Геохимия гидротермального процесса

Термальные воды (франц. thermal – теплый, от греч. thérme – тепло, жар) – это  подземные воды земной коры с температурой от 20 °С и выше. Глубина залегания изотермы 20 °С в земной коре от 1500–2000 м в районах многолетнемерзлых пород до 100 м и менее в районах субтропиков; на границе с тропиками изотерма 20 °С выходит на поверхность. В артезианских бассейнах на глубине 2000– 3000 м скважинами вскрываются воды с температурой 70–100 °С и более.

В горных странах (например, Альпы, Кавказ, Тянь-Шань, Памир) Терминальные воды выходят на поверхность в виде многочисленных горячих источников (температура до 50–90°С), а в районах современного вулканизма проявляют себя в виде гейзеров и паровых струй (здесь скважинами на глубине 500–1000 м вскрываются воды с температурой 150–250°С), дающих при выходе на поверхность пароводяные смеси и пары (Паужетка на Камчатке, Большие Гейзеры в США, Уайракей в Новая Зеландии, Лардерелло в Италии, гейзеры в Исландии и др.).

Химический, газовый состав и минерализация термальных вод разнообразны: от пресных и солоноватых гидрокарбонатных и гидрокарбонатно-сульфатных, кальциевых, натриевых, азотных, углекислых и сероводородных до соленых и рассольных хлоридных, натриевых и кальциево-натриевых, азотно-метановых и метановых, местами сероводородных.

Издавна термальные воды находили применение в лечебных целях (римские, тбилисские термы). В России пресные азотные термы, богатые кремнекислотой, используют известные курорты – Белокуриха на Алтае, Кульдур в Хабаровском крае и др.; углекислые термальные воды – курорты Кавказских Минеральных Вод (Пятигорск, Железноводск, Ессентуки), сероводородные – курорт Сочи-Мацеста. В бальнеологии термальные воды подразделяют на теплые (субтермальные),      20–37°С, термальные, 37–42°С и гипертермальные, свыше 42°С.

В районах современного и недавнего вулканизма в Италии, Исландии, Мексике, России, США, Японии работает ряд электростанций, использующих перегретые термальные воды с температурой свыше 100 °С.

В России и других странах (Болгария, Венгрия, Исландия, Новая Зеландия, США) термальные воды применяют также для теплоснабжения жилых и производственных зданий, обогрева теплично-парниковых комбинатов, плавательных бассейнов и в технологических целях (Рейкьявик полностью обогревается теплом термальных вод).

В СНГ организовано теплоснабжение микрорайонов гг. Кизляра, Махачкалы, Зугдиди, Тбилиси, Черкесска; обогреваются теплично-парниковые комбинаты на Камчатке, Кавказе. В теплоснабжении термальные воды делятся на слаботермальные (20–50°С), термальные (50–75°С), высокотермальные (75–100°С).

Для изучения характеристик гидротермального процесса необходимо рассмотреть так называемые постмагматические процессы – процессы, которые протекают после завершения магматических процессов и, как правило, связаны с выходом сопутствующих магматическим породам газов и жидкостей на поверхность.

Различают такие постмагматические процессы как:

1)       фумаролы – выход вулканических газов на поверхность; это и газы из расплавов и превратившиеся в пар грунтовые воды; фумаролы бывают кислые, щелочно – нашатырные, сернистые, сероводородные и др.;

2)       термы – горячие источники, связаны с современным вулканизмом (Камчатка, Кавказ); воды бывают натриево – хлоридными, кислыми, сульфитно – хлоридными, кислыми сульфатными и т. д.; изменяют окружающие породы (глины, известняки);

3)       гейзеры – горячие, периодически фонтанирующие (на десятки метров) источники; Великий Гейзер в Исландии (к востоку от Канады); температура + 75… + 100°С; существуют гейзерные электростанции в Италии, Исландии, Калифорнии, на Камчатке.

Гейзеры (исл., ед. ч. geysir, от geysa – хлынуть) – это источники, периодически выбрасывающие горячую воду и пар. Распространены в областях современной или недавно прекратившейся вулканической деятельности, где происходит интенсивный приток тепла из вулканического очага.

Гейзеры могут иметь вид небольших усеченных конусов с достаточно крутыми склонами, низких, очень пологих куполов, небольших чашеобразных углублений, котловинок, неправильной формы ям и др.; на их дне или стенках находятся выходы трубообразных или щелеобразных каналов.

Деятельность гейзеров характеризуется периодической повторяемостью покоя, наполнения котловинки водой, фонтанирования пароводяной смеси и интенсивных выбросов пара, постепенно сменяющихся спокойным их выделением, прекращением выделения пара и наступлением стадии покоя. Различают регулярные и нерегулярные гейзеры.

У первых продолжительность цикла в целом и его отдельных стадий почти постоянна, у вторых – изменчива, у разных гейзеров продолжительность отдельных стадий измеряется минутами и десятками минут, стадия покоя длится от нескольких минут до нескольких часов или дней.

Вода, выбрасываемая гейзером, относительно чистая, слабо минерализованная (1–2 г на литр), по химическому составу – хлоридно-натриевая или хлоридно-гидрокарбонатно-натриевая, содержащая относительно много кремнезема, из которого у выхода канала и на склонах образуется близкая к опалу порода – гейзерит.

Главная масса воды гейзера – атмосферного происхождения, возможно, с примесью магматической воды. Деятельность гейзера в целом относительно кратковременна и зависит от ряда условий – уменьшения теплового потока, прекращения у каналов гейзера движения подземных вод и др.

Гейзеры существуют в России (на Камчатке) и за рубежом: в Исландии, Северной Америке, Новой Зеландии, Японии, Китае. Крупные гейзеры на Камчатке были обнаружены в 1941 в долине реки Гейзерной, вблизи вулкана Кихпиныч. Всего на Камчатке около 100 гейзеров. Из них около 20 – крупные, по величине и силе извержений не уступающие действующим гейзерам Исландии, Йеллоустонского национального парка США и Новой Зеландии.

Самый большой гейзер Камчатки – Великан, выбрасывающий струи воды высотой 40 м и пара высотой несколько сот метров. В Исландии действует около 30 гейзеров, среди которых выделяется Прыгающая Ведьма (Грила), извергающий пароводяную смесь на высоту 15 м приблизительно через каждые 2 ч. Среди гейзеров Йеллоустонского национального парка (около 200) самые большие – Гигант и Старый Служака. Первый выбрасывает пар и воду на высоту до 40 м с периодом в 3 дня, второй – на высоту 42 мчерез каждые 53–70 мин. Мощный и самый красивый гейзер Новой Зеландии – Тетарата, который располагался на террасированном холме из розового кремнистого туфа, исчез во время извержения вулкана Тараверы в 1886 г. Другой новозеландский гейзер – Ваймангу – самый большой и мощный на Земле – действовал нерегулярно с периодом от 5 до 30 ч с 1899 г. по 1904 г. Он выбрасывал при каждом извержении около 800 т воды и захваченные струей камни поднимались до высоты 457 м. Действие гейзера прекратилось вследствие понижения   на 11 м уровня воды в соседнем озере Таравера. Из современных новозеландских гейзеров выделяется Похуту, периодически фонтанирующий на высоту 20 м.

Относительно образования и периодической деятельности гейзеров существует ряд гипотез. По уточненным данным В.В. Аверьева, А.С. Нехорошева и В.М. Сугробова, необходимым условием существования гейзеров является питание их в приповерхностных частях канала перегретыми водами с температурой свыше 100°С.

При подъеме воды вверх по каналу давление ее уменьшается и вода вскипает; при этом быстро растет упругость образующегося пара, который, преодолевая давление воды в канале, выбрасывает воду. С началом фонтанирования гейзера вся вода в канале вскипает и извергается за счет значительного увеличения объема пароводяной смеси. Выброшенная вода, несколько охлажденная, частично падает в чашу Г. и попадает в его канал. Большая же часть воды просачивается в канал из боковых пород, нагревается (а в нижних частях канала перегревается), и снова происходит образование пара и выброс пароводяной смеси. Выходы водяного пара и горячей воды гейзеров могут быть использованы для отопления зданий, теплиц и работы энергетических установок.

Будет полезно почитать по теме: