ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2007, № 1, с. 32-46
УДК 551.21
ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛА МАГМАТИЧЕСКОГО ОЧАГА АВАЧИНСКОГО ВУЛКАНА И ОКРУЖАЮЩИХ ЕГО ПОРОД ДЛЯ ТЕПЛО- И ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
© 2007 г. С. А. Федотов1, В. М. Сугробов1, И. С. Уткин2, Л. И. Уткина2
1Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский, 683006 2Институт физики Земли РАН, Москва, 123995 Поступила в редакцию 10.09.2006 г.
Проведен анализ результатов геологических и геофизических исследований, в том числе последних лет, позволяющих судить о наличии незастывшего магматического очага под Авачинским вулканом на Камчатке и оценить глубину его залегания и примерные размеры. Дана оценка запасов тепла нагретых магматическим очагом вулкана горных пород с момента его возникновения и до настоящего времени с учетом переменных размеров очага в процессе эволюции. Проанализированы геолого-геофизические предпосылки возможности использования тепловой энергии нагретых пород, вмещающих магматический очаг, для тепло- и электроснабжения г. Петропавловска-Камчатского. Предлагается создание подземной геотермальной циркуляционной системы (трещинного теплообменника) с помощью бурения глубоких скважин.
ВВЕДЕНИЕ
В результате геофизических исследований Авачинской группы вулканов, проведенных в 1960-1962 гг. Институтом вулканологии, под Авачинским вулканом был обнаружен промежуточный магматический очаг [31], создающий характерную аномалию в геотемпературном поле [16]. В 1964-1967 гг. при разработке плана глубокого бурения на гидротермальных системах и в зоне влияния магматических тел, по предложению В.В. Аверьева, намечалось бурение на Ава-чинском вулкане с целью изучения физических свойств горных пород, химического состава флюида в условиях высокотемпературных аномалий. Предполагалось также эмпирически исследовать геотермические условия в сфере влияния магматического очага (приочаговой зоне) для оценки возможного использования ресурсов тепла в энергетических целях.
Предложение В.В. Аверьева получило развитие в работах [29, 37], в которых были проанализированы результаты комплексных геолого-геофизических исследований в районе Авачинского вулкана. Они показали, что периферический магматический очаг вулкана располагается на границе верхнемелового фундамента и перекрывающей его неоген-четвертичной вулканогенной толщи. Верхняя кромка очага по сейсмическим данным находится на 1.5 км ниже уровня моря, а центр тяжести аномальных масс по гравиметрическим данным - на глубине 4 км. Размеры очага в плоскости фундамента по данным сейсморазведки оценивались радиусом 5.2 ± 0.9 км. Моделированием на сеточном электроинтеграторе получено нестационарное рас-
пределение температур вокруг очага (эллипсоида вращения с полуосями радиусами 5.2 и 2.5 км). При этом, в частности, было показано примерное положение характерной изотермы 250°С1 через 20 тыс. лет после начала развития очага. Результаты моделирования температурного поля мало отличались от расчетов, выполненных ранее для стационарного распределения температур [16]. В этой работе было показано, что даже при стационарном распределении температур вокруг магматического очага (бесконечно большом времени его существования) температурная аномалия, создаваемая очагом, на удалении 15 км от оси вулкана не видна на региональном температурном фоне. Из предположения о высокой температуре очага (более 600°С) и большом объеме нагретых пород (по геофизическим и петрологическим данным) был очевиден его громадный энергетический потенциал. При оцененном объеме очага Авачинского вулкана (порядка 400 км3) ресурсы тепла составили 8.3 х 1020 Дж. Для извлечения тепла горных пород приочаговой зоны рекомендовалось создание подземных тепловых котлов с помощью бурения глубоких скважин.
В настоящее время идея изучения и использования периферического магматического очага Авачинского вулкана в энергетических целях снова выдвигается Институтом вулканологии и сейсмологии ДВО РАН и Российской Ассоциацией "Геотермальное энергетическое общество" [40]. Обусловлено это поисками для г. Петропав-
1 Температура нагретых пород в 250°C и выше уже пред-
ставляет интерес для энергетического использования.
Рис. 1. Расположение Авачинской группы вулканов (по геолого-тектонической схеме района Авачинского вулкана С.Е. Апрелкова из [15]). 1 - современные отложения; 2 - четвертичные отложения (доголоценовые, авт.); 3 - палеоген-неогеновые отложения; 4 - мезозойские отложения (Сг2); 5 - вулканические постройки и их границы, вулканы: Козельский (1), Авачинский (2), Корякский (3), Арик (4), Ааг (5); 6 - разрывные нарушения; 7 - контуры неотектонических образований; 8 - глубокие скважины: А - ГК-2а, В - ГК-2, С - ГК-1; 9 - линия разреза на рис. 3 по сейсмопро-филю КМПВ; 10 - линия осевого сечения магматического очага вулкана Авачинский с распределением температур во вмещающих породах (рис. 5, 6).
ловска-Камчатского, находящегося вблизи вулкана, надежного источника теплоснабжения, не связанного с дорогостоящим потреблением органического топлива. Извлечение же накопленной магматическим очагом и вмещающими его породами тепловой энергии сейчас представляется вполне осуществимым в связи с успехами в разработке технологии освоения тепла "сухих" горных пород - Hot dry rock technology. Например, работы по проекту в Сульц-су-Форе (The Soultz-Sous-Forets H.D.R. project) и другие [33-35, 38, 40].
В данной работе на основе обобщения материалов геологических и геофизических исследований прошлых лет, а также новых расчетов по оценке запасов тепла, накопленного во вмещающих периферический магматический очаг горных породах, рассматривается проблема возможного использования тепловой энергии Авачинского вулкана.
Геолого-геофизические данные о строении Авачинского вулкана, положении и размерах его магматического очага. Авачинский вулкан расположен в окрестностях г. Петропавловска-Кам-чатского. Расстояние от кратера вулкана до города 25-28 км. Авачинская группа вулканов образует ряд среднеплейстоцен-голоценовых вулканов, протягивающихся с северо-запада на юго-восток (рис. 1): Ааг (2319 м), Арик (2187 м), Корякский (3456 м), Авачинский (2771 м) и Козельский (2190 м) [12].
Вулканы этой группы расположены в вулкано-тектонической депрессии. Фундаментом вулканогенных образований неоген-четвертичного возраста являются сильно дислоцированные верхнемеловые породы вулканогенно-осадочного геосинклинального комплекса, фации зеленых сланцев. Их кровля максимально опущена непосредственно под Авачинским вулканом на глубину 1.5 км от уровня моря. Вулканогенные и интрузивные породы миоценового воз-
Рис. 2. Авачинский вулкан типа Сомма-Везувий. Вид с юго-запада (фото Я.Д. Муравьева).
раста в районе Авачинской группы вулканов погребены под верхнеплиоцен-нижнеплейстоценовым вулканическим комплексом. Андезиты, андезито-базальты и базальты этого комплекса составляют основание вулканической группы. Вулканы Корякский и Авачинский активны с верхнего плейстоцена доныне. Авачинский вулкан имеет сложное строение, по типу Сомма-Везувий (рис. 2) и длительную историю развития [12-14]. В конце верхнеплейстоценового интерстадиала (35 тыс. лет) произошел его катастрофический взрыв, направленный к юго-юго-западу. 25 км3 взрывных отложений покрыли площадь 450 км2. Взрывы значительно меньшей мощности происходили 5500, 3200 и 2500 лет назад. В образовавшейся кальдере формируется Молодой конус, из которого в историческое время (с 1737 г.) произошло не менее 15 извержений [14]. При этом вынос магматического вещества (продуктивность вулкана) уменьшалась в течение 60 тыс. лет его существования. В первые 25 тыс. лет продуктивность вулкана составляла 7 х 106 т/год, в период с 25 тыс. лет до 5.5 тыс. лет -3.4 х 106 т/год и была равна 2.5 х 106 т/год в течение последних 5.5 тыс. лет [18]. Последние эруптивные события в январе 1991 г. на Авачинском вулкане привели к заполнению кратера глубиной до 200 м лавой и ее излиянию на юго-восточный склон конуса. В межпароксизмальную стадию де-
ятельности вулкана, до этого извержения, в кратере диаметром 400-450 м и в верхней части молодого конуса естественные выходы тепла были представлены прогретыми участками, парящими площадками, фумаролами. На дне кратера температура пород в местах выходов вулканических газов достигала 700°С.
Комплексные геофизические исследования глубинного строения Авачинского вулкана, включающие наземную магнитную съемку, аэромагнитную съемку, гравиметрические съемки, сейсморазве-дочные работы в различной модификации и ГСЗ, позволили выявить под вулканом близповерхност-ную аномальную зону, отождествляемую с периферическим магматическим очагом [2, 31, 37].
На основании данных ГСЗ земная кора под Авачинским вулканом имеет аномальное строение. Мощность ее по сравнению с прилегающими районами резко уменьшена и достигает 20-22 км. Мощность "гранитного" слоя также резко сокращена и составляет 6 км, "базальтовый" слой с несколько повышенной скоростью продольных волн (7.2 км/с) залегает на глубине 9-10 км. Геолого-геофизический разрез под вулканической постройкой характеризуется значительной неоднородностью упругих свойств. В интервале глубин 1.5-5 км от уровня моря выделяется зона относительно пони-
Рис. 3. Геолого-геофизический профиль района Авачииского вулкана по данным [29]. 1 - вулканокластические образования; 2 - кристаллические породы верхнемелового фундамента; 3 - "гранитный" слой; 4 - "базальтовый" слой; 5 -глубинный разлом; 6 - сейсмические границы по данным ГСЗ; 7 - границы магматического очага по сейсмическим данным и коровой части его питающего канала; 8 - центр тяжести аномальных масс; 9 - предполагаемая форма магматического очага; 10 - область магматического питания вулкана по сейсмологическим данным. ¥р - скорость продольных сейсмических волн (км/с).
женных скоростей, а в верхней части - область повышенного поглощения высокочастотных составляющих Р-волн. Интерпретация геофизических данных приводит к выводу о том, что периферический магматический очаг Авачинского вулкана располагается на границе верхнемелового фундамента и покрывающей вул
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.