Гейзеры и гидротермальные системы: механизмы извержения, минеральные отложения и геотермальная энергия

Гейзеры представляют собой уникальный класс термальных источников, для которых характерно спорадическое или эпизодическое извержение горячей воды и пара в виде струй из отверстий на поверхности. Эти извержения могут поднимать воду на сотни футов в воздух, создавая впечатляющие природные башни. Поверхность гейзера часто представляет собой конус из кремнистого агломерата и других минералов, выпадающих в осадок из горячей воды, которые обычно называют конусами гейзеров. Во многих гейзерных системах также обитают термофильные (теплолюбивые) бактерии, которые образуют слои и насыпи в строматолитовых наростах, внося вклад в сложную микробиологическую экологию этих сред.

Образование гейзеров требует особых гидрогеологических условий, когда вода в поровых пространствах и трещинах коренных пород нагревается за счёт нижележащих магматических интрузий или естественных горячих пород. Когда эта вода достигает температуры кипения, она извергается, а сбрасываемая вода впоследствии замещается боковым притоком из окружающих частей системы. В результате создаётся система циркуляции, которая в некоторых случаях работает с замечательной регулярностью и предсказуемыми интервалами извержения. Самый известный пример — Олд Фейтфул в Йеллоустонском национальном парке (штат Вайоминг), который извергается каждые 20–30 минут, демонстрируя точную динамику природных геотермальных систем водоснабжения.

Горячие источники определяются как термальные источники с температурой, превышающей температуру человеческого тела (обычно выше 37°C). Эти объекты проявляются в местах, где пористые геологические структуры, такие как разломы, трещины или карстовые местности, направляют метеоритную воду (полученную в результате выпадения осадков) глубоко в недра. Вода прогревается на глубине и впоследствии поднимается достаточно быстро, чтобы предотвратить значительную потерю тепла из-за теплопроводности к окружающим породам. Большинство горячих источников, особенно те, температура которых превышает 60°C (140°F), связаны с регионами активного вулканизма или глубокой магматической активности, хотя некоторые находятся в зонах тектонического растяжения без известных магматических источников.

Активные разломы играют решающую роль в поддержании систем горячих источников, поскольку пути прохождения жидкости, как правило, минерализуются и закупориваются осадками из горячих вод. Повторяющиеся тектонические движения вдоль разломов постоянно открывают эти закрытые проходы, поддерживая гидравлическую связь, необходимую для долгосрочной активности источников. Это взаимодействие между минерализацией и тектонической активностью обеспечивает сохранение термальных особенностей в геологически динамичных регионах.

Гейзер «Улей» в Йеллоустонском национальном парке, Вайоминг

Термодинамика и особенности циркуляции. Физическое поведение систем с горячими источниками определяется фундаментальными термодинамическими принципами. Когда холодная нисходящая вода нагревается в термальной системе, она расширяется, уменьшая плотность и приобретая плавучесть, что стимулирует восходящую циркуляцию. В обычных условиях геотермальные градиенты увеличиваются примерно на 25–30°C на километр (120–140°F на милю) внутри Земли. Для того чтобы температура поверхностных горячих источников достигала более 60°C (140°F), вода, как правило, должна циркулировать на глубине не менее 2–3 километров (около двух миль), хотя эта глубина значительно уменьшается в вулканически активных регионах, где горячая магма присутствует на неглубоких уровнях земной коры.

Кипение происходит в горячих источниках, когда температура воды достигает или превышает 100°C (212°F), а скорость восходящего потока достаточно высока, чтобы обеспечить декомпрессию. В этих условиях на поверхность могут выбрасываться кипящая вода и пар, и в некоторых случаях этот процесс проявляется в виде гейзерной активности. Переход от простого горячего источника к гейзеру зависит от конкретной геометрии подземных трубопроводов и баланса между подводом тепла, подачей воды и давлением в системе.

Минеральные отложения и химический состав. Горячие источники обычно ассоциируются с разнообразными минеральными осадками и отложениями, состав которых отражает химический состав циркулирующих вод. Этот состав в первую очередь определяется типом горных пород, через которые циркулирует вода и из которых она вымывает минералы. Распространённые отложения включают бугры травертина (осадок карбоната кальция), кремнистый налёт и различные соединения сероводорода. Эти скопления минералов часто образуют характерные топографические особенности и являются ценными свидетельствами прошлой гидротермальной активности.

Подводные гидротермальные системы. Подводные горячие источники представляют собой особенно интересную категорию гидротермальных явлений, которые широко распространены вдоль системы океанических хребтов, где магма залегает на небольших глубинах под морским дном. Огромное давление вышележащей толщи воды значительно повышает температуру кипения на этих глубинах, позволяя температуре на выходе превышать 300°C (572°F). Эти глубоководные термальные объекты часто образуют высокие структуры из сульфидных минералов, достигающие нескольких метров (десяти футов) в высоту и более, с чёрными облаками мелких металлических минеральных осадков, выходящих из жерл (так называемые «чёрные курильщики»).

В этих системах обитают одни из самых примитивных форм жизни, известных на Земле. Эти организмы получают энергию не от солнечного света, а из серы и других минералов, выделяемых из горячих источников, что представляет собой хемосинтетические экосистемы. Данное явление коренным образом изменило научное понимание потребностей и происхождения жизни. Биологические сообщества, связанные с подводными горячими источниками, включают эндемичные виды, не встречающиеся больше нигде на планете.

Гидротермальные флюиды и рудообразование. Гейзеры и горячие источники представляют собой поверхностные проявления более глубоких гидротермальных систем, в которых циркулируют горячие воды из недр Земли. В то время как многие термальные объекты выбрасывают метеоритную воду, которая подверглась нагреву и циркуляции, другие выделяют жидкости, происходящие из более глубоких слоёв земной коры, которые в совокупности называются гидротермальными флюидами. Эти нагретые подземные воды обычно содержат растворённые минералы и вещества, функционируя как гидротермальные растворы, которые играют решающую роль в геологических процессах.

Гидротермальные растворы имеют важное значение, поскольку они растворяют, транспортируют и перераспределяют многочисленные элементы в земной коре. Эти флюиды способствуют обогащению и залеганию многих экономически важных руд, включая золото, медь, серебро, цинк, олово и различные сульфидные месторождения. Эти минеральные скопления, известные под общим названием гидротермальных месторождений, представляют собой основной источник многих металлов, необходимых современному обществу.

Получение гидротермальных растворов происходит из множества потенциальных источников, включая пресные или солёные грунтовые воды, связанную воду, содержащуюся в осадочных породах во время осаждения, воду, высвобождающуюся в ходе метаморфических реакций, и магматическую воду, выделяющуюся из охлаждающихся магматических систем. Минералы и металлы, растворённые в этих флюидах, обычно образуются в результате растворения горных пород, встречающихся во время миграции флюидов, или высвобождаются непосредственно из магматических систем.

Магматический вклад и обогащение металлами. Гидротермальные растворы обычно образуются на поздних стадиях магматической кристаллизации, когда остаточные флюиды обогащаются химическими элементами, которые с трудом встраиваются в кристаллические структуры образующихся минералов. В этих флюидах повышены концентрации свинца, меди, цинка, золота, серебра, олова, вольфрама и молибдена. Многие гидротермальные флюиды также содержат соли, образующиеся в результате выщелачивания окружающих горных пород. Солевые растворы обладают значительно большей способностью переносить растворённые металлы по сравнению с несолёными жидкостями, что ещё больше повышает возможности этих систем по транспортировке металлов.

По мере того как гидротермальные растворы поднимаются сквозь земную кору, они охлаждаются от температур, достигающих 600°C (1112°F). При более низких температурах растворы больше не могут удерживать эквивалентные количества растворённых веществ, что приводит к образованию гидротермальных жил и рудных месторождений. Различные минералы выпадают в осадок при характерных температурах, образуя зональные отложения. Дополнительное осаждение происходит, когда флюиды сталкиваются с породами определённого состава, вызывая реакции на контакте «флюид—стенка», которые могут способствовать дальнейшей концентрации минеральных отложений.

Геотермальная энергия в регионах с гейзерами. Гейзеры, горячие источники и фумаролы указывают на повышенные температуры в недрах, что делает такие регионы объектами для развития геотермальной энергетики. Температура под землёй обычно повышается с глубиной в соответствии с региональным геотермальным градиентом и колеблется в пределах 30–140°C на километр (90–250°F на милю). Районы вблизи активных вулканических жерл и глубокозалегающих плутонов демонстрируют повышенные геотермальные градиенты и характеризуются многочисленными термическими особенностями. Эти системы развиваются, когда поднимающаяся магма нагревает подземные воды в трещинах горных пород и поровых пространствах, создавая естественную гидротермальную циркуляцию.

Оптимальные природные гидротермальные системы возникают там, где пористые породы совпадают с источниками тепла, такими как молодые магматические тела. Для получения геотермальной энергии в этих природных системах бурятся скважины глубиной часто в несколько километров. Скважины, проникающие в продуктивные зоны, обычно сталкиваются с водой и реже с паром при температурах, превышающих 300°C (572°F). Повышенное давление на глубине позволяет воде оставаться жидкой при температурах, значительно превышающих температуру кипения на поверхности, а снижение давления за счёт поднятия воды к поверхности вызывает кипение, приводящее в действие турбины.

Для эффективного производства геотермальной энергии температура в недрах должна превышать 200°C. Турбины, соединённые с генераторами, устанавливаются на устьях скважин, и для выработки каждого мегаватта электроэнергии требуется примерно два килограмма пара в секунду. Несколько стран, включая Китай, Венгрию, Исландию, Италию, Японию, Мексику и Новую Зеландию, создали значительные мощности по производству геотермальной энергии. Хотя геотермальная энергия в настоящее время составляет незначительную долю от общего объёма производства электроэнергии в промышленно развитых странах, её использование продолжает расти по мере расширения инфраструктуры устойчивой энергетики во всём мире.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.