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.