно незначительно по сравнению с теплом, приходящим от Солнца. Скорее заметное влияние на климат Земли может оказать тепло горячих вод, выбрасываемых геотермальными электростанциями. Но если остающиеся горячие или теплые воды возвращать через отработанные скважины в дренажную оболочку, то нежелательное влияние можно свести к нулю.
При долгом, измеряемом веками отборе тепла из недр могут измениться высота суши над уровнем океана и толщина океанической коры. Существующее соотношение, как было показано, определяется перемещением тепла и растворенных минеральных веществ из коры суши в кору океана.
Расчеты тепловых балансов процессов, поддерживающих существующее соотношение между сушей и океанами, показывают, что перенос тепла вполне соизмерим с количеством тепла, которое будет расходоваться уже в ближайшие годы. Перемещаемое тепло равно теплу примерно 20 миллиардов тонн топлива. Такой расход тепла будет достигнут еще в XX веке.
Значит ли это, что механизм, поддерживающий нынешнее соотношение площадей материков и океанов, перестанет работать? Нет, не значит. Дело в том, что общее количество растворов, заполняющих дренажную оболочку, в сотни тысяч раз превосходит тот объем растворов, который ежегодно поступает сквозь кору суши в дренажную оболочку и выходит из нее сквозь кору океана. Это огромнейшее количество водных растворов и паров находится под постоянным и высоким давлением, и извлечение из оболочки небольших долей растворов не может сказаться на устойчивости механизма земной коры.
Паровой котел в три гектара на каждого!
Конечно же, возникает проблема рационального использования отработанной воды и охраны среды. Крупный город будущего потребует создания электростанций общей мощностью до 20 миллионов киловатт и будет получать отработанную охлажденную до 100° С или ниже воду в количестве, близком к миллиарду тонн. Эти воды могут пойти, как делается и теперь, на различные виды теплоснабжения и хладоснабжения, на обогрев тепличного хозяйства, на создание спортивных и других бассейнов. Вода с такой температурой может быть использована в городских холодильниках. Можно предполагать, что она позволит обогревать тротуары и другие пешеходные и транспортные участки дорог и площадей.
Нельзя переоценить значения химических веществ, которые при комплексном использовании растворов дренажной оболочки могут быть выделены для нужд химической и металлургической промышленности, сельского хозяйства и других нужд. Богаче стойкими в растворах веществами будут, естественно, растворы из скважин, пробуренных в дренажную оболочку океанического дна и более удаленных от берегов, поскольку именно туда, под наиболее глубокие места, пройдя длительный путь от возвышенных участков континентальной коры, они поступают обогащенные широким ассортиментом солей.
Конечно, на пути к овладению гидротермальным теплом недр лежат немалые трудности.
Но следует помнить — на каждого человека в недрах имеется паровой котел площадью в 3 гектара на суше и 9 гектаров под океаном.
Ресурсы жидкой руды
Читателю уже известно, что дренажная оболочка богата не только высокотемпературным паром. Нижние ее слои содержат огромные ресурсы растворов минеральных веществ самого широкого ассортимента. На протяжении длительного существования дренажной оболочки в ее растворах накопились соединения, в состав которых входят все элементы таблицы Менделеева.
Нет в нашей планете никакого другого источника рудных растворов, который по своей грандиозности и повсеместной доступности мог бы сравниться с дренажной оболочкой. Только из нее могли выйти те растворы, которые образовали на дне Мирового океана 400 миллиардов тонн железомарганцевых конкреций. Только эти же растворы могли создать на земном шаре крупнейшие месторождения кварцитовых железосодержащих руд, общее количество которых в 5—10 раз превосходит запасы железомарганцевых конкреций. И именно они дали в океаническую воду такое количество солей, что при равномерном распределении по всей поверхности Земли они образовали бы слой мощностью в 100 метров!
Образование гидротермальных месторождений рудных ископаемых определяется многими факторами, но главным условием накопления руд является наличие водных растворов, содержащих рудообразующий компонент. Установлено, что большинство месторождений связано с глубинными разломами, и это свидетельствует о происхождении руд из растворов дренажной оболочки. Поднимаясь по разломам, растворы попадают в условия, благоприятные для реакций, в результате которых растворимые соединения превращаются в нерастворимые и накапливаются, образуя месторождение.
Вещества, содержащиеся в растворах дренажной оболочки, неодинаковы по растворимости и химическим свойствам. Поэтому в начале восхождения растворы оставляют те из них, которые наиболее активно реагируют с минералами вмещающих пород и образуют при этом наименее растворимые соединения. Остаточный раствор, теряя соединение, образовавшее месторождение, обогащается веществами, извлеченными из окружающих пород. Движение растворов продолжается, и в других слоях, при других условиях, накапливается месторождение других, менее активных компонентов и так далее.
Представление о дренажной оболочке, заполненной растворами различных веществ, позволяет ожидать, что уже в недалеком будущем необходимое минеральное сырье будет добываться не из шахт, а непосредственно из растворов. Тогда не потребуются поиски месторождений, строительство шахт и добыча руды.
Надо будет выводить на поверхность растворы из дренажной оболочки. Выйдя из скважины, пробитой в «живом» разломе, они будут поступать в необходимых и регулируемых количествах на предприятия под собственным давлением. Все необходимые вещества из них будут извлекаться новыми методами, которые теперь начинают осваиваться. К таким перспективным методам относятся сорбация на ионообменных смолах, хроматография, электрохимические и др.
Источник: С.М. Григорьев, М.Т. Емцев. Скульптор лика земного. Изд-во «Мысль». Москва. 1977