Ляндзберг А.Р., Латкин А.С.

Камчатский государственный технический университет, Россия

Классификация геотермальных флюидов по возможности их комплексной переработки

Истощение мировых запасов традиционных минеральных ресурсов определяет необходимость разработки месторождений нетрадиционных видов сырья. Одним из них являются геотермальные флюиды, представляющие собой раствор химических соединений в парожидкостной смеси (ПЖС). С ростом термодинамических параметров флюидов резко возрастает их химическая активность и количество минеральных соединений, экстрагируемых при прохождении через горные породы. Игнорировать этот факт и осваивать их исключительно как теплоносители невозможно, т.к. флюиды могут иметь высокую степень концентрации таких активных химических соединений, как NH₄⁺, F^-, Cl^-, SO₃^2- , SO₄^2- , HSO₄^- , что ведет к коррозии теплотехнического оборудования (в т.ч. дорогостоящих турбин). Поэтому технологически, экономически и экологически обоснованным является подход, при котором геотермальные флюиды рассматриваются как "жидкие руды" [2, 4], новый вид минерального сырья.

Извлечение ценных компонентов из геотермальных флюидов более рентабельно по сравнению с получением их из традиционных видов минерального сырья. Кроме того, утилизация химической составляющей флюидов позволяет повысить эффективность последующего энергоизвлечения и существенно уменьшить экологическое воздействие на район месторождения. Извлеченная из флюидов химическая составляющая может использоваться либо как основа для последующего получения из нее разнообразных веществ и соединений (номенклатура содержащихся в геотермальном флюиде соединений только для одного месторождения нередко составляет 30-40 наименований), либо непосредственно как кислотный реагент в гидрометаллургических процессах переработки минерального сырья [2]. Особенностью геотермальных растворов по сравнению с «чистыми» кислотами является значительно более низкая стоимость. Поэтому их использование позволяет вовлечь в эксплуатацию сырьевые ресурсы и развивать горноперерабатывающую промышленность в отдаленных и слаборазвитых районах страны, что в рамках традиционных технологических решений было бы невозможно из-за высоких затрат.

Одним из условий развития комплексной эксплуатации геотермальных месторождений является необходимость систематизации свойств извлекаемых флюидов, поскольку при решении вопроса о перспективности их комплексного использования возникает проблема анализа характеристик. Существует несколько основных параметров геотермальных флюидов, такие как общий дебет, температура, минерализация, кислотность, газонасыщенность и газовый состав. В частности, согласно государственным нормам [3], геотермальные воды условно классифицируются в зависимости от температуры на устье скважины, химического и газового состава, как показано в табл. 1.

Таблица 1

Критерии классификации геотермальных вод по [3]

По температуре: °С

Слаботермальные до 40

Термальные 40 – 60

Высокотермальные 60 – 100

Перегретые > 100

По минерализации: сухой остаток, г/л

Ультрапресные до 0,1

Пресные 0,1 – 1

Слабосолоноватые 1 – 3

Сильносолоноватые 3 – 10

Соленые 10 – 35

Рассольные > 35

По общей жесткости: мг-экв/л

Очень мягкие до 1,2

Мягкие 1,2 – 2,8

Средние 2,8 – 5,7

Жесткие 5,7 – 11,7

Очень жесткие >11,7

По кислотности: рН

Сильнокислые до 3,5

Кислые 3,5 – 5,5

Слабокислые 5,5 – 6,8

Нейтральные 6,8 – 7,2

Слабощелочные 7,2 – 8,5

Щелочные > 8,5

По газовому составу:

Сероводородные

Сероводородно-углекислые

Углекислые

Азотно-углекислые

Метановые

Фзотно-метановые  

Азотные

По газонасыщенности: мг/л

Слабая до 100

Средняя 100 – 1000

Высокая > 1000

Перечисленные показатели, как правило, определены для множества точек геотермального поля. Из-за этого полная характеристика месторождения нередко представляет собой набор большого количества данных, с трудом поддающихся систематизации и анализу. Ограничение же числа данных либо рассмотрение отдельных параметров не гарантирует полноты картины. С другой стороны, нередко для геотермального месторождения либо его локальных областей известна только часть вышеперечисленных характеристик флюида. В обоих случаях оценка рентабельности комплексной эксплуатации месторождения затруднена. Поэтому нами была предпринята попытка обобщить существующие характеристики геотермальных флюидов и вычленить основные параметры, прямо определяющие возможность их комплексной переработки.

Из сопоставления данных [6, 7, 9, 11] выявляется следующий общий механизм формирования рудоносного геотермального флюида: распространение углекислых минеральных вод приурочено к районам вулканической активности, где данные воды достигают значительных горизонтов по глубоко проницаемым разломам. При контакте вод с магматическими породами происходит дополнительное закисление вод сульфатами (в поверхностных горизонтах) либо сульфидами (в глубинных пластах). Полученная смесь растворяет нейтральные и выщелачивает активные вещества (металлы). В раствор при этом переходит значительное число (по количеству и по составу) химических соединений, содержащихся в породах. Характеристики итогового раствора определяются исходной кислотностью и глубиной проникновения флюида, причем последняя влияет двояко: определяет номенклатуру перешедших в раствор элементов и его теплосодержание (фазовое состояние и температуру), от которого зависит степень растворимости элементов, т.е. их количество. При этом общая минерализация определяется в первую очередь температурой флюида, а наличие в нем металлов, в том числе редкоземельных, прямо зависит от рН раствора: максимальное содержание металлов – в кислых флюидах, минимальное – в щелочных. Дополнительно отметим, что геотермальные флюиды эффективно выщелачивают из пород не только черные и цветные [5, 8, 11], но и редкоземельные [12] и благородные металлы. Согласно [10], где изучалось растворение во флюидах сульфида золота, это происходит потому, что растворенные газы (в первую очередь H₂S), которые при низких температурах являются неэффективными металлкомплексгонами, при высоких давлениях и температурах становятся высокоэффективными агентами.

Из описанного механизма образования рудоносного геотермального флюида в районах новейшего вулканизма следует, что его характеристики будут тесно увязаны между собой. Определяющими параметрами являются кислотность, фазовое состояние и температура, которые влияют на итоговую минерализацию флюида. Нами разработана классификация, где на основе анализа литературных данных по физико-химическим свойствам флюидов геотермальных полей Камчатки и мира их характеристики увязаны друг с другом. Полученная классификация геотермальных флюидов по минерализации в зависимости от физико-химических свойств представлена в табл. 2.

Таблица 2

Минерализация геотермальных флюидов, мг/кг,
в зависимости от взаимосвязи их физико-химических свойств

Основным полученным результатом является ясно видимая из таблицы 2 закономерность, согласно которой физические и химические параметры флюидов тесно связаны. В первую очередь это касается геотермального пара, для которого повышение температуры почти прямо пропорционально отражается на содержании химических соединений (что объяснимо, т.к. с ростом термодинамических параметров флюида возрастает его химическая активность и энергия удержания минеральных соединений при прохождении через горные породы [1]). Эта закономерность позволяет существенно сократить количество параметров, которые необходимо рассмотреть для решения вопроса о перспективности комплексной утилизации геотермальных флюидов. Как видно из таблицы 2, перспективно извлечение химических соединений из высокотемпературных флюидов с t ~ 400 °С, рН < 5 (металлической составляющей) или рН > 9 (силикатной составляющей).

Рассматривая выполнение указанных условий для Курило-Камчатского региона согласно данным [1, 2, 5, 8 и др.], мы заключаем, что в нем существуют перспективные возможности для разработки геотермальных месторождений по схеме их комплексной утилизации.

Литература.

1. Белова Т.П. Физико-химическое обоснование технологического использования нетрадиционного минерального сырья Курило-Камчатского региона. Дисс-я на соискание уч. степени к.т.н. – Чита, ЧитГТУ, 1999. – 152 с.

2. Белова Т.П., Латкин А.С., Трухин Ю.П. Основы комплексного использования ресурсов высокотемпературных геотермальных теплоносителей. – Владивосток: Изд-во Дальнаука, 2002. – 244 с.

3. ВСН 56-87: Ведомственные строительные нормы Госкомархитектуры. Геотермальное теплохладоснабжение жилых и общественных зданий и сооружений. Нормы проектирования. – М.: Госстандарт, 1988.

4. Латкин А.С. Научные и технологические основы повышения эффективности переработки дисперсного минерального сырья на базе вихревых аппаратов. Дисс-я на соискание уч. степени д.т.н. – Хабаровск, 1994. – 387 с.

5. Набоко С.И. Металлоносность современных гидротерм в областях тектономагматической активности. – М.: Наука, 1980. – 198 с.

6. Петров М.А. О формировании углекислых минеральных вод Камчатки // Современные проблемы гидрогеологии: 5-е Толстихинские чтения к 100-летию Н.И.Толстихина, Санкт-Петербург, 11-13 ноября 1996 г.: Материалы научно-методической конференции. – СПб.: 1996. – с. 69-72

7. Сафонов Ю.Г. и др. Распространенность, состав и условия разгрузки современных терм Байкало-Чарской рифтовой и Курило-Камчатской островодужной областей // Глобальные изменения природной среды. Сб. – Новосибирск: Изд-во НИЦ ОИГГМ СО РАН, 1998. – с. 177-190.

8. Трухин Ю.П., Степанов И.И., Шувалов Р.А. Ртуть в современном гидротермальном процессе. – М.: Наука, 1986. – 200 с.

9. Чудаева В.А., Чудаев О.В. Редкоземельные и сопутствующие элементы в водах Приморья / Дальневосточный геологический институт ДВО РАН, Тихоокеанский институт географии ДВО РАН. – Владивосток, 1997. – 27 с. – Деп. в ВИНИТИ 12.03.97, № 766-В97

10. Loucks Robert R., Mavrogenes John A. Gold solubility in supercritical hydrothermal brines measured in synthetic fluid inclusions // Science. – 1999. – 284, N 5423. – p. 2159-2161.

11. Parlovic P., Stojiljkovic D., Komatina S. Role of Tectonics in forming specific source of carbon-acid water // The 31st Int. Geol. Cong., Rio de Janeiro, Aug 6-17, 2000: Congress Program. – Rio de Janeiro: Geol. Surv. Braz., 2000. – p. 5528.

12. Pentcheva E.N., Sylvestre J.-P., Garnier J.L. Un cas uniqie de formation d'hydrothermes alcalins dans les Alpes Maritimes // Докл. Бьлг. Ан [Докл. Болг. АН]. – 1995. – 48, № 11-12. – p. 83-86.