منابع انرژی درون گرمایی زمین

انرژی درون گرمایی زمین ، نوعی انرژی است که از درون پوسته زمین به صورت حرارت محسوس منشاء گرفته و به وسیله هدایت ملکولی به سطح زمین می رسد. این حرارت ممکن است از طریق انتقال ملکولی و به کمک سنگ های جامد به سطح زمین انتقال یابد و یا این که از طزیق گرم شدن آبهای زیر زمینی و حرکت آنها به سطح زمین برسد . مهمترین کانون تشکیل منابع انرژی درون گرمایی زمین مربوط به مناطق فعال آتشفشانی است ، ولی با این وجود باید دانست که همیشه گرمای سنگ های جامد اعماق زمین و یا آبهای زیر زمینی به فعالیت های آتشفشانی بستگی ندارد . در این مبحث سعی شده ؛ بطور اختصار به نحوه بهره برداری لز انرژیهای درون گرمایی زمین که برای بشر مفید می باشد ، پرداخته شود.
مشاهدات حفاری معادن و یا حفاری های عمیق زیر زمینی بیانگر این نکته است که درجه حرارت سنگ ها با عمق زمین افزایش می یابد . این افزایش گرما به ( گرادیان ژئو ترمال ) یا شیب انرژی درون گرمایی زمین ، معروف است . میزان این گرادیان به ازاء افزایش هر کیلو متر در حدود ۲۰ الی ۴۰ درجه سانتیگراد ، در پنج کیلو متر اولیه پوسته زمین است . البته باید ذکر شود که میزان دما با افزایش عمق به سرعت اضافه شده ، به طوری که مقدار آن در جبه فوقانی در منطقه ای که سنگ ها در مرز ذوب هستند ، بسیار زیاد می باشد ، ولی با این وجود حرارت درونی زمین بسیار آهسته و به میزان اندک به سطح زمین می رسد .
دز واقع گرمایی که از این طریق در طی سال به سطح زمین می رسد، برای ذوب لایه ای از یخ به قطر شش میلیمتر کافی می باشد . در واقع این حرارت در مقایسه با انرژی که سالانه از خورشید به زمین می رسد بسیار ناچیز است ، شاید حفر چاههای بسیار عمیق در مناطق مناسب پوسته و تزریق آب به سنگهای داغ ، جهت تولید انرژی الکتریکی که خود به عنوان منبع اولیه انرژی برای بشر محسوب می شود، در ابتدا کاری سهل و آسان به نظر برسد؛ ولی مسئله به این آسانی نیست ، یعنی سنگهای بلورین در اعماق زیاد به حرارت فوق العاده بالا ، گرایش به انسداد و بستن حفرات و یا چاههای ناشی از حفاری را دارند، بنابر این در مدت کمی ؛ این پدیده می تواند موانعی در عملیات حفاری ایجاد کرده و ادامه کار را مختل می سازد . به همین جهت بکارگیری وسایلی که توان تحمل درجه حرارت زیاد را در این اعماق داشته باشد ضروری است .
بنابر این قبل از بروز چنین مشکلاتی باید مکانها و و موقعیت های ویژه ای را برای استفاده از انرژی درون گرمایی زمین پیدا کرد ، یعنی آن دسته از مناطقی که به طور طبیعی سنگها و آبهای زیر زمینی داغ در امتداد و در مسیر عملیات حفاری قرار داشته باشند. اگر گرادیان متوسط انرژی درون گرمایی یک چاه بین ۲۰ تا ۴۰ درجه سانتیگراد باشد؛ چنین منطقه ای برای تولید آب گرم یا آب داغ مناطق مسکونی مناسب است . یافتن چنین مناطقی حتی با انرژی درون گرمایی کمتر در سواحل جلگه ای اقیانوس اطلس در جنوب شرقی ایالات متحده در حال بررسی و تحقیق است .
در برخی از مناطق ، آبهای زیر زمینی به صورت چشمه های آب داغ با دمایی معادل ۱۰۰ درجه سانتی گراد به سطح زمین می رسند. به علاوه در همین نواحی بخار آب و آب های داغ از طریق منافذ زمین با فشار زیادی خارج می شوند که به این پدیده آب فشان یا فواره گویند .
مقدار آبی که توسط چشمه های داغ و اشکال فواره مانند به سطح می رسند، بیش از میزان آبی است که در اثر مجاورت با سنگ های داغ ایجاد می گردد. به عبارت دیگر آب های داغی که توسط حرکت مواد مذاب به سطح زمین می رسند ، به دلیل پایین بودن ظرفیت نگه داری مواد مذاب است ، در حالی که آن دسته از آب هایی که در اثر مجاورت با سنگ های درونی داغ می شوند ، در واقع برگشت مجدد آبهای سطحی است .
یکی از پدیده هایی که به چشمه های آب داغ و فواره های بخار مربوط می شود ، پدیده ای بنام { فامورل } است . فامورل عبارت از خروج سریع گاز از منافذ کوچک زمین می باشد . در فامورل ها درجه حرارت گازها ، فوق العاده زیاد و بیشتر از ۳۲۰ درجه سانتیگراد است . بیشترین درصد گاز فامورل یعنی حدود ۹۹ درصد آ ن را بخار آب تشکیل می دهد . بنا براین فامورل بخار آب بسیار داغی از خود خارج می کند . فامورل ها معمولا در مناطق فعال آتشفشانی و یا مناطق نسبتا جوان پوسته زمین وجود دارد .
فامورل ها و چشمه های آب داغ طبیعی ، به عنوان اولین مناطق بهره برداری از انرژی درون گرمایی زمین جهت تولید برق به حساب می آیند . اگر چاهی در بالای این مناطق حفر شود ، آبهای داغ در حین خروج به دلیل کاهش فشار اتمسفریک سریعا به بخار تبدیل می شوند . بخاری که بدین صورت از آبهای داغ جدا می شود ، به برجهای بزرگی هدایت شده و توربینها را برای تولید برق می چرخاند. تنها مشکلی که این آبهای داغ ایجاد می کند ، مسئله آلودگی حرارتی آنهاست که باعث بروز مشکلات زیست محیطی می شود .
چنین میدانها و حوزههای بخار آب ، توان تولید حداقل ۱۵ مگا وات برق را دارند ، حتی تعدادی از این میدانها توان تولید ۲۰۰ مگا وات برق و یا مقدار بیشتر از این را دارند .
در اعماق بیشتر زمین؛ منابع آب داغی وجود دارد که انرژی آنها بیشتر از منابعی است که تاکنون در مورد آنها بجث شده است . منتها دسترسی به این منابع نیازمند حفاری های عمیق تری است . یکی از مناطقی که دارای این نوع منابع آب داغ زیرزمینی است ، اخیرا در زیر دره { امپریال } کالیفرنیای جنوبی شناخته شده است . وسعت این ناحیه ۵۰۰۰ کیلومتر مربع است و تا نواحی داخلی مکزیکو واقع در دره مکزیکالی گسترش یافته است این منطقه از نظر تکتونیکی { حرکات پوسته زمین } ناحیه ای فعال بوده و به دلیل شکسته شدن صفحه لیتوسفر زمین ، پوسته در حال گسترش است . شاید بالا آمدن مواد مذاب و گسترش پوسته زمین در برخی از نواحی دنیا نظیر جزایر ایلند در اقیانوس اطلس شمالی مربوط به همین پدیده یعنی فشار انرژی های درون گرمایی زمین باشد . البته این مسئله فعلا در حد یک فرضیه است . بررسی های انجام شده در روی چاههای این منطقه نشان می دهد که مخازن گسترده ای از آبهای بسیار داغ زیرزمینی یا دمایی بین ۲۶۰ تا ۳۷۰ درجه سانتیگراد در این ناحیه وجود دارد . هر موقع که این آبهای فوق العاده داغ ، بوسیله چاه به بیرون راهی پیدا کنند ، بلافاصله تبدیل به بخار می شوند نیروی فشاری که از بخار و یا از آبهای داغ بوجود می آید ، به محض رسیدن به سطح زمین مانند یک قهوه جوش عمل می کنند . در نزدیکی دره مکزیکالی در مکزیکو به کمک همین منابع روزانه بالغ بر ۲۰۰۰ متر بر تن بخار استحصال می شود . بنابراین ناحیه فوق با دارا بودن درجه شوری کم آب ، توان تولید انرژی الکتریکی زیادی را داشته و اگر بتوان به خوبی از انرژیهای درون گرمایی زمین در این ناحیه یعنی دره امپریال بهره برداری شود ؛ می توان به میزان ۲۰۰۰۰ مگاوات برق تولید نمود . در این صورت این منبع به تنهایی قابلیت تامین کل انرژیهای مورد نیاز کالیفرنیای جنوبی را دارد . بعلاوه بعد از تولید برق می توان به کمک گرمای باقیمانده آب ، فاضلاب ها و سپس آبهای موجود را تقطیر و از این طریق آب مورد نیاز کشاورزی را در ناحیه صحرایی تامین کرد.
در مناطق خاصی از قاره ها ، ماگما به قدری نزدیک پوسته زمین است که سنگهای آذرین باتولیت ها حتی در عمق ۲ تا ۵ کیلومتری هنوز داغ می باشند . در این عمق سنگها بسیار فشرده بوده و توان نگهداری آب کمی را در خود دارند. درجه حرارت این سنگها در این عمق به ۳۰۰ درجه سانتی گراد می رسد و توان تولید انرژی حرارتی زیادی را دارند . امکان بهره برداری از انرژی این منابع با شیوه حفاری در منطقه سنگهای داغ و سپس متلاشی کردن سنگهای اطراف چاه به روش شکست آبی امکان پذیر است . شکست آبی روشی است که آب با فشار زیادی برای استخراج نفت استفاده می شود . در منطقه ای که چنین شکافی وجود دارد ، آبهای سطحی وارد چاه شده و از طریق چاه دیگری آبهای داغ به بالا هدایت می شوند.
چاههای آزمایشی دیگری در ناحیه نیو مکزیکو شمالی در اواسط دهه ۱۹۷۰ حفر شد و سنگ گرانیتی خشکی که در کف چاه قرار داشت با تزریق آب به روش تحت فشار متلاشی گردید .
با انجام این آزمایش موفق ؛ امید است که بتوان به محل استقرار سنگهای داغ گرانیتی که در مناطق عمیق تری از زمین قرار دارند دست یافت .
نظیز چنین مناطقی در ایالتهای (مونتانا) و (ایداهو) نیز یافت شده است . دانشمندان عقیده دارند که نیروی ذخیره ای که در مناطق سنگهای داغ زیر زمینی وجود دارد ، چندین برابر بیش از نواحی است که دارنده منابع آبهای داغ زیر زمینی هستند . تخمین زده می شود تا سال ۲۰۰۰ برق تولیدی چاهها در مناطق سنگهای گرانیتی خشک به ۴۰۰۰۰ مگا وات برسد .
بلاخره در فهرست راههای تامین انرژی درون گرمایی زمین ، میتوان به انرژی ذخیره در رسوبات ضخیم منطقه فلات قاره که در حاشیه قاره ها قرار دارد ، اشاره کرد این رسوبات به شکل گوه ای می باشند که با حرکت به سمت حوضه اقیانوسی نازکتر می شوند . مثلا در فلات قاره سواحل (گالف) ذخایر پروتئینی غنی در رسوبات این ناحیه وجود دارد . این رسوبات در طول ناحیه ای از تگزاس تا لوئیزیانا امتداد دارد . در برخی نواحی این لایه های رسوبی حاوی آبهای داغ بسیار پر فشار و گازهای نا محلول طبیعی است . به چنین مجموعه ای در زیر زمین ( منطقه فشرده زمینی ) گفته می شود . این مناطق به دلیل همین فشار زیاد چندان برای حفاری های نفتی مناسب نمی باشد ، چرا که کنترل این چاهها بسیار مشکل خواهد بود ، ولی این مناطق برای تولید برق کاملا مناسب بوده و میتوان همانند میدانهای آبهای داغ ، از انرژی این نواحی برق تولید نمود .
تخمین زده می شود که ظرفیت تولید برق در منطقه گالف بین ۳۰۰۰۰ تا ۱۱۵۰۰۰ مگا وات باشد . هر چند که در حال حاضر ممکن است به کار گیری از این منابع ظاهرا از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نباشد ، ولی این منابع به دلیل دارا بودن انرژی بسیار زیاد ، در آینده یقیتا مورد توجه قرار خواهند گرفت .

کتاب Modern Physical Geography by.A.Strahler
مترجم: محمد رضا صدقی-کارشناس ارشد جغرافیای طبیعی

منبع : سازمان آموزش و پرورش استان خراسان