ТЕРМОРОЗВІДКА

Під терморозвідкою розуміють фізичні методи дослідження природного теплового поля Землі та штучних теплових полів. Або, інакше, терморозвідка - галузь геофізики, що вивчає теплове поле Землі, яке формується під впливом внутрішніх джерел тепла та сонячного випромінювання. Використання терморозвідувальних методів для вирішення широкого переліку пошуково-розвідувальних і інженерно-геологічних задач, вивчення термічного режиму земної кори та верхньої мантії, визначення стану довкілля тощо, обумовлене зв’язком температури з тепловими властивостями порід і з тепловими процесами які відбуваються в надрах Землі. При терморозвідці реєструють радіотеплове й інфрачервоне випромінювання земної поверхні, вимірюють температуру, її вертикальний градієнт або тепловий потік. Розподіл цих параметрів у плані і по глибині несе інформацію про термічні умови і геологічну будову досліджуваного району. Аномалії теплового поля, які визначають на поверхні Землі як відхилення від нормального значення, зобов’язані своїм існуванням конвективним процесам в ядрі та мантії, неоднорідному розподілу джерел генерації тепла (різноманітних процесів, які відбуваються з виділенням чи поглинанням теплової енергії, в тому числі техногенної природи) в земній корі та верхній мантії, кліматичним чинникам, а також неоднорідності надр і поверхні Землі за умовами теплопереносу. При цьому сформовані аномалії можуть бути як стаціонарними так і нестаціонарними. Теорія терморозвідки побудована на основі математичного і фізичного моделювання, натурних спостережень і встановлення зв'язків з іншими полями Землі, що дозволяє оцінити зміну температур в надрах Землі.

Перші вимірювання температури порід, з чого власне можна починати відлік історії терморозвідки, були здійснені в другій половині XVII сторіччя, після винайдення Г.Галілеєм термометра. Вже Р.Бойль та М.Ломоносов відзначали сталість (незалежність від часу доби і пори року) температури в підземних виробках та її зростання з глибиною. Встановлення факту зростання температури з глибиною, до речі, відіграло дуже важливу роль при розробці гіпотез щодо утворення Землі. ХІХ сторіччя було знаковим для розвитку багатьох галузей науки і техніки, не виключенням є й терморозвідка – вимірювання температур стали звичними при проходці підземних виробок в багатьох країнах світу. І вже у 1868 році, за ініціативою англійського фізика В.Томсона (Вільям Томсон, з 1892 р.– барон Кельвін (Kelvin), автор численних праць з багатьох розділів фізики, зокрема з термодинаміки, запропонував абсолютну (термодинамічну) шкалу температур. В його честь названа прийнята в СІ одиниця вимірювання температури [T]=1 К (кельвін)) були систематизовані вимірювання температур в свердловинах, шахтах і рудниках, що дозволило оцінити зростання температури з глибиною – отримані дані дали значення в діапазоні від 2,5°С до 3,5°С на 100 м. У 1898 році Н.Дортоном було створено першу карту ізотерм артезіанського басейну Дакоти. Починаючи з 1910-1916 років термічні дослідження стають звичною складовою комплексу дослідження свердловин при вирішенні гідрогеологічних та нафтопромислових завдань, дозволяючи ідентифікувати місця притоку води та виявляти нафтоносні пласти. Подальшому поширенню сфери застосування термометричних методів (в тому числі при вирішенні технічних задач) сприяло спочатку застосування електричних термометрів, а згодом – впровадження технології аерокосмічних тепловізорних зйомок. У 1930-тих роках були розроблені основи методів штучного теплового поля, а трохи згодом теплові методи стали обов’язковою складовою комплексу контролю розробки родовищ нафти та газу. Систематичне вивчення теплового потоку на території України розпочалося з 1964 р. - роботами виконаними співробітниками Інституту фізики Землі АН СРСР [1]. Подальші дослідження теплового поля в Україні виконувались переважно співробітниками НАН України, зокрема науковцями Інституту геофізики ім. С.І.Суботіна [5, 8, 12 тощо].

Вивчення теплового поля може бути використано для вирішення задач що мають наукове та практичне значення: від визначення областей активізованої мантії і неоднорідностей будови тектоносфери до пошуків родовищ корисних копалин і фіксації джерел техногенного впливу на довкілля. Ефективність застосування терморозвідки зростає за умови відсутності інших чинників формування аномалій та контрастності теплових властивостей порід та геологічних об’єктів.

Перелік завдань, які вирішує терморозвідка, включає:

- визначення теплового потоку з надр Землі і його просторово-часових варіацій, а також моделювання теплового поля;

- дослідження природи теплових потоків і джерел теплової енергії;

- вивчення глибинної будови верхньої мантії та земної кори;

- дослідження енергетичного балансу геодинамічних процесів та ролі теплової енергії в геологічних процесах (тектонічні, магматичні, метаморфічні, гідротермальні процеси, осадконакопичення тощо);

- моделювання теплової еволюції літосферних блоків, геологічних тіл, осадочних басейнів тощо;

- геологічного картування і спеціальних (інженерно-геологічних, гідрогеологічних тощо) зйомок;

- виявлення і вивчення родовищ корисних копалин, в тому числі таких специфічних як геоенергетичні ресурси;

- вивчення мерзлотних умов і руху підземних вод;

- визначення теплофізичних властивостей порід та об’єктів;

- документацію розрізів свердловин за теплопровідністю розкритих гірських порід;

- вирішення задач ґрунтознавства і меліорації, вивчення снігового і крижаного покрову, динаміки ландшафтів;

- вирішення проблем охорони природного середовища; виявлення і відстеження небезпечних явищ (пожежі, підтоплення тощо) та вирішення інших задач.

Одним з специфічних завдань терморозвідки є встановлення закономірних змін інших геофізичних полів при зміні температури. Обумовлені змінами величин теплогенерації і теплового потоку варіації температури. в деяких районах можуть справляти визначальний вплив на фізичні параметри і, відповідно, на характер фізичних полів. Особливо чутливими до зміни температур є електропровідність і намагніченість.

Основні напрямки розвитку геотермії можна згрупувати наступним чином [7]:

- експериментальні дослідження глибоких горизонтів (дослідження континентальних надглибоких наукових свердловин; вивчення вертикальних варіацій щільності теплового потоку; прогноз теплового режиму на глибину; вивчення впливу флюїдів на теплове поле; розробка методик виміру геотермічних характеристик в свердловинах);

- вивчення взаємозв’язку палеокліматичних умов та варіацій геотермічних характеристик (реконструкції змін температури денної поверхні в минулому; аналіз особливостей термодинамічних процесів в зоні розвитку багаторічної мерзлоти; вивчення особливостей формування поля температур в умовах теплофізично неоднорідного середовища; прогнозування можливих глобальних змін клімату на найближчу перспективу);

- флюїди і тепловий режим земної кори (дослідження зв’язку флюїдного і теплового режимів земної кори; вивчення проблеми міграції флюїдів при метаморфізмі; моделювання гідротермальної циркуляції включно з оцінкою проникності земної кори);

- теплова еволюція літосфери (вивчення розподілу кондуктивного теплового потоку; розробка загальних принципів і фізико-математичного апарату моделювання теплового режиму літосфери, верхньої мантії і Землі в цілому; оцінка сучасного термічного стану глобальних, регіональних і локальних геологічних структур; вивчення взаємозв’язків геотермічного поля з гравітаційним, сейсмічністю, неотектонікою, магматизмом, метаморфізмом; дослідження геотермічних аномалій різного походження; палеотермічні реконструкції);

- експериментальна геотермія (розвиток метрологічної і апаратурно-методичної бази для дослідження геотермічних характеристик, в тому числі теплових властивостей порід на місці залягання, а також обладнання для довготривалої реєстрації мікротемпературних сигналів; дослідження вертикальних варіацій геотермічного градієнту і щільності теплового потоку; комплексна інтерпретація і пошук кореляційних зв’язків між параметрами теплового та інших геофізичних полів);

- регіональна геотермія (дослідження розподілу температури і теплового потоку в різних ділянках кори, з’ясування його причин і специфічних особливостей);

- геотермальна енергія (пошуки геотермальних ресурсів; практичне освоєння тепла Землі як альтернативного джерела енергії; розробка методики розвідувально-експлуатаційних робіт);

- прикладна геотермія (вивчення взаємозв’язків теплового режиму окремих регіонів з їх газо-, нафто- і рудоносністю, розробка раціональних методик термічних досліджень при реалізації складних інженерних проектів – спорудженні підземних сховищ газу, могильників відходів тощо; дослідження теплових потоків техногенного походження).