Помощь студентам в учебе
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ИНФИЛЬТРАЦИИ МЕТЕОРНОЙ ВОДЫ НА РЕЖИМ РАЗГРУЗКИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМ НА ПРИМЕРЕ ДОЛИНЫ ГЕЙЗЕРОВ (КАМЧАТКА)
|
Введение 5
Глава 1 Изученность и постановка проблемы исследования 11
1.1 Методы оценки глубинной составляющей термальной разгрузки - Qd 11
1.2 Методы оценки расхода водотоков 14
1.3 Методы оценки объемов извержений гейзеров 18
1.4 Примеры влияния инфильтрации холодных вод при эксплуатации двухфазных
геотермальных резервуаров 19
1.5 Примеры моделирования притока метеорных вод в двухфазные резервуары . 25
1.6 Термогидродинамическое моделирование условий формирования Долины
гейзеров 26
1.7 Гейзерные поля мира 28
1.7.1. Йеллоустонский национальный парк, США 29
1.7.2 Эль Татио, Чили 32
1.7.3 Долина Хаукадалур, Исландия 37
1.7.4 Долина гейзеров Ваймангу, Новая Зеландия 40
1.8 Выводы по главе 1 42
Глава 2 Характеристика объекта исследований 43
2.1 Гидротермальная система Долины гейзеров, Камчатка, Россия 43
2.2 Геологическое строение 44
2.3 Гидрогеологические условия 49
2.4 Поверхностные проявления термальной активности 51
2.5 Тепловое питание 52
2.6 Водное питание 53
2.7 Региональная и локальная сейсмичность 55
2.8 Геологические катастрофы: оползень 3.06.2007 г. и сель 3.01.2014 г. в Долине
гейзеров 57
2.9 Выводы по главе 2 58
Глава 3 Применение хлоридного трассерного метода для оценки глубинной составляющей термальной разгрузки, объемов извержений гейзеров и расхода речного потока 60
3.1 Теоретические основы хлоридного трассерного метода 60
3.2 Методика применения хлоридного трассерного метода в Долине гейзеров .... 61
3.2.1 Преобразование удельной электропроводности в концентрацию хлорид-иона 61
3.2.2 Применение хлоридного трассерного метода для определения расхода реки . 63
3.2.3 Применение хлоридного трассерного метода для определения объемов
извержений гейзеров 64
3.2.4 Патент на применение хлоридного трассерного метода 66
3.3 Результаты измерений расхода р. Гейзерная хлоридным трассерным методом
67
3.4 Результаты измерений глубинной составляющей термальной разгрузки в р.
Гейзерная хлоридным трассерным методом 72
3.5 Результаты измерений объемов извержений гейзеров Большой и Великан
хлоридным трассерным методом 74
3.5.1 Измерения 23 апреля 2021 г. 75
3.5.2 Измерения 26-30 августа 2021 г. 76
3.5.3 Измерения 27 апреля 2022 г. 77
3.5.4 Измерения 17-21 сентября 2022 г. 78
3.5.5 Измерения 30 апреля 2023 г. 81
3.5.6 Измерения 11-15 сентября 2023 г. 82
3.5.7 Измерения 25 апреля 2024 г. 83
3.6 Выводы по главе 3 85
Глава 4 Влияние инфильтрации холодной воды на гейзерный резервуар 87
4.1. Изменение химического состава воды и газа гейзеров Большой и Великан
(1969-2024 гг.) 87
4.2. Изменение объемов извержений гейзеров Большой и Великан за период
2018-2024 гг. 89
4.3. Изменение глубинной составляющей термальной разгрузки в р. Гейзерная за
период 1961-2024 гг. 90
4.4. Выводы по главе 4 92
Глава 5 Термогидродинамическое моделирование влияния инфильтрации на
гейзерный резервуар 93
5.1. Теоретические основы и управляющие уравнения неизотермической
многофазной геофильтрации 93
5.2. Инверсионное моделирование iTOUGH2 96
5.3. Локальная 2D термогидродинамическая TOUGH2-EOS2 модель Гейзерного
резервуара 97
5.3.1. Сборка модели 98
5.3.2. Прямое TOUGH2 моделирование влияния инфильтрации 99
5.3.3. Обратное iTOUGH2 моделирование 100
5.4. 3D термогидродинамическая TOUGH2-EWASG модель магмогидротермальной системы Долины гейзеров - вулкан Кихпиныч 103
5.4.1. Сборка модели 104
5.4.2. Моделирование условий формирования магмо-гидротермальной системы .. 107
5.4.3. Моделирование инфильтрации холодной воды через Подпрудные озера 109
5.5. Выводы по главе 5 113
Заключение 115
Термины 117
Список литературы 119
Глава 1 Изученность и постановка проблемы исследования 11
1.1 Методы оценки глубинной составляющей термальной разгрузки - Qd 11
1.2 Методы оценки расхода водотоков 14
1.3 Методы оценки объемов извержений гейзеров 18
1.4 Примеры влияния инфильтрации холодных вод при эксплуатации двухфазных
геотермальных резервуаров 19
1.5 Примеры моделирования притока метеорных вод в двухфазные резервуары . 25
1.6 Термогидродинамическое моделирование условий формирования Долины
гейзеров 26
1.7 Гейзерные поля мира 28
1.7.1. Йеллоустонский национальный парк, США 29
1.7.2 Эль Татио, Чили 32
1.7.3 Долина Хаукадалур, Исландия 37
1.7.4 Долина гейзеров Ваймангу, Новая Зеландия 40
1.8 Выводы по главе 1 42
Глава 2 Характеристика объекта исследований 43
2.1 Гидротермальная система Долины гейзеров, Камчатка, Россия 43
2.2 Геологическое строение 44
2.3 Гидрогеологические условия 49
2.4 Поверхностные проявления термальной активности 51
2.5 Тепловое питание 52
2.6 Водное питание 53
2.7 Региональная и локальная сейсмичность 55
2.8 Геологические катастрофы: оползень 3.06.2007 г. и сель 3.01.2014 г. в Долине
гейзеров 57
2.9 Выводы по главе 2 58
Глава 3 Применение хлоридного трассерного метода для оценки глубинной составляющей термальной разгрузки, объемов извержений гейзеров и расхода речного потока 60
3.1 Теоретические основы хлоридного трассерного метода 60
3.2 Методика применения хлоридного трассерного метода в Долине гейзеров .... 61
3.2.1 Преобразование удельной электропроводности в концентрацию хлорид-иона 61
3.2.2 Применение хлоридного трассерного метода для определения расхода реки . 63
3.2.3 Применение хлоридного трассерного метода для определения объемов
извержений гейзеров 64
3.2.4 Патент на применение хлоридного трассерного метода 66
3.3 Результаты измерений расхода р. Гейзерная хлоридным трассерным методом
67
3.4 Результаты измерений глубинной составляющей термальной разгрузки в р.
Гейзерная хлоридным трассерным методом 72
3.5 Результаты измерений объемов извержений гейзеров Большой и Великан
хлоридным трассерным методом 74
3.5.1 Измерения 23 апреля 2021 г. 75
3.5.2 Измерения 26-30 августа 2021 г. 76
3.5.3 Измерения 27 апреля 2022 г. 77
3.5.4 Измерения 17-21 сентября 2022 г. 78
3.5.5 Измерения 30 апреля 2023 г. 81
3.5.6 Измерения 11-15 сентября 2023 г. 82
3.5.7 Измерения 25 апреля 2024 г. 83
3.6 Выводы по главе 3 85
Глава 4 Влияние инфильтрации холодной воды на гейзерный резервуар 87
4.1. Изменение химического состава воды и газа гейзеров Большой и Великан
(1969-2024 гг.) 87
4.2. Изменение объемов извержений гейзеров Большой и Великан за период
2018-2024 гг. 89
4.3. Изменение глубинной составляющей термальной разгрузки в р. Гейзерная за
период 1961-2024 гг. 90
4.4. Выводы по главе 4 92
Глава 5 Термогидродинамическое моделирование влияния инфильтрации на
гейзерный резервуар 93
5.1. Теоретические основы и управляющие уравнения неизотермической
многофазной геофильтрации 93
5.2. Инверсионное моделирование iTOUGH2 96
5.3. Локальная 2D термогидродинамическая TOUGH2-EOS2 модель Гейзерного
резервуара 97
5.3.1. Сборка модели 98
5.3.2. Прямое TOUGH2 моделирование влияния инфильтрации 99
5.3.3. Обратное iTOUGH2 моделирование 100
5.4. 3D термогидродинамическая TOUGH2-EWASG модель магмогидротермальной системы Долины гейзеров - вулкан Кихпиныч 103
5.4.1. Сборка модели 104
5.4.2. Моделирование условий формирования магмо-гидротермальной системы .. 107
5.4.3. Моделирование инфильтрации холодной воды через Подпрудные озера 109
5.5. Выводы по главе 5 113
Заключение 115
Термины 117
Список литературы 119
Концептуальные гидрогеологические модели высокотемпературных гидротермальных систем, подтвержденные опытными данными и численным моделированием, имеют фундаментальное значение для обеспечения устойчивого и эффективного использования запасов геотермальной энергии высокотемпературных гидротерм, безопасности рабочей и туристической инфраструктуры, а также для решения задач поиска и разведки минеральных ресурсов (в том числе гидроминеральных).
Долина гейзеров на Камчатке - пример высокотемпературной двухфазной (азотно- углекислой) гидротермальной системы терм Cl-Na состава, с огромным дебитом, где происходят впечатляющие извержения гейзеров (Устинова, 1955; Сугробов, 2009). После того, как катастрофические оползни/сели 2007 и 2014 гг. нарушили условия Гейзерного резервуара, возник ряд вопросов: 1. Какое влияние эти события (вызвавшие инфильтрацию холодной воды в Гейзерный резервуар) оказали на продуктивность гейзеров? 2. Какие параметры гидротермальной системы необходимо в дальнейшем отслеживать, чтобы иметь возможность прогнозировать геологические катастрофы? 3. Какие свойства гидротермальной системы Долины гейзеров целесообразно использовать в качестве природных аналогов для промышленного освоения геотермальных месторождений?
В связи с этим в диссертации рассмотрены вопросы оценки влияния инфильтрации холодной воды в двухфазные геотермальные резервуары. Мировой опыт показывает, что это также может привести к снижению продуктивности геотермальных месторождений (Ceoccarelli, 1987; Truesdell et al, 1997; Sugiamana et al, 2004; Hanano et al., 2005; Dacillo et al, 2010; Кирюхин и др., 2014).
Актуальность темы исследования. Мониторинг изменений в гидродинамическом и химическом режиме разгрузки гейзеров необходим для оценки влияния недавних катастрофических событий в Долине гейзеров (гигантский обвал 3 июня 2007 г. и сель 3 января 2014 года) на состояние гидротермальной системы и для разработки термогидродинамической-химической модели для прогноза восстановления гейзеров и возможных геологических катастроф в будущем. Решение этих задач актуально для обеспечения безопасности рабочей и туристической инфраструктуры, т.к. Долина гейзеров является одним из часто посещаемых объектов на Камчатке (более 4000 туристов в год). Немаловажным является использование данных наблюдений длительной гидродинамической и гидрохимической истории гидротермальной системы Долины гейзеров (1941-2025 гг.) для оптимизации эксплуатации высокотемпературных геотермальных месторождений.
Объектом исследования является гидротермальная система Долина гейзеров (Камчатка).
Целью работы является выяснение условий формирования гидротермальной системы Долины гейзеров с применением термогидродинамического моделирования и хлоридного трассерного метода.
Основные задачи исследования:
1. Применение хлоридного трассерного метода для оценки глубинной составляющей термальной разгрузки и объемов извержений гейзеров по данным синхронизированного измерения электропроводности и расхода реки Гейзерной.
2. Разработка и калибровка локальной 2D термогидродинамической модели Гейзерного резервуара для объяснения уменьшения глубинной составляющей термальной разгрузки в паводковый период.
3. Разработка и калибровка 3D термогидродинамической модели для объяснения условий формирования гидротермальной системы Долины гейзеров в целом, воспроизведения наблюдаемого уменьшения величины глубинной составляющей термальной разгрузки в паводковый период и наблюдаемых долговременных трендов гидродинамического и химического режима гейзеров.
Научная новизна заключается в применении хлоридного трассерного метода для оценки глубинной составляющей термальной разгрузки Qd и объемов извержений гейзеров по данным синхронизированного измерения электропроводности и расхода реки Гейзерной. Впервые термогидродинамическое моделирование использовано для обоснования условий значимого снижения продуктивности двухфазного высокотемпературного геотермального резервуара при инфильтрации в него холодной воды.
Теоретическая и практическая значимость работы. В 2024 г. был выдан и зарегистрирован патент на устройство для оценки разгрузок хлоридного трассера в водотоки (патент №2832424, 2024). По данным с устройства возможна оценка расхода небольших горных рек хлоридным трассерным методом, что в сумме с данными об электропроводности речной воды, переведенными в концентрацию хлора, позволяет рассчитать величину глубинной составляющей термальной разгрузки р. Гейзерной, дренирующей Долину гейзеров. Динамика изменения глубинной составляющей термальной разгрузки Qd характеризует изменения магматической активности в источнике теплового питания гидротермальной системы, что необходимо знать для обоснованного прогноза катастрофических геологических событий, инициированных магмо-гидротермальной активностью (таких как обвал 2007 г. и сель 2014 г. в Долине гейзеров). Хлоридный трассерный метод также позволяет рассчитать объемы изверженной гейзерами воды.
Численные термогидродинамические модели Гейзерного резервуара, объясняющие воздействие притока холодных метеорных вод на объемы извержений гейзеров - могут быть применены для прогноза добычи теплоносителя на геотермальных месторождениях-аналогах. В этом контексте гидротермальная система Долина гейзеров выступает как полигон, на котором могут отрабатываться геотермальные технологии (например, влияние обратной закачки на продуктивность добычных скважин) и методы прогноза геологических катастроф.
Методы исследования. Для оценки расхода р. Гейзерная использовался хлоридный трассерный (ХТ) метод, заключающийся в запусках трассера (NaCl) в реку Гейзерная и регистрации связанных с ними аномалии логгером электропроводности ниже по течению. Логгер HOBO U24-001 использовался для измерения и записи значений электропроводности речной воды, что впоследствии пересчитывалось на концентрацию хлорид-иона. Пересчет удельной электропроводности в концентрацию хлора проводился с помощью планарной регрессии данных синхронного отбора проб в точках измерения электропроводности. Записи логгера электропроводности также использовались для расчета Qd и объемов извержений гейзеров.
Температурные логгеры HOBO U12-015 применялись для мониторинга интервалов между извержениями гейзеров Большой и Великан. Логгеры HOBO U20- 001-04 - для оценки уровня воды в р. Гейзерная.
Графический анализ данных осуществлялся с помощью программ Golden Software (Grapher-9 и Surfer-18).
Данные химического анализа проб воды из р. Гейзерная и режимных гейзеров, включая гейзеры Большой и Великан выполнены в Аналитическом Центре ФГБУН Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН (аттестат аккредитации № ААС.А.00150).
Для численного термогидродинамического моделирования применялись программы TOUGH2 и iTOUGH2 с модулями состояния EOS1, EOS2, EWASG (Pruess, 1991, Finsterle, 1998). В дополнение к указанным выше программам использован пре- и постпроцессор PetraSim v.5.2, позволяющий осуществлять интерактивную сборку моделей и визуализацию полученных результатов.
Основные защищаемые положения:
1. Хлоридный трассерный (ХТ) метод является эффективным и надежным инструментом для оценки объемов извержений гейзеров (V) и динамики изменения глубинной составляющей разгрузки термальных вод (Qd) в бассейнах небольших горных рек со сложным, изменяющимся во времени сечением потока.
2. После геологических катастроф в Долине гейзеров в 2007 и 2014 гг. фиксируются долговременные тренды снижения концентрации хлорид-иона в химическом составе воды гейзеров, увеличение объемов извержений гейзеров (Большой и Великан), уменьшение глубинной составляющей в разгрузке термальных вод Qd в паводковый период.
3. Результаты 2D и 3D термогидродинамического моделирования с учетом двухфазного трехкомпонентного состояния флюида (H2O, Cl, CO2) объясняют наблюдаемые тренды увеличения водной разгрузки гейзеров, снижения концентрации хлорид-иона и паводковые уменьшения величины разгрузки глубинной составляющей Qd инфильтрацией холодных вод в двухфазный Гейзерный резервуар.
Личный вклад автора. При личном участии автора выполнялись полевые работы на объекте исследований в 2011, 2023 и 2024 гг.: маршрутные гидрогеологические исследования, установка логгеров давления, температуры и электропроводности в р. Гейзерная и на гейзерах Большой и Великан для применения ХТ метода, отбор проб воды и газа для последующего химического анализа.
Автором обработаны результаты применения хлоридного трассерного ХТ метода для оценки динамики изменения глубинной составляющей разгрузки термальных вод (Qd), объемов извержений гейзеров Большой и Великан (V) и расхода реки Гейзерная (Qr) с 2021 по 2024 гг.
Участие в разработке и калибровке локальной 2D термогидродинамической модели для объяснения уменьшения Qd в паводковый период.
Участие в разработке и калибровке 3D термогидродинамической модели для объяснения условий формирования гидротермальной системы Долины гейзеров в целом, воспроизведения на модели наблюдаемого уменьшения Qd в паводковый период и наблюдаемых долговременных трендов гидродинамического и химического режима гейзеров.
Степень достоверности и апробация результатов исследований. Достоверность результатов исследований обеспечена калибровкой математических моделей (созданных с использованием лицензионного программного обеспечения) по опытным гидрогеологическим данным (полученным стандартными и запатентованными методами с применением сертифицированного оборудования).
Основные положения диссертации были представлены на конференциях, в том числе с международным участием: Всероссийская научная конференция с международным участием «Геотермальная вулканология, гидрогеология, геология нефти и газа» (г. Петропавловск-Камчатский, 2020, 2021, 2022, 2023), XXIV ежегодная научная конференция, посвященная Дню вулканолога «Вулканизм и связанные с ним процессы» (г. Петропавловск-Камчатский, 2021), XXV ежегодная научная конференция, посвященная Дню вулканолога «Вулканизм и связанные с ним процессы» (г. Петропавловск-Камчатский, 2022), V Всероссийская научная конференция с международным участием имени профессора С. Л. Шварцева «Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами» (г. Томск, 2023), а также в отчетах по проектам РНФ 16-17-10008 «Геофлюидодинамика активных вулканов и прилегающих гидротермальных систем» и РФФИ 18-05-00052 «Геофлюидодинамика с элементами геомеханики: приложения для гидротермальных и вулканических систем», в годовых отчетах и на заседаниях лаборатории темпломассопереноса ИВиС ДВО РАН.
В 2024 г. с участием автора был выдан и зарегистрирован патент на устройство для оценки разгрузок хлоридного трассера в водотоки (патент №2832424, 2024). Устройство предназначено для оценки разгрузок хлоридного трассера в водотоки.
Результаты исследований автора опубликованы в 24 работах, из них 6 статей в российских и международных рецензируемых научных изданиях («Записки Горного института», «Geothermics», «Applied Geochemistry», «Journal of Volcanology and Geothermal Research», «JP Journal of Heat and Mass Transfer») и 18 публикаций в трудах и материалах научных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Общий объем - 136 страниц, включая 54 рисунка и 12 таблиц, список терминов и список литературы (160 наименований).
Благодарности. Автор благодарен научному руководителю - д.г-м.н., профессору А.В. Кирюхину за постановку задач и помощь в осуществлении анализа полученных результатов; д.г.-м.н. Г.Н. Копыловой, д.г-м.н. Г.А. Карпову, д.г-м.н. С.Н. Рычагову, к.х.н. А.В. Сергеевой, к.т.н. В.А. Рашидову за ценные критические замечания и полезные советы на этапе подготовки и обсуждения диссертационной работы. Автор также выражает признательность сотрудникам лаборатории тепломассопереноса: к.г-м.н. А.Ю. Полякову, к.ф.-м.н. А.В. Соломатину, Н.Б. Журавлеву и Е.В. Черных за конструктивную
Долина гейзеров на Камчатке - пример высокотемпературной двухфазной (азотно- углекислой) гидротермальной системы терм Cl-Na состава, с огромным дебитом, где происходят впечатляющие извержения гейзеров (Устинова, 1955; Сугробов, 2009). После того, как катастрофические оползни/сели 2007 и 2014 гг. нарушили условия Гейзерного резервуара, возник ряд вопросов: 1. Какое влияние эти события (вызвавшие инфильтрацию холодной воды в Гейзерный резервуар) оказали на продуктивность гейзеров? 2. Какие параметры гидротермальной системы необходимо в дальнейшем отслеживать, чтобы иметь возможность прогнозировать геологические катастрофы? 3. Какие свойства гидротермальной системы Долины гейзеров целесообразно использовать в качестве природных аналогов для промышленного освоения геотермальных месторождений?
В связи с этим в диссертации рассмотрены вопросы оценки влияния инфильтрации холодной воды в двухфазные геотермальные резервуары. Мировой опыт показывает, что это также может привести к снижению продуктивности геотермальных месторождений (Ceoccarelli, 1987; Truesdell et al, 1997; Sugiamana et al, 2004; Hanano et al., 2005; Dacillo et al, 2010; Кирюхин и др., 2014).
Актуальность темы исследования. Мониторинг изменений в гидродинамическом и химическом режиме разгрузки гейзеров необходим для оценки влияния недавних катастрофических событий в Долине гейзеров (гигантский обвал 3 июня 2007 г. и сель 3 января 2014 года) на состояние гидротермальной системы и для разработки термогидродинамической-химической модели для прогноза восстановления гейзеров и возможных геологических катастроф в будущем. Решение этих задач актуально для обеспечения безопасности рабочей и туристической инфраструктуры, т.к. Долина гейзеров является одним из часто посещаемых объектов на Камчатке (более 4000 туристов в год). Немаловажным является использование данных наблюдений длительной гидродинамической и гидрохимической истории гидротермальной системы Долины гейзеров (1941-2025 гг.) для оптимизации эксплуатации высокотемпературных геотермальных месторождений.
Объектом исследования является гидротермальная система Долина гейзеров (Камчатка).
Целью работы является выяснение условий формирования гидротермальной системы Долины гейзеров с применением термогидродинамического моделирования и хлоридного трассерного метода.
Основные задачи исследования:
1. Применение хлоридного трассерного метода для оценки глубинной составляющей термальной разгрузки и объемов извержений гейзеров по данным синхронизированного измерения электропроводности и расхода реки Гейзерной.
2. Разработка и калибровка локальной 2D термогидродинамической модели Гейзерного резервуара для объяснения уменьшения глубинной составляющей термальной разгрузки в паводковый период.
3. Разработка и калибровка 3D термогидродинамической модели для объяснения условий формирования гидротермальной системы Долины гейзеров в целом, воспроизведения наблюдаемого уменьшения величины глубинной составляющей термальной разгрузки в паводковый период и наблюдаемых долговременных трендов гидродинамического и химического режима гейзеров.
Научная новизна заключается в применении хлоридного трассерного метода для оценки глубинной составляющей термальной разгрузки Qd и объемов извержений гейзеров по данным синхронизированного измерения электропроводности и расхода реки Гейзерной. Впервые термогидродинамическое моделирование использовано для обоснования условий значимого снижения продуктивности двухфазного высокотемпературного геотермального резервуара при инфильтрации в него холодной воды.
Теоретическая и практическая значимость работы. В 2024 г. был выдан и зарегистрирован патент на устройство для оценки разгрузок хлоридного трассера в водотоки (патент №2832424, 2024). По данным с устройства возможна оценка расхода небольших горных рек хлоридным трассерным методом, что в сумме с данными об электропроводности речной воды, переведенными в концентрацию хлора, позволяет рассчитать величину глубинной составляющей термальной разгрузки р. Гейзерной, дренирующей Долину гейзеров. Динамика изменения глубинной составляющей термальной разгрузки Qd характеризует изменения магматической активности в источнике теплового питания гидротермальной системы, что необходимо знать для обоснованного прогноза катастрофических геологических событий, инициированных магмо-гидротермальной активностью (таких как обвал 2007 г. и сель 2014 г. в Долине гейзеров). Хлоридный трассерный метод также позволяет рассчитать объемы изверженной гейзерами воды.
Численные термогидродинамические модели Гейзерного резервуара, объясняющие воздействие притока холодных метеорных вод на объемы извержений гейзеров - могут быть применены для прогноза добычи теплоносителя на геотермальных месторождениях-аналогах. В этом контексте гидротермальная система Долина гейзеров выступает как полигон, на котором могут отрабатываться геотермальные технологии (например, влияние обратной закачки на продуктивность добычных скважин) и методы прогноза геологических катастроф.
Методы исследования. Для оценки расхода р. Гейзерная использовался хлоридный трассерный (ХТ) метод, заключающийся в запусках трассера (NaCl) в реку Гейзерная и регистрации связанных с ними аномалии логгером электропроводности ниже по течению. Логгер HOBO U24-001 использовался для измерения и записи значений электропроводности речной воды, что впоследствии пересчитывалось на концентрацию хлорид-иона. Пересчет удельной электропроводности в концентрацию хлора проводился с помощью планарной регрессии данных синхронного отбора проб в точках измерения электропроводности. Записи логгера электропроводности также использовались для расчета Qd и объемов извержений гейзеров.
Температурные логгеры HOBO U12-015 применялись для мониторинга интервалов между извержениями гейзеров Большой и Великан. Логгеры HOBO U20- 001-04 - для оценки уровня воды в р. Гейзерная.
Графический анализ данных осуществлялся с помощью программ Golden Software (Grapher-9 и Surfer-18).
Данные химического анализа проб воды из р. Гейзерная и режимных гейзеров, включая гейзеры Большой и Великан выполнены в Аналитическом Центре ФГБУН Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН (аттестат аккредитации № ААС.А.00150).
Для численного термогидродинамического моделирования применялись программы TOUGH2 и iTOUGH2 с модулями состояния EOS1, EOS2, EWASG (Pruess, 1991, Finsterle, 1998). В дополнение к указанным выше программам использован пре- и постпроцессор PetraSim v.5.2, позволяющий осуществлять интерактивную сборку моделей и визуализацию полученных результатов.
Основные защищаемые положения:
1. Хлоридный трассерный (ХТ) метод является эффективным и надежным инструментом для оценки объемов извержений гейзеров (V) и динамики изменения глубинной составляющей разгрузки термальных вод (Qd) в бассейнах небольших горных рек со сложным, изменяющимся во времени сечением потока.
2. После геологических катастроф в Долине гейзеров в 2007 и 2014 гг. фиксируются долговременные тренды снижения концентрации хлорид-иона в химическом составе воды гейзеров, увеличение объемов извержений гейзеров (Большой и Великан), уменьшение глубинной составляющей в разгрузке термальных вод Qd в паводковый период.
3. Результаты 2D и 3D термогидродинамического моделирования с учетом двухфазного трехкомпонентного состояния флюида (H2O, Cl, CO2) объясняют наблюдаемые тренды увеличения водной разгрузки гейзеров, снижения концентрации хлорид-иона и паводковые уменьшения величины разгрузки глубинной составляющей Qd инфильтрацией холодных вод в двухфазный Гейзерный резервуар.
Личный вклад автора. При личном участии автора выполнялись полевые работы на объекте исследований в 2011, 2023 и 2024 гг.: маршрутные гидрогеологические исследования, установка логгеров давления, температуры и электропроводности в р. Гейзерная и на гейзерах Большой и Великан для применения ХТ метода, отбор проб воды и газа для последующего химического анализа.
Автором обработаны результаты применения хлоридного трассерного ХТ метода для оценки динамики изменения глубинной составляющей разгрузки термальных вод (Qd), объемов извержений гейзеров Большой и Великан (V) и расхода реки Гейзерная (Qr) с 2021 по 2024 гг.
Участие в разработке и калибровке локальной 2D термогидродинамической модели для объяснения уменьшения Qd в паводковый период.
Участие в разработке и калибровке 3D термогидродинамической модели для объяснения условий формирования гидротермальной системы Долины гейзеров в целом, воспроизведения на модели наблюдаемого уменьшения Qd в паводковый период и наблюдаемых долговременных трендов гидродинамического и химического режима гейзеров.
Степень достоверности и апробация результатов исследований. Достоверность результатов исследований обеспечена калибровкой математических моделей (созданных с использованием лицензионного программного обеспечения) по опытным гидрогеологическим данным (полученным стандартными и запатентованными методами с применением сертифицированного оборудования).
Основные положения диссертации были представлены на конференциях, в том числе с международным участием: Всероссийская научная конференция с международным участием «Геотермальная вулканология, гидрогеология, геология нефти и газа» (г. Петропавловск-Камчатский, 2020, 2021, 2022, 2023), XXIV ежегодная научная конференция, посвященная Дню вулканолога «Вулканизм и связанные с ним процессы» (г. Петропавловск-Камчатский, 2021), XXV ежегодная научная конференция, посвященная Дню вулканолога «Вулканизм и связанные с ним процессы» (г. Петропавловск-Камчатский, 2022), V Всероссийская научная конференция с международным участием имени профессора С. Л. Шварцева «Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами» (г. Томск, 2023), а также в отчетах по проектам РНФ 16-17-10008 «Геофлюидодинамика активных вулканов и прилегающих гидротермальных систем» и РФФИ 18-05-00052 «Геофлюидодинамика с элементами геомеханики: приложения для гидротермальных и вулканических систем», в годовых отчетах и на заседаниях лаборатории темпломассопереноса ИВиС ДВО РАН.
В 2024 г. с участием автора был выдан и зарегистрирован патент на устройство для оценки разгрузок хлоридного трассера в водотоки (патент №2832424, 2024). Устройство предназначено для оценки разгрузок хлоридного трассера в водотоки.
Результаты исследований автора опубликованы в 24 работах, из них 6 статей в российских и международных рецензируемых научных изданиях («Записки Горного института», «Geothermics», «Applied Geochemistry», «Journal of Volcanology and Geothermal Research», «JP Journal of Heat and Mass Transfer») и 18 публикаций в трудах и материалах научных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Общий объем - 136 страниц, включая 54 рисунка и 12 таблиц, список терминов и список литературы (160 наименований).
Благодарности. Автор благодарен научному руководителю - д.г-м.н., профессору А.В. Кирюхину за постановку задач и помощь в осуществлении анализа полученных результатов; д.г.-м.н. Г.Н. Копыловой, д.г-м.н. Г.А. Карпову, д.г-м.н. С.Н. Рычагову, к.х.н. А.В. Сергеевой, к.т.н. В.А. Рашидову за ценные критические замечания и полезные советы на этапе подготовки и обсуждения диссертационной работы. Автор также выражает признательность сотрудникам лаборатории тепломассопереноса: к.г-м.н. А.Ю. Полякову, к.ф.-м.н. А.В. Соломатину, Н.Б. Журавлеву и Е.В. Черных за конструктивную
Хлоридный трассерный (ХТ) метод является эффективным и надежным инструментом для оценки глубинной составляющей разгрузки термальных вод (Qd), объемов извержений гейзеров (V) в бассейнах небольших горных рек со сложным, изменяющимся во времени сечением потока. Установлено, что после геологических катастроф 2007 и 2014 гг. фиксируются долговременные тренды снижения концентрации хлора и увеличение объемов извержений гейзеров (Большой и Великан), уменьшение глубинной составляющей разгрузки термальных вод Qd в паводковый период. Проведено термогидродинамическое моделирование (2D и 3D) с учетом двухфазного трехкомпонентного состояния флюида (H2O, Cl, CO2), которое объясняет наблюдаемые тренды увеличения продуктивности гейзеров, снижение концентрации глубинной компоненты химического состава (С1), и паводковые уменьшения разгрузки глубинной составляющей Qd - инфильтрацией холодных вод в двухфазный гейзерный резервуар.
Продолжая обсуждение решения проблем, поставленных во Введении, можно отметить следующее. Влияние катастрофических событий на продуктивность гейзеров выражается в постепенном увеличении объемов извержений (на примере гейзеров Большой и Великан), как показывает термогидродинамическое-химическое моделирование (Kiryukhin, 2023), синхронно с этим происходит химическое растворение гейзерного резервуара с массовым расходом 15.1 тыс. тонн в год. Причина - поступление метеорной воды в двухфазный Гейзерный резервуар, вызванное нарушением целостности водоупорного поверхностного слоя и инфильтрацией из области новообразованных Подпрудных озер, а также через каналы затопленных гейзеров. Это подтверждается фактическими данными, рассчитанными с использованием хлоридного трассерного метода, а также воспроизводится на 3D модели магмо-гидротермальной системы Долины гейзеров и влк. Кихпиныч в целом. Полученные данные по изменениям в режиме гейзеров и связь этого явления с инфильтрацией холодной воды в двухфазный резервуар могут использоваться для прогноза процессов в добычных скважинах на геотермальных месторождениях, где наблюдаются притоки холодных метеорных вод в целевой резервуар и снижение продуктивности добычных скважин.
3D термогидродинамическое моделирование показывает, что динамика изменения величины глубинной составляющей разгрузки термальных вод и газогидрохимических показателей значимых гейзеров в сочетании с сейсмическими данными может быть индикатором магматической активности влк. Кихпиныч. Поэтому организация непрерывного мониторинга указанных выше параметров гидротермальной системы и установка сети из 5-6 сейсмических станций чрезвычайно важны для прогноза и предупреждения катастрофических геологических процессов в Долине гейзеров и кальдере Узон.
Продолжая обсуждение решения проблем, поставленных во Введении, можно отметить следующее. Влияние катастрофических событий на продуктивность гейзеров выражается в постепенном увеличении объемов извержений (на примере гейзеров Большой и Великан), как показывает термогидродинамическое-химическое моделирование (Kiryukhin, 2023), синхронно с этим происходит химическое растворение гейзерного резервуара с массовым расходом 15.1 тыс. тонн в год. Причина - поступление метеорной воды в двухфазный Гейзерный резервуар, вызванное нарушением целостности водоупорного поверхностного слоя и инфильтрацией из области новообразованных Подпрудных озер, а также через каналы затопленных гейзеров. Это подтверждается фактическими данными, рассчитанными с использованием хлоридного трассерного метода, а также воспроизводится на 3D модели магмо-гидротермальной системы Долины гейзеров и влк. Кихпиныч в целом. Полученные данные по изменениям в режиме гейзеров и связь этого явления с инфильтрацией холодной воды в двухфазный резервуар могут использоваться для прогноза процессов в добычных скважинах на геотермальных месторождениях, где наблюдаются притоки холодных метеорных вод в целевой резервуар и снижение продуктивности добычных скважин.
3D термогидродинамическое моделирование показывает, что динамика изменения величины глубинной составляющей разгрузки термальных вод и газогидрохимических показателей значимых гейзеров в сочетании с сейсмическими данными может быть индикатором магматической активности влк. Кихпиныч. Поэтому организация непрерывного мониторинга указанных выше параметров гидротермальной системы и установка сети из 5-6 сейсмических станций чрезвычайно важны для прогноза и предупреждения катастрофических геологических процессов в Долине гейзеров и кальдере Узон.
