Теплоперенос в горных породах магмагеотермальной системы Кудрявая (Курильские острова)
В России отсутствуют традиционные сырьевые источники, медно- и молибденопорфировые месторождения, с попутным рением, а другие источники не могут обеспечить возрастающую потребность в нем авиационной и космической промышленности страны [1]. В высокотемпературных (400–900°С) парогазовых струях магмагеотермальной системы вулкана Кудрявый (о. Итуруп) обнаружены рений, германий, кадмий и другие дефицитные металлы. Результаты исследований позволяют рассматривать эту систему в качестве источника рения с быстрым циклом освоения [1].
Для повышения эффективности производства целесообразно комплексное освоение ресурсов системы, предусматривающее наряду с извлечением ценных компонентов попутную выработку тепловой и электрической энергии. Освоение тепловых ресурсов магмагеотермальных систем целесообразно выполнять по циркуляционной скважинной технологии. На основе геофизических данных о глубинном строении литосферы в разрезе через кальдеру Медвежья и вулкан Кудрявый [2] численно исследована ее термическая структура до глубины 25 км в динамике до 50 тыс. лет. Использовались данные о структуре земной коры района, полученные в [2] методами обменных волн землетрясений и глубинного сейсмического зондирования (рис. 1).
Рассмотрено четыре варианта значений проницаемости слоев и разломов системы (таблица), при выборе которых использовалась зависимость проницаемости от глубины, полученная по геотермальным данным [4]. Модель численно реализована на базе программного комплекса HydroTherm [3]. Приняты следующие свойства горных пород: эффективная теплопроводность 2 Вт/м·К; массовая теплоемкость 1 кДж/кг·К; пористость 10%; плотность 2500 кг/м3. В породах задавался начальный региональный геотермический градиент 30°С/км и гидростатический градиент давления флюида. На боковых границах задавалось отсутствие потока массы и тепла, на верхней границе – постоянная температура 20°С и атмосферное давление, на нижней – региональный тепловой поток 0.12 Вт/м2. На границах магматических очагов задавалась постоянная температура 900°С.
Результаты численных экспериментов представлены на рис. 3 и 4. В пределах глубинных разломов и над магматическими очагами развивается область конвекции сверхкритического флюида, переходящая в область перегретого и влажного пара у поверхности выходов фумарол (на рисунках – конус вулкана Кудрявый). Выявляются периодические изменения фазового состояния, давления и температуры над верхним магматическим очагом с периодом пульсации около 1 тыс. лет. Температура испытывает также колебания с периодом около 10 тыс. лет. Пульсации развиваются с момента времени 15 тыс. лет.
Проницаемость третьего слоя, включающего средний очаг, определяет размеры области прогретых пород между верхним и средним очагами на глубинах от 4 до 15 км. При увеличении ее на порядок (модели №2, №3, таблица) средняя температура этой области возрастает с 600 до 800°С, а эффективная ширина с 5 до 15 км. Уменьшение проницаемости разломов (модели №1, №4) приводит к снижению теплоотдачи и интенсивности конвекции в их окрестности.
На доступных бурением глубинах до 2 км в недрах системы может быть встречен теплоноситель в надкритическом термодинамическом состоянии температурой более 400°С (см. рис. 3, 4). В этом случае освоение энергетических ресурсов может быть выполнено с высоким коэффициентом использования, обеспеченным повышенным коэффициентом полезного действия потенциальной геотермальной электростанции.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Кременецкий А.А., Шадерман Ф.И. Извлечение рения из высокотемпературного гео термального носителя//Извлечение минеральных компонентов из геотермальных растворов. Отв. ред. Ю.П.Трухин. Петропавловск Камчатский: Изд во Оттиск, 2005.
2. Курильские острова (природа, геология, землетрясения, вулканы, история, эконо мика)/ под ред. Т.К. Злобина. Сахалин: Сах. кн. изд во, 2004.
3. Kipp K.L., Jr., Hsieh P.A., Charlton S.R. Guide to the revised ground water flow and heat transport simulator: HydroTherm Version 3: U.S. Geological Survey Techniques and Methods 6 А25, 2008.
4. Manning C. E., Ingebritsen S. E. Permeability of the continental crust: Implications of geothermal data and metamorphic systems //Reviews of Geophysics, 1999, V.37, №1.
Автор благодарит к.т.н. В.В. Таскина (НИГТЦ ДВО РАН) за подготовку графического материала и цифровую обработку результатов моделирования.
