Перспективи використання геоенергетичних ресурсів в Україні

Істотно обмежує можливість картографування W погано вивчена в межах українського щита. Вона пов’язана перш за все з набагато менш щільною мережею бурових свердловин на щиті в порівнянні з прилеглими западинами, де ведуться пошуки і розвідка родовищ нафти, газу і вугілля. На площі близько 250 000 км² ТП встановлений лише в 1700 свердловинах, дані по яких згруповані в 309 пунктах. Така висока міра усереднювання пов’язана з тим, що близько 1500 значень визначено в центрі щита на площі близько 15 000 км² де вони сконцентровані на невеликих пошукових ділянках. Відсутність даних на більшій частині українського щита не дозволяє характеризувати розподіл W. Тому обґрунтоване картографування геоенергетичних ресурсів на всій території щита — справа майбутнього. Про перспективність рішення цього завдання свідчить той факт, що в детально дослідженій частині регіону виявлені локальні позитивні аномалії ТП, що відповідають значенням W до 4 т у.п./м², хоча середня величина складає всього 1,8 т у.п./м².

Не виключено, що при вдосконаленні  технології використання тепла Землі  і гооенергетичні ресурси такої щільності виявляться придатними для використання. Український щит і його схили за сучасними даними утворюють осьову «низькоенергетичну» структуру України, що обрамувала територіями з відносно підвищеними значеннями W. На рис. 2 показані райони на кордоні схилів українського щита з Дніпровсько-Донецькою западиною і Донбасом (зокрема район м. Києва), де, не дивлячись на рідку мережу спостережень, все ж встановлюються величини щільність ресурсів, що перевищує 3 т у.п./м². Друга ділянка щита і його південного схилу, де виявлені ресурси цієї категорії (на площі близько 5000 км²), східна частина Кіровоградського блоку.

Складність ситуації в  цьому районі полягає в тому, що використаний метод розрахунку W, що передбачає одновимірний стаціонарний розподіл Т, не повністю відповідає передбачуваній природі позитивних аномалій ТП. Згідно з результатами інтерпретації [10] вони пов’язані з підйомом нагрітих вод по вузьких проникних зонах розломів в межах області сучасної активізації. Тому розрахункові значення W можуть відрізнятися від реальних.

Для оцінки відмінності, у  тому числі і його значення, необхідні детальні геотермічні і гідродинамічні дослідження. Не виключено, що в таких незвичайних умовах раціональнішою виявиться технологія видобутку тепла, відмінна від постульованої при розрахунку W, і щільність геоенергетичних ресурсів буде переглянута у бік збільшення.

Можна чекати виявлення геоенергетичних ресурсів категорії С₃ в південній частині західного схилу щита. Він є сусідами тут з Молдавською плитою, в межах якої виявлені інтенсивні аномалії ТП. Їх східні кордони поки що упевнено не встановлені, декілька значень ТП поблизу кордону України і Молдови можуть вказувати на рівень W близько 2,5—3 т у.п./м². Великий інтерес представляє територія Конксько-Ялинської западини і Оріхово-Павлоградської зони на кордоні власне щита і Приазовського масиву. Тут також відмічені декілька підвищені ТП, на локальних ділянках очевидно, досягнення щільності геоенергетичних ресурсів категорії С₃.

Найменш перспективної для  витягання тепла Землі за сучасними  даними здається північно-західна частина  українського щита, де розташовується Волинська негативна аномалія ТП. Вона продовжується на захід в північну частину Волино-Подільської плити. Тут розрахункова величина W менше 1 т у.п./м². Ще декілька подібних районів зустрінуто в інших частинах північно-західного фрагмента щита (див. рис. 2). Не дивлячись на широке поширення на щиті низьких значень W, сумарна кількість геоенергетичних ресурсів категорії С₃ в регіоні по вже проведених оцінках складає значну величину.

2.2. Прояв геотермальної енергії  в межах Дніпровсько-Донецької западини

Дніпровсько-Донецька западина — один з найбільш вивчених ТП регіонів України. Він встановлений тут в 2250 свердловинах. Дані згруповані в 1170 пунктах, які досить рівномірно покривають територію западини (рис. 3). Кордон басейну, що вивчається, в основному проведений по краєвих розломах западини і кордоні між Україною і Білоруссю. Лише на південному сході в перехідній зоні від Дніпровсько-Донецької западини до Донбасу вона умовно проходить по 49° пн. ш. У цьому районі до власне западини додана вузька смуга на схилі Воронежського масиву, де також детально вивчений ТП.

Розподіл щільності геоенергетичних ресурсів в межах западини досить нерівномірні (див. мал. 3). У центральному і особливо південно-східному фрагментах зустрічаються райони з величиною менше 2 т у.п./м². На північному заході басейну поширені значення близько 3 т у.п./м². Подібні райони, у тому числі і з декілька значнішими — до 3,5 т у.п./м², зустрічаються в краєвих розломів, в субмеридіональній смузі центральної частини западини і на крайньому південному сході регіону в перехідній зоні від Дніпровсько-Донецької западини до Донбасу.

За перерахованими даними був проведений підрахунок сумарних геоенергетичних ресурсів — 0,18 трл. т у.п. на площі близько 63 тис. км², тобто середня для регіону величина W виявляється досить низькою — біля 2,8— 2,9 т у.п./м². Природно, райони з W менше 2,5 т у.п./м² виключені при підрахунку сумарних ресурсів.

Слід зазначити одну практично  важливу особливість розподілу  щільності ресурсів. На карті (див. мал. 3) ізолінія з максимальним значенням 4 т у.п./м² відповідає глибинному тепловому потоку 54 мВт/м². Ця величина помітно відрізняється від фонової (44 мВт/м²), але все таки значно нижче за максимальні значення ТП, виявлені в центральних частинах локальних аномалій (до 65— 67 мВт/м²).

Аномалії незначні за площею (ТП скорочується до фонового на відстані 1—2 км. від локальних розломів) і  тому не можуть бути показані на карті. Як показала інтерпретація, обурення ТП пов’язані з проникними зонами розломів, по яких піднімаються нагріті глибинні флюїди. В межах деяких з них виявлений гелій з ізотопною мантійною міткою, що говорить про велику глибину джерела флюїдів.

Такі аномалії намічені (в деяких випадках високий ТП встановлений лише в одній свердловині) на Глинсько-Розбишевській, Єфремівській, Мачехській, Малодевицькій, Яблуневській та інших структурах Дніпровсько-Донецької западини. Формальний розрахунок величини в рамках таких аномалій дає 5—6 т у.п./м², тобто вони є своєрідними родовищами земного тепла. Проте для реальної оцінки запасів вживаної методики недостатньо. Необхідно врахувати два чинники, що не розглядаються при вирішенні одновимірної стаціонарної теплового завдання. Перш за все це складний розподіл Т довкола проникної зони, яке може бути побудоване лише на основі детального вивчення кожної конкретної диз’юнктивної структури. В цілому можна чекати, що прогрівання надр аж до максимальної глибини буріння (6 км.) виявиться декілька меншим, ніж встановлений за спрощеною схемою. З іншого боку, при розтині каналу, по якому поступають глибинні флюїди, можна розраховувати на здобуття помітно перегрітих високонапірних вод, що значно підвищить тепловий потенціал родовища. Дніпровсько-Донецька западина представляється зручним районом для зіставлення щільності геоенергетичних ресурсів із запасами енергії в родовищах вуглеводнів. При розрахунках використовувалися початкові запаси категорій, що добувалися, А, В і С₁, приведені в роботі [12].

Якщо перевести запаси газу, конденсату і нафти в їх еквівалент в т. у.п. (1000 м³ газу — 1,25 т у.п., 1 т конденсату — 1,54 т у.п., 1 т нафти — 1,47 т у.п.) і співвіднести отримані величини з площами покладів, то для чотирьох найбільших родовищ отримаємо щільність 4—8 т у.п./м². Для середніх по запасах родовищ ця величина знаходиться в межах 2—3 т у.п./м², для дрібних родовищ складає декілька десятих доль т у.п./м². Оскільки на кожній одиниці площі Дніпровсько-Донецької западини земне тепло можна добувати кілька разів, змінюючи глибину його відбору, концентрація теплової енергії явно перевершує концентрацію енергії традиційного палива навіть на найбільших родовищах вуглеводнів Дніпровсько-Донецької западини (і України в цілому).

2.3. Прояв геотермальної енергії на Донбасі

Досліджувана територія  на півночі обмежена паралеллю 49° пн. ш., розташована північніше частина регіону аналізувалася у складі Дніпровсько-Донецької западини (див. вище). Східне обмеження — кордон України та Росії, на заході та півдні регіон обмежений приблизно по лініях крайових розломів басейну. У північно-східній частині регіону разом з власне Донбасом розглядається примикаюча до нього частину схилу Воронезького масиву (рис. 4).

У Донбасі ТП досліджений  особливо детально: на площі близько 40 000 км² він визначений для 6100 свердловин (значна частина досліджень проведена в останні роки [13, 14], згрупованих приблизно в 2730 пунктах. Діапазон змін ТП дуже великий: від 40 до 100 мВт/м². На частині території Донбасу виявлено досить чітка приуроченість позитивних аномалій глибинного теплового потоку до проникним зонам великих розломів різного простягання і особливо до місць їх перетинів [13, 14]. Порівняно знижені ТП (близько 50 мВт/м²) поширені в Бахмугскій, Кальміус-Торецькій улоговинах і на північному сході басейну (на північ Нагольного кряжу). Підвищені значення пов’язані з головною антикліналю (і її осьовим розломом), Дружківська-Костянтинівській антикліналь і Нагольним кряжем, з південно-західної частиною басейну, фундамент якої розбитий численними порушеннями. Помітні підвищення ТП (до 55-60 мВт/м²) відзначені і на схилі Воронезького масиву. Картина розподілу глибинного теплового потоку дозволяє припускати, що і порівняно широкі обурення можуть бути результатом суперпозиції вузьких «прирозломних» аномалій.

Мінімальне значення W досягається в Донбасі при ТП = 44 мВт/м². Глибинний тепловий потік цього рівня і нижче фіксується в регіоні тільки на обмеженій території на крайньому заході та сході [13]. В основній частині Донбасу поширені два рівня близько 3 ± 0,5 т у.п./м² та від 4 ± 0,5 до 6 ± 1 т у.п./м². Загальна сума геоенергетичних ресурсів Донбасу складає 0,13 трл т у.п., що в кілька разів більше енергії, еквівалентної всіх запасах кам’яного вугілля басейну — близько 0,04 трл т у.п. [15]. Враховуючи можливість видобутку земного тепла на глибинах менше 5,5 км, цю різницю необхідно збільшити ще в кілька разів. Звичайно, концентрація ресурсів із зменшенням глибини буріння скорочується. Але паралельно падає і вартість систем вилучення енергії.

Донбас представляється  перспективним регіоном для попереднього геотермального нагріву води, що надходить  в котли вже існуючих тут теплоелектростанцій. Крім того, цікавою особливістю геоенергетичних  ресурсів Донбасу є досягнення ними на обмеженій території басейну  рівня температури, при якому  їх можна використовувати для  отримання електроенергії (пара для  турбін) без догріву. З цією метою  необхідно отримувати флюїд з температурою не нижче 210 °С. При стандартному підході до обчислення W така можливість виявляється тільки усередині ізолінії 7 т у.п./м² на західному закінченні Головною антикліналі, де ТП перевищує 85 мВт/м2. Проте зв’язок позитивних аномалій ТП з рухом флюїдів по проникним зонам розломів дозволяє застосувати іншу оцінку глибинних температур.

Інтерпретація цих аномалій для нестаціонарних джерел тепла, що з’явилися на стадії сучасної активізації регіону, приводить до висновку про їх зв’язки з дуже вузькими (шириною в перші сотні метрів) і довгими (від кількох до десятків кілометрів) об’єктами, розташованими в інтервалі глибин від перших сотень метрів до 6-7 км. Розподіл температури в їх межах різко відрізняється від характерного для аномалій з глибокими і великими за площею джерелами тепла. Виявляється, що і при меншій величині аномалії ТП (не 85 мВт/м², а приблизно 70-75 мВт/м²) на глибині 6 км досягається температура флюїду більше 200 °С [10]. Аналогічні флюїдні системи вивчені і в Дніпровсько-Донецькій западині [16]. Для них доведено, що вміст розчиненого у воді кремнезему відповідає температурі у вихідному резервуарі близько 200 °С.

Реальність подібних аномалій підтверджується і розрахунками, виконаними для кіммерійського етапу активізації (близько 200 млн. років тому) [17]. У той період в окремих районах Донбасу відбувалися гідротермальні процеси, близькі за характером до сучасних. Результати розрахунків проконтрольовані даними геотермометрів — температур, встановлених за ступенем літифікації порід карбону. Якщо врахувати сучасний (знижений в порівнянні з кіммерійським) фоновий геотермічний градієнт, на глибині 6 км отримаємо температуру близько 250 °С.

Описаних аномалій можна очікувати окрім згаданого осьового розлому головної антикліналі, Дружківсько-Костянтинівській антикліналі і Нагольного кряжу також у зонах Михайлівсько-Юр’ївського, Криворізько-Павлівського, Південно-Донбаського і в південній частині Волноваського-Чорнухівського розломів [14].

Звичайно, для використання такого своєрідного джерела нагрітих флюїдів необхідно детальне вивчення відповідних розломних систем Донбасу, які супроводжуються значними позитивними аномаліями ТП (існують і розломи, де таких аномалій немає або присутні негативні аномалії). Але можна цілком обґрунтовано припустити, що район ймовірного використання геоенергетичних ресурсів Донбасу для вироблення електроенергії без догріву виявиться істотно більше північно-західного фрагмента Головної антикліналі (див. рис. 4). Відповідні умови можуть бути виявлені на значних територіях інших частин регіону, де стандартно обчислена величина W досягає 5,5-6 т у.п./м².

2.4. Прояв геотермальної енергії  на півдні України

Досліджуваний регіон (обмежений  кордонами України з Румунією, Молдовою і Росією, схилом українського щита на півночі та Чорним і Азовським морями на півдні) включає дві тектонічні структури — Південноукраїнську монокліналь і Скіфську плиту. Плита частково (крім Криму та Північної Добруджі) розташована, як і південна частина моноклінали, на Чорноморсько-Азовському шельфі. Використання геоенергетичних ресурсів шельфу в осяжному майбутньому нереально, тому встановлені в його межах W не використовувалися при підрахунку сумарних ресурсів півдня України.

У регіоні визначені ТП в 820 свердловинах, результати згруповані в 550 пунктах. Щільність мережі виявляється  в середньому набагато менше, ніж  у Донбасі та Дніпровсько-Донецькій западині, але істотно перевершує досягнуту на українському щиті та його схилах.

Мінімальна рентабельне  значення W відповідає ТП від 42 (шельф і Крим) до 45 мВт/м² (Південноукраїнська монокліналь і Добруджа). Настільки низькі значення ТП поширені лише на півночі центральної і східної частин Південноукраїнської монокліналі. У Криму, на шельфі Чорного моря, в Північній Добруджі і в Придобруджськім прогині виявлені фонові величини від 50 (на монокліналі) до 60 мВт/м² (у Криму) й інтенсивні аномалії глибинного теплового потоку [9], що досягають 75-95 мВт/м², що дозволяє розраховувати на широке розповсюдження великих значень W (рис. 5).

Майже на всій території  південноукраїнської монокліналі величина W невелика, 3-3,5 т у.п./м². Тільки в Північній Добруджі, тобто вже на околиці Скіфської плити, і частини Прідобруджского прогину спостерігається на невеликій площі зростання параметра до 4-5,5 т у.п./м² в районі Ренійської аномалії глибинного теплового потоку.