История геотермии в России
История геотермии Камчатки
Первые геотермальные исследования на Камчатке были проведены Степаном Петровичем Крашенинниковым во время его путешесствия в 1737-41гг. Им были посещены термальные источники в бассейне реки Озерной на юге Камчатки, на реке Банной, Начикинские и на реке Шемеча (Нижне-семячинские источники?) . Краткое данные о них приводятся в его работе "ОПИСАНИЕ ЗЕМЛИ КАМЧАТКИ".
Одновременно с Крашенинниковым С.П. вулканы и термальные источники исследовал Стеллер Г.В. (смотри в ПРИЛОЖЕНИИ "Из Камчатки в Америку"), участник экспедиции Витуса Беринга В.Й.(смотри ПРИЛОЖЕНИЕ о Беринге ) В начале XIX века Камчатку посетил Эрман Г.А. Наиболее детальное исследование вулканов и термальных источников до 20 века Камчатки было проведено Карлом фон Дитмаром. В частности, им впервые сделано научное описание кальдеры Узон (смотри в Приложении "Поездки пребывание в Камчатке в 1851-55гг).
Крашенинников С.П.
О ГОРЯЧИХ КЛЮЧАХ
"Горячие ключи я наблюдал в шести местах: 1) на р. Озерной, вытекающей из Курильского озера; 2) на р. Паудже, впадающей в р. Озерную; 3) на р. Бааню; 4) близ острога Начикина; 5) около устья р. Шемеча; 6) в его верховьях.
Источники, находящиеся по р. Озерной, выбегают ручьями на ее южном берегу. Некоторые из них впадают прямо в эту реку, другие текут вдоль берега и соединяются в один ручей, впадающий в р. Озерную. Эти ключи меньше и холоднее других, ибо температура их достигала только 65°, в то время, как температура воздуха достигала 148°.
Пауджинские источники находятся на расстоянии 41/2 верст от описанных. Они бьют из-под земли на чистом, высоком и плоском холмике. Холмик выделяется мысом над рекой, образуя ее крутой берег, остальные его склоны пологие.
Ключи с шумом бьют во многих местах, как фонтаны на 11/2 фута в высоту1. Некоторые образуют озера в больших углублениях, из которых текут маленькими ручейками. Соединяясь друг с другом, они образуют множество островов и впадают в р. Пауджу. Одно озерко глубиной сажени в две.
На сухих местах и островках находятся многочисленные отверстия, одни, как булавкой проткнутые, другие больше, а некоторые почти до полуаршина. Из широких вода не бьет, а из маленьких стремительно вырываются пар и вода. Вокруг отверстий находится глина различных цветов, вымытая из них водою. Встречается и горючая сера, особенно по краям тех отверстий, из которых идет пар.
------------------------------------
1 Описанные Крашенинниковым фонтаны горячих источников, повиди-мому, гейзеры, которые недавно были заново открыты на Камчатке. Прим. ред.
Ключи выбегают из-под крутого яра, высотою сажени в две. Плотный камень, из которого состоит яр, а может быть, и весь, холм, снаружи твердый, а изнутри настолько мягкий, что мнется в руках, как глина. Поэтому можно считать, что выбрасываемая из отверстий глина не что иное, как выветрелый от влаги и жары камень. На вкус глина кислая и вязкая. В разломе в ней и выветрелом камне виден белый налет, напоминающий мох. Глина пестро окрашена подобно мрамору в синий, белый, красный, желтый и черный цвета, особенно яркие, когда она влажная.
На островке р. Пауджи против описанного места выходят также горячие источники, но более слабые. Температура источников на р. Паудже колеблется от 10 до 115°.
Источники на р. Бааню почти ничем от Пауджинских не отличаются. Они бегут по обоим берегам реки, а так как южный берег высок, а на северном стоит утес, то горячие ключи южного берега текут в Бааню ручейками, а с утеса падают в реку водопадом.
Между ключами южного берега особенно интересно одно место, где из бесчисленных отверстий различного диаметра с большим шумом вода бьет вверх на 2 аршина. Термометр, опущенный в самый ключ, показывал 15°, а на воздухе 185°.
Болыиерецкие ключи текут большим ручьем между отлогими горами, по узкой долине с болотистыми берегами и каменистым дном, покрытым мхом. Температура воды в верховьях этого ручья до 231/2°, вниз по течению она все более и более уменьшается и достигает у устья 115° при температуре воздуха 175°.
Горячий ручей, находящийся близ устья Шемеча и впадающий в Восточный океан, гораздо больше Большерецкого. Он достигает в устье 3 саж. ширины и до полуаршина глубины. Ручей стремительно течет между высокими скалистыми горами. Дно его состоит из камня, покрытого зеленым мхом, который в тихих местах и около берегов плавает на поверхности. В устье ручья вода имеет летнюю температуру, а в верховьях в марте месяце по его берегам растут (зеленые травы, и некоторые из них в цвету.
К западу от верховий этого ручья, по направлению к последним горячим источникам в верховьях р. Шемеча, приходится переезжать через высокий хребет. На восточном его склоне недалеко от вершины имеется ровная, ничем не заросшая, площадка, покрытая серыми камнями. На ней во многих местах стремительно выходит горячий пар и слышен шум клокочущей воды. Поэтому я приказал копать землю, надеясь, что можно добраться до воды. Земли было только поларшина, а под ней лежал камень, так что мое желание оказалось невыполнимым. Но, несомненно, что вода скоро выбьется там на поверхность.
Горячие ключи, впадающие слева, в верховьях р. Шемеча находятся на спуске о западного склона того же хребта, в глубоком
План горячих ключей, текущих в речку Бааню
овраге, окруженном высокими, во многих местах дымящимися горами. В овраге, на 11/2 версты ниже спуска, тянутся многочисленные кипящие ключи, соединяющиеся затем в один ручей.
Особенно интересны два больших источника. Один из них имеет 5, а другой 3 сажени в диаметре; глубина первого 1/2, а второго — 1 сажень. Вода кипит в них белым ключом, как в огромных котлах, и с таким шумом, что не слышно не только разговора, но и крика. Из источников идет такой густой пар, что в сем^и саженях не видно человека. Поэтому и кипение ключей можно увидеть только припав к земле. Расстояние между источниками сажени три. Все оно колеблется, как зыбучее болото. Итти по нему нужно с опаской, чтобы не провалиться. Эти ключи отличаются от других тем, что на их поверхности плавает вещество, похожее на черную китайскую тушь; оно с трудом отмывается от рук. Встречается также свойственная всем горячим ключам разноцветная глина, известь, белый налет и горючая сера. Во всех горячих ключах вода мутная и пахнет тухлыми яйцами.
Камчадалы, которые считают все горячие источники, как и вулканы, жилищами духов, опасаются к ним близко подходить. Поэтому они не рассказывают о них никому из русских, чтобы не попасть в провожатые. Я узнал о них случайно, проехав верст сто от такого места, и вернулся назад, чтобы описать это редкое явление. Жители Шемячинского острожка принуждены были открыть истинную причину, по которой скрывают источники, и с большим негодованием показали ключи, но сами к ним близко не подходили. Когда они увидели, что мы в ключах купались, ели вареное в них мясо й пили воду, то думали, что мы сейчас же погибнем. После нашего благополучного возвращения они с большим ужасом рассказывали в острожке о нашей дерзости и при этом не могли надивиться, что мы за люди, если даже духи ре могут нам повредить.
Любопытно отметить, что на восточном побережье Камчатки, к северу от устья р. Камчатки, и на западном берегу, к северу от устья р. Озерной, горячих ключей нет.
Стеллер считает, что, как видно по частым землетрясениям, в недрах Камчатки находятся пустоты и горючий материал. Благодаря его горению и внутренному движению, на земной поверхности могут возникать такие же большие изменения, какие видны на расчлененном скалистом берегу Бобрового моря и на многих островах в проливе между Азией и Америкой. Причиной горения он считает подземные трещины, достигающие моря, по которым соленая вода соприкасается с рудами и воспламеняет их. Землетрясения чаще всего бывают в период равноденствия, когда на море возникают наиболее сильные 'волнения и, особенно, весной в половодье. Это хорошо известно камчадалам и курилам, которые очень боятся первых чисел марта и последних сентября.
Удивительны две вещи: во-первых, то, что нигде нет и следов железа, хотя в глинах имеются его соединения; смешением их
План горячих ключей, текущих в р. Озерную
с серой легко можно объяснить подземный огонь; во-вторых, то, что до сих пор нет сведений о соленых источниках, которые, без сомнения, в этих местах должны быть, судя по узости Камчатского полуострова, подземному сообщению его недр с морем и многочисленным скалистым горам и источникам.
Следует добавить еще о тех источниках, от которых реки не замерзают. На Камчатке их такое изобилие, что нет ни одной реки, которая бы и в самые жестокие морозы не имела полыней. Эти источники выходят и на ровных местах, особенно вблизи гор. Поэтому летом нигде нельзя пройти или проехать по сухому.
Если такие ручьи сливаются в один, как, например, р. Ключевка, приток р. Камчатки, то они никогда не замерзают. Поэтому свежей рыбой из них пользуются зимой не только камчадалы, но и весь Нижнешантальский острог. По той же причине, вероятно, все здешние воды очень здоровые. Жители, например, без всякого вреда пьют холодную воду после горячей и жирной рыбы. В других местах от этого бывают желудочные заболевания." (Крашенинников С.П. "Описание Земли Камчатки")
Район Паужетских кипящих источников стал первым объектом детального изучения высокотемпературных гидротерм с целью их энергетического использования. Инициатором исследования района в 1955 г. выступила Лаборатория вулканологии АН СССР.
Аверьев В.В. одним из первых отметил, что связь должна быть и высказал идею, что соседние гидротермальные системы на глубине объединены единым тепловым фронтом. Такие структуры он предложил называть геотермальными районами. Он выделил три геотермальных района на Камчатке: Паужетский, Мутновский и Семячикский. Паужетский геотермальный район объединяет Паужетскую и Кошелевскую гидротермальные системы; Мутновский включает термоаномалии Северо-Мутновской вулканотектонической зоны и долины р. Жировой; Семячикский геотермальный район объединяет парогидротермы вулканического массива Большого Семячика, Долины Гейзеров и кальдеры Узон.
Рис. 1. Космическое фото. Восточно-Камчатская грабен-синклиналь.
Вулкан Кроноцкий
Вулкан Крашенинникова
Вулкан Кихпиныч
Вулкан Узон
Вулкан Таунщиц
Долина Гейзеров
Вулканический массив Большой Семячик,
Вулкан Малый Семячик
Вулкан Карымский
Белоусов В.И. продолжил эти исследования и предложил при выделении геотермальных районов использовать геолого-структурный анализ для интерпретации истории формирования мест их локализации. В пределах геотермальных районов были выделены вертикальные геологические структуры, прослеживаемые в земной коре, которые определялись, как долгоживущие вулканические центры. С развитием этих структур связано образование и деятельность современных гидротермально-магматических систем (рис. 2).
По ним происходит транспортирование магматического расплава, сопровождаемое аномальным тепловым потоком. Изучение долгоживущих вулканических центров позволяет получить новые данные о развитии островных вулканических дуг и по-новому рассматривать генезис гидротерм и процессы рудообразования.
Рис. 2. Принципиальная модель гидротермально-магматической системы (Hedenquist, Lowenstern, 1994).
Рис. 3. Схема современной структуры и вулканизма Камчатки (по Э. Эрлиху из книги Трухина, Петровой, 1977).
1-стабильная зона равнины западного побе-режья, 2-Малкинский свод, время заложения - конец олигоцена-начало миоцена; 3-Тигиль-ско-Паланская зона сводовых поднятий, вре-мя заложения - плиоцен; 4-области горст-ан-тиклинориев на меловых и палеоген-миоце-новых отложениях; 5-сводовые поднятия на меловых и палеоген-миоценовых отложени-ях; зона аккумулятивно-тектонических струк-тур: 6-вовлеченные в поднятие районы плио-цен-нижнечетвертичного времени; 7-грабен-синклинали плиоцен-четвертичного времени; 8-крупнейшие потухшие вулканы; 9-действущие вулканы; 10-зоны ареального вулканиз-ма; 11-разломы; 12-вулканно-тектонические депрессии; 13 - границы геотермальных районов, выделенные Белоусовым В.И.
Таким образом, изучение геологического строения геотермальных районов привело к выявлению закономерных пространственных и генетических связей гидротермальной деятельности и рядом расположенных вулканно-плутонической структур, формирование которых обусловлено эндогенной активностью в данном районе.
Егоров О.Н. предложил называть эти структуры центрами эндогенной активности, подчеркивая единство глубинной природы вулканизма и гидротерм.
Леонов В.Л., исследуя структурные условия локализации высокотемпературных гидротермальных систем на Камчатке, особое внимание уделил Мутновскому геотермальному району , где уже начались разведочные работы с применением глубокого бурения (до 3км) в районе Дачных паро-гидротерм.
Pис.4. Схематическая геологическая карта района Мутновского месторождения парогидротерм (составлена с использованием материалов О.Н.Егорова, Е.Н.Гриб, Б.П.Чумака и данных буровых работ).
1 - обвально-осыпные отложения (Q4); 2 - пемзовые туфы перевалов (Q4); 3 - риолиты поздней фазы кислого вулканизма вулкана Скалистого(Q34); 4 - базальты Дайковой серии и вулкана Плоского (Q33-4); 5 - базальты, андезито-базальты, андезиты вулкана Мутновского (Q33-4); 6 - игнимбриты трещинных ареальных извержений и вулкана Горелого (второй фазы) (а) и пемзовые туфы района Дачных терм (б) (Q32-3); 7 - андезиты, дациты, риолиты (а), базальты (б), их туфы и туфобрекчии (в) вулкана Двугорбого (Q2-3); 8 - андезиты, дациты, риолиты ранней фазы кислого вулканизма вулкана Скалистого (Q2-3); 9 – базальты, андезито-базальты, их туфы и туфобрекчии вулкана Скалистого (Q2-3); 10 - базальты, их туфы и туфобрекчии вулкана Пальчик (Q2-3); 11 - промежуточный комплекс туфоконгломератов, туфов и туфобрекчий (Q2-3); 12 – игнимбриты вулкана Горелого (первая фаза) (Q2-3); 13 - базальты, андезито-базальты, андезиты, их туфы и туфобрекчии вулканаЖировского (Ql); 14 - туфы, спекшиеся туфы, туфобрекчии риолито-дацитового состава (N13-N2); 15 - туфобрекчии, туфы, туфопесчаники, туфоалевролиты с прослоями лав базальтового состава (N11-2); 16 - разрывные нарушения с установленным вертикальным смещением (а), трещины (б); 17 - разведочные скважины (a), термопроявления (б); 18 - элементы залегания пород (а), маркирующие границы внутри стратиграфических подразделении (б).
Белоусовым В.И. и Рычаговым С.Н. впервые были описаны геолого-структурные позиции Мутновского геотермального района, расположенного в грабен-синклинали Южной Камчатки и предложена его концептуальная модель, которая во многом аналогична хорошо изученному геотермальному району Лардерелло-Травале-Радикондоли.
Рис.5. Геологические позиции Паратунской (I), Мутновской (II) и Паужетской (III) гидротермально-магматических систем (по: Белоусов, 1978; с изменениями). 1 – Породы мелового и домелового фундамента. 2 – Породы палеоген-неогенового возраста. 3 – Вулканогенные и вулканогенно-осадочные породы плейстоцен-голоценового возраста. 4 – Стратовулканы. 5 – Зона ареального вулканизма Южной Камчатки и побочные моногенные вулканы. 6 – Разломы. 7 – Прибрежные и озерные отложения. Цифрами на схеме обозначены вулканы: 1 – Мутновский, 2 – Асачинский, 3 – Ходутка, 4 – Ксудач, 5 – Желтовский, 6 – Большая Ипелька, 7 – Опала.
Рис.6. Поверхность мелового фундамента Южной Камчатки (Долгоживущий…, 1980). Глубина, в км: 1 – менее 2; 2 – 2-2,5; 3 – 2,5-3; 4 – 3-3,5; 5 – более 3,5 км.
Рис. 7. Концептуальная модель Мутновского вулканогенно-рудного центра (структура в целом) и Мутновской гидротермально-магматической системы (правая часть разреза). Использованы материалы В.Л.Леонова (Леонов, 2001).
1 – Докайнозойский комплекс пород. 2 – Зоны дробления и обрушения в районах проявления фреато-магматизма. 3 – Границы областей развития вулканогенно-кремнистых формаций и генераций андезитовых и кислых анатектических расплавов (зона локализации коровых источников тепла). 4 – Изотермы. 5 – Диатремы и воронки взрыва: а – заполненные брекчированными породами, б- заполненные кислыми экструзиями и лавами. 6 – Дайки и магматические каналы. 7 – Восходящие струи мантийных флюидов. 8 – Направление напряжений, движения расплавов и глубинных флюидов, генерируемых в верхней мантии. Цифрами в кружках отмечены: 1 – зона разломов, ограничивающих прогиб и являющихся глубинными ловушками для магм и гидротермальных флюидов, 2 – зона подъема магмы и гидротермальных флюидов к поверхности, 3 – зона развития позднеплейстоценовых трещин и сбросов на поверхности.
Применив метод аналогий, мы полагаем, что в границах, очерченных в соответствии с анализом геолого-структурных позиций геотермальных районов, геотермальные ресурсы, которые можно извлечь в Мутновском районе, достаточны для строительства геотермальных станций с общей электрической мощностью до 6 000 -10 000 мегаватт.Решение проблемы пространственной локализации гидротермальной деятельности в областях современного вулканизма является главной задачей геолого-структурных исследований. На настоящем этапе развития геотермии районирование приобретают не только теоретическое, но имеет и промышленно-экономическое значение. Выделение геотермальных структур определяет направление геологоразведочных работ, направленных на изучение и оценку геотермальных ресурсов, на разработку стратегии и тактики поиска, разведки и разработки рудных месторождений гидротермального происхождения.Сравнительный анализ геологического строения геотермальных районов позволяет нам констатировать, что в одной рифтовой структуре можно выделить несколько геотермальных районов, которые характеризуются разным геологическим строением и разной формой проявления геотермальной энергии. Так, например, в Восточно-Камчатском рифте (грабен-синклинали) к югу от Семячикского района располагаются гидротермальные системы, сопряженные с вулканами Карымским, Малым Семячиком и Кальдерой Академии наук.
Описание геологической структуры, приведенное в работе Леонова В.Л. и Гриб Е.Н. свидетельствует, что эти геотермальные структуры объединяет единая геологическая история развития, и мы считаем целесообразным объединить эти геотермальные системы в один Карымско-Семячикский геотермальный район (рис. 1). Эволюция магматизма Семячикского и Карымского геотермальных районов, как нам кажется, находится на разных этапах. Для Семячикского геотермального района характерны извержения кислых расплавов, в объёмах превышающих в общем 100км3, и проявления эффузивно-экструзивных структур завершается образованием риолитов. Для Карымского же геотермального района этот процесс находится на этапе извержений андезитодацитового состава активного вулкана Карымского, а объём извержений кислой пирокластики значительно уступает объёмам таковой Семячикского геотермального района. Более яркие поверхностные термальные проявления Семячикского геотермального района в виде термальных полей Кальдеры Узон, вулкана Кихпиныч + Долина Гейзеров, Большого Семячика также свидетельствуют о более высоком расположении аномального теплового фронта в этом геотермальном районе по сравнению с Карымским. По нашему мнению, эти факты может свидетельствовать о логически справедливом выделении Карымского геотермального района в отдельную структуру. Однако следует подчеркнуть, что оба геотермальных района располагаются в единой региональной структуре Восточно-Камчатского грабена (грабен-синклинали)(рис. 1). Это наводит на мысль о их генетическом родстве. В связи с этим мы считаем логически не противоречивым выделение Восточно-Камчатской геотермальной провинции(рис. 1).
Сравнительный анализ геотермальных структур и гидротермальной активности в региональной структуре Южно-Камчатского рифта (грабен-синклинали) приводит к аналогичному предложению о выделении Южно-Камчатской геотермальной провинции, в которой выделяются нами Мутновский, Ходуткинский и Паужетский геотермальные районы.Выделение и детальное изучение комплексом методов иерархической системы геотермальных структур (провинций – районов – систем – месторождений) обеспечивает построение концептуальных, численных термогидродинамических и в дальнейшем – поисково-разведочных и эксплуатационных моделей геотермальных объектов. Реальность оценок геотермальных энергетических ресурсов прямо зависит от точности определения границ и строения геологических структур, объёмов и свойств водовмещающих и водоупорных комплексов, строения и интенсивности конвективных потоков флюидов (газов, парогидротерм, смешенных и метеорных вод). В частности, изучение геологического строения и свойств системы «водоупорный–проницаемый горизонты» создаёт предпосылки для разработки технологии рационального извлечения геотермального теплоносителя. В целом, такой подход обеспечивает экономическую целесообразность поисково-разведочных работ, извлечения и использования геотермальных ресурсов областей современного вулканизма и поэтому может лежать в основе подготовки крупных инвестиционных проектов по энерго- и теплоснабжению населения и промышленности регионов.
Как правило, геотермальные провинции обладают и богатейшими запасами различных видов минерального сырья. Это обстоятельство необходимо учитывать при социально-экономическом планировании на данных территориях и расчете мощностей тепловых и электрических геотермальных станций.
КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ
станций.