Диссертационная работа «Исследование тепловых и наведенных волновых процессов в районе Эльбрусского вулканического центра» посвящена решению задач, связанных с совершенствованием методов изучения внутреннего строения, динамических и тепловых особенностей неоднородной геологической среды в районе вулканической постройки. Решение затронутого класса задач проведено с использованием современных математических и экспериментальных геофизических методов, сопоставления данных теоретического анализа с результатами геолого-геофизического и теплового мониторинга.
Актуальность темы
.
Одним из важных источников знаний о внутреннем строении Земли служат данные, получаемые на основе анализа структуры волновых процессов (движений), наведенных в различных геосферах [Аки К. и др., 7983- Андерсон, Дзевонский, 1984; Николаев, 1972]. Наметившийся комплексный подход к развитию существующих и созданию новых методов изучения волновых полей не случаен. Именно они служат индикаторами сложных динамических процессов в районе Эльбрусского вулканического центра, отражая происходящие структурные изменения в геофизической среде вулканической постройки и на прилегающих территориях [Николаев, 1997; Лаверов и др., 2005].
В числе физических полей, используемых в задачах геофизического мониторинга геологической среды, наиболее информативными принято считать тепловые и наведенные сейсмические поля. Установлено, что основные свойства геологической среды отражаются в их тонкой структуре [.Николаевский и др., 1970, 1984; Николаев, 1972; Алексеев и др., 1996, 2002; Собисевич, 2001; Лаверов и др., 2005]. Изучение разномасштабных образований в теле вулканической постройки, в число которых входит магматический очаг и магматические камеры вулкана, проведено с привлечением методов, которые оправдали себя на практике {Динариев, Николаевский, 2001; Собисевич, 2001; Лаверов и др., 2005].
Отмечая актуальность поставленной в диссертации комплексной задачи, отметим, что на первый план здесь выступают вопросы получения и анализа экспериментальных наблюдений, связанных с исследованиями геолого-геофизических особенностей Эльбрусского вулканического центра. В их числе и тепловые процессы в районе вулканической постройки Эльбруса. Полученные здесь новые научные результаты по тепловым полям являются актуальными в связи с поисками альтернативных источников энергии.
Цель работы.
Основная цель диссертационной работы — изучение тепловых и наведенных волновых полей в районе Эльбрусского вулканического центра, оценка тепловых запасов в регионе и выдача рекомендаций по их практическому использованию.
Основные задачи исследований.
В процессе выполнения диссертации необходимо было провести комплексные полевые наблюдения в районе вулканической постройки Эльбруса, изучить ряд задач и на их основе выполнить:
— анализ теоретических методов, обеспечивающих изучение геофизических свойств магматических структур вулкана Эльбрус;
— уточнение формы и положения магматических камер и магматического очага вулкана Эльбрус;
— создание новых и освоение существующих аппаратурных систем и технологий, предназначенных для мониторинга тепловых процессов в районе вулканической постройки Эльбруса;
— изучение данных аппаратурного мониторинга вулканических образований (магматических камер и очага) с целью уточнения их основных параметров;
— изучение флюидной активности в регионе;
— проведение экспериментальных работ по уточнению структуры тепловых аномалий в районе вулканической постройки;
— оценку тепловых запасов в районе Эльбрусского вулканического центра.
Научная новизна.
В диссертации проведен анализ геодинамических особенностей района Кавказских Минеральных Вод и Приэльбрусья, выявлены места наибольшей 5 тектонической и вулканической активности и показано, что они совпадают с ареалами наибольших концентраций гидротермальных проявлений.
В пределах Эльбрусского вулканического центра экспериментальными методами уточнено положение магматического очага и магматической камеры.
Построены теоретические соотношения и приведены методы решения прямых и обратных задач, связанных с определением мощности источников тепла в теле вулканической постройки. Сформулированы общие теоретические схемы их решения.
Исследована структура тепловых полей в районе Эльбрусского вулканического центра и на прилегающих территориях методами дистанционного зондирования. Проведено изучение малоамплитудных тепловых аномалий на покрытой льдом поверхности вулканической постройки.
Проведены экспериментальные работы по изучению тепловых полей и волновых процессов в районе Эльбрусского вулканического центра, включая исследование тепловых потоков в штольне под горой Андырчи и непосредственно на вулканической постройке.
В структуре Эльбрусского вулканического центра подтверждено наличие магматической камеры в районе вулканической постройки в интервале глубин 1−10 км ниже уровня моря и впервые определена температура верхней кромки камеры. Согласно уточненным данным ее приведенные размеры находится в пределах 8−9 км, а температура около 850 °C.
Проанализированы современные технологии извлечения тепловой энергии Земли и даны рекомендации по использованию тепловых запасов в районе Эльбрусского вулканического центра.
Практическая значимость работы.
В диссертационной работе современные геолого-геофизические и физико-математические методы использованы и доработаны применительно к анализу неоднородной геологической среды в районе Эльбрусского вулканического центра.
Получены новые научные результаты, отражающие структуру тепловых полей в районе вулканической постройки Эльбрусавыявлены теоретически и подтверждены экспериментально тепловые запасы вмещающих пород в окрестности магматического очага и магматической камеры. Проведенными исследованиями заложены основы практического использования исследованных тепловых запасов в народном хозяйстве Республики Кабардино-Балкария.
Новые научные результаты использованы в ИФЗ РАН, ИГЕМ РАН, ИГ РАН, Кубанском и Кабардино-Балкарском государственных университетах Минобразования и науки РФ, в других организациях и промышленных НИИ.
Исходный материал.
В основу настоящей работы положены результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные автором начиная с 2005 года при выполнении работ в рамках Программы Президиума РАН № 16 «Изменение окружающей среды и климата: природные катастрофы», при работе над инициативными проектами (грант РФФИ №№ 06−05−64 048), в порядке выполнения плановых работ Института физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН.
Автор диссертации принял участие в работе трех комплексных геолого-геофизических экспедиций РАН, которые проводились в сейсмоопасных регионах Европейской части России (Северный Кавказ, район Эльбрусского вулканического центраКраснодарский край, районы распространения грязевого вулканизма). Данные полевых наблюдений обработаны и использованы в диссертации.
Основные защищаемые положения:
1. Теоретические и экспериментальные результаты, полученные при изучении тепловых процессов в районе Эльбрусского вулканического центра, включая:
— новые данные по тепловым полям и наведенным волновым процессам в окрестности магматической камеры и магматического очага вулкана Эльбрус.
2. Модели и методы, описывающие тепловые и волновые процессы в геологической среде, трансформацию волновых полей на вулканических структурах, включая:
— методы решения прямой и обратной задач, связанные с определением мощности источников тепла в теле вулканической постройки;
— результаты экспериментального мониторинга наведенных волновых процессов в неоднородной геологической среде вулканической постройки.
3. Оценка запасов тепловой энергии в районе Эльбрусского вулканического центра, включая:
— создание новых аппаратурных систем и технологий, предназначенных для мониторинга тепловых процессов в районе вулканической постройки Эльбруса.
Личный вклад автора.
Основные результаты, полученные лично автором, включают:
— данные изучения тепловых аномалий на поверхности вулканической постройки Эльбруса;
— экспериментальные данные, связанные с уточнением температурного режима и положения магматических структур в районе вулканической постройки: уточнение размеров магматического очага, простирающегося вдоль магмоконтролирующего разлома;
— применительно к району Эльбрусского вулканического центра проведен теоретический анализ прямых и обратных задач теплофизики и сформулированы общие теоретические схемы их решения;
— экспериментальные исследования температурных полей на поверхности вулканической постройки Эльбруса контактными методами;
— оценка запасов геотермальной энергии в районе Эльбрусского вулканического центра.
Достоверность результатов.
Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, определяется:
1. Корректностью и обоснованностью использованных экспериментальных технологий измерения тепловых полей в районе Эльбрусского вулканического центра.
2. Сопоставлением закономерностей, полученных в результате численного и натурного экспериментов, прямой и обратной связью модельных задач и теоретических построений с экспериментальными данными, полученными при проведении масштабных полевых геолого-геофизических работ в районе Эльбрусского вулканического центра и на вулканической постройке.
Публикации по теме диссертации.
1. Голубев В. Г., Лиходеев Д. В. Система геотермического и климатического мониторинга Баксанской геофизической лаборатории Сейсмические приборы. Вып. № 42. М. 2006. С. 29−36.
2. Лиходеев Д. В., Михаленко В. Н. Температура кровли магматической камеры вулкана Эльбрус // Геофизические исследования, 2012, том 13, № 4, с.70−75.
3. Масуренков Ю. П., Собисевич А. Д., Лиходеев Д. В., Шевченко А. В. Тепловые аномалии Северного Кавказа // ДАН (Геофизика). 2009. Т. 428. № 5. С. 667−670.
4. Масуренков Ю. П., Собисевич A. JL, Шевченко А. В., Дударов З. И., Бажева P.P., Лиходеев Д. В., Долов С. М. Анализ состояния флюидно-магматических систем Эльбрусского вулканического центра // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН, 2013, № 1, с. 61−70.
5. Собисевич A. JL, Лиходеев Д. В. Особенности строения вулканов центрального типа. // Вестник Владикавказского научного центра. 2008. Т. 8. № 2. С. 34−46.
6. Собисевич A. JL, Лиходеев Д. В. Резонансные неоднородности, тепловые аномалии и наведенные волновые процессы в геологической среде вулканической постройки // Сб. тр. конф.: Проблемы мониторинга природных процессов на территории Северного Кавказа. М.: Региональная общественная организация учёных по проблемам прикладной геофизики (РООУ ППГ). 2007. С. 46−55.
7. Собисевич Л. Е., Лиходеев Д. В. Локальные тепловые и резонансные аномалии в разломно блоковых средах // Экологический вестник научных центров ЧЭС № 3. 2007. С. 47−54.
8. Likhodeev D.V. The results of studies of temperature fields in the Elbrus volcanic center // European Geosciences Union General Assembly 2012, Vienna, Austria, 22 — 27 April 2012.
9. Nechaev Y.N., Sobissevitch A.L., Likhodeev D.V. Study of lateral and vertical variability of the lithosphere via analysis of satellite imagery data // Proceedings of the «GIS and Spatial Analysis. 2005 Annual Conference of the International Association for Mathematical Geology (IAMG)». Toronto, Canada August 21−26, 2005.
10. Sobissevitch A.L., Masurenkov Y.P., Likhodeev D.V., Pouzich I.N., and Laverova N.I. The modern hydrothermal system of the crust-mantle origin related to fluid-magmatic activity of volcanic centers in Northern Caucasus European Geosciences Union General Assembly 2011, Vienna, Austria, 03 — 08 April 2011.
Апробация работы.
Представление результатов и обсуждение основных положений диссертационной работы и её отдельных частей проходило в виде докладов на ряде семинаров и конференций в ИФЗ РАН, на Всероссийской конференции «Природные процессы, геодинамика, сейсмотектоника и современный вулканизм Северного Кавказа» 20−30 марта 2008 г. Приэльбрусье, на Генеральной Ассамблее Европейского союза по наукам о Земле 22−27 апреля 2012 Австрия, на научной Конференции молодых ученых ИФЗ РАН 16 мая 2012 г., а также на Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в науке о Земле и горном деле», 13−21 сентября 2012 Абхазия, г. Новый Афон.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 183 наименований. Текст изложен на 151 странице, содержит 71 рисунок и 7 таблиц.
Выводы по пятой главе.
1. Полученные расчетные данные, построенные на достоверных экспериментальных наблюдениях, проведенных в районе Эльбрусского вулканического центра, показывают, что запасы тепла во вмещающих породах магматической камеры вулкана Эльбрус составляют величину порядка 1,5><1020 Дж. Очевидно, что такие запасы тепла достаточны для создания крупной системы геотермального тепло-электроснабжения в районе Эльбрусского вулканического центра (ГеоТС и ГеоЭС).
2. При снижении температуры во вмещающих очаг горных породах до 200 °C и длительности эксплуатации подземной циркуляционной системы в течение 100 лет блок нагретых пород объемом порядка 50 км³ может обеспечить получение 650 — 700 Гкал/ч тепла, что почти полностью удовлетворит потребности такого города, например, как г. Нальчик. В варианте сооружения геотермальной электростанции запасов тепла в объеме 60 — 70 км при названных выше условиях будет достаточно для получения около 250 МВт электроэнергии.
3. Геологическая характеристика геотермальных ресурсов Республики Кабардино-Балкария такова, что позволяет использовать тепло вмещающих пород в окрестности магматических систем Эльбрусского вулканического центра для организации локальных теплоэнергетических систем на основе современных технологий. А строительство серии бинарных электрических станций позволит не только создать здесь локальную систему теплои электроснабжения, но и эффективно и экологически чисто решить многие экономические, социальные и научно-технические проблемы.
Заключение
.
Большинство процессов, связанных с формированием жизненного цикла Эльбрусского вулканического центра, определяется магматическими структурами, включая и геотермальную активность на территории Республики Кабардино-Балкария, потоком геотермической энергии, хранящейся в недрах вулканических построек региона.
Эта внутренняя тепловая энергия вулканических структур высвобождается на поверхность неравномерно. Более точная оценка параметров накопителей энергии стала возможна именно благодаря изучению геолого-геофизического строения Эльбрусского вулканического центра и термических свойств земной коры в прилегающих регионах.
В результате выполнения диссертационной работы решена крупная научная задача, связанная с изучением тепловых полей и наведенных волновых процессов в районе Эльбрусского вулканического центра.
В процессе решения этой задачи получены следующие качественно новые научные результаты:
1. На основании полученных наклонометрических данных, отражающих структуру наведенных волновых процессов от удаленных землетрясений в районе Эльбрусского вулканического центра, подтверждено наличие региональных локальных образований с характерными модами, часть из которых обусловлена низкочастотными откликами магматических камер и магматического очага вулкана Эльбрус.
2. Экспериментальные исследования температурных полей на поверхности вулканической постройки Эльбруса дистанционными и контактными методами позволили выявить и оконтурить тепловые аномалии, изучить фумарольную активность в районе вулканической постройки Эльбруса. Фумарола в 2007 г. была обнаружена на высоте 5599 м в районе восточной вершины. Наблюдения, проведенные в этом районе, показали, что температура поверхностного слоя породы на дне фумаролы составляет 6 °Снаблюдаются выходы флюидов (паров воды и других газов).
3. Построены теоретические соотношения и приведены методы решения прямых и обратных задачи, связанных с определением мощности источников тепла в теле вулканической постройки. Сформулированы общие теоретические схемы их решения.
4. Наблюдаемые экспериментально низкочастотные динамические процессы в магматических структурах вулкана связаны в первую очередь с ростом давления в магматической камере и, как следствие, с изменениями резонансных частот. Все это может свидетельствовать о поступлении новых порций горячих лав из глубинного магматического очага в близповерхностные магматические образования и об активной позиции вулкана Эльбрус на современном этапе развития.
5. Насыщенные флюидом магматические образования, имеющие место в выделенной аппаратурными методами магматической камере и очаге, содержат высокий процент летучих. Об этом свидетельствуют данные исследований флюидной активности в районе вулканической постройки. А это значит, что магма вулкана Эльбрус представляет собой своего рода «жидкостно-газовую» структуру с плотностью порядка 2500−3000 кг/м3 относительно вмещающих пород. По мере развития вулканических процессов, содержащиеся в магме флюиды способны диффундировать через разломно-блоковые структуры, создавая фумаролы и формируя тепловые аномалии, как на поверхности вулканической постройки, так и в других районах Эльбрусского вулканического центра.
6. Разработана, изготовлена и введена в эксплуатацию система геотермии для работы в жестких условиях глубокой штольни при температуре более 40 °C (Эльбрусский вулканический центр, Северо-Кавказская геофизическая обсерватория, Лаборатория № 2, углубление 4100 м). Оборудование системы геотермии, которая допускает регистрацию тепловых процессов в стационарных условиях, позволило выявить высокий температурный градиент в этом районе Эльбрусского вулканического центра.
7. Полученные расчетные данные, построенные с использованием экспериментальных температурных наблюдений в районе Эльбрусского вулканического центра, показывают, что запасы тепла во вмещающих породах.
9П магматической камеры вулкана Эльбрус составляют величину порядка 1,5×10 Дж. Такие запасы тепла достаточны для создания крупной системы геотермального теплои электроснабжения в районе Эльбрусского вулканического центра (ГеоТС и ГеоЭС).
Предложения по продолжению работ и организации комплексного геолого-геофизического и температурного мониторинга в районе Эльбрусского вулканического центра.
Выявление признаков присутствия промежуточной (близповерхностной) магматической камеры в тепловом поле, априори, предполагает знание характера его неоднородностей, что в итоге служит поисковым критерием. Основу методических разработок подобного рода составляют исследования на обучающих, эталонных объектах, а также математические модели теплового поля поверхности над магматическими камерами, учитывающие особенности тектонического и геологического строения. В качестве обучающих объектов могли бы быть близкие по строению и широтам районы с установленными признаками активизации, в том числе и территории с действующими вулканами Камчатки.
Реальной перспективой является использование тепловых космических снимков высокого пространственного разрешения, на основе которых возможно наблюдение за изменением приповерхностного теплового поля поверхности вулканической постройки.
