انرژی‌ای که از دل زمین می‌جوشد

شواهد تجربی نشان می‌دهند افزایش درجه حرارت در پوسته زمین با افزایش عمق هماهنگی ندارد به‌طوری که اندازه‌گیری‌های به عمل آمده در چاهی که روس‌ها در جزیره کولا (ازمناطق پایدار قاره‌ای است) حفر کردند، نشان داد در ژرفای 7000 متری درجه حرارت 50 درجه سانتی‌گراد و در ژرفای 10هزار متری درجه حرارت 100 درجه سانتی‌گراد است (یعنی 10 درجه سانتی‌گراد به ازای هر کیلومتر ژرفا). همچنین حفاری در ژرفای 7 ـ 6 کیلومتری پوسته مناطق آتشفشانی به بخش‌هایی رسیده است که دارای حرارت جوش هستند. برعکس، حفاری در سرزمین‌های آتشفشانی و ماگمایی و مناطق دارای چشمه‌های آب گرم و مناطق بالای شیارهای اقیانوسی حاکی از افزایش خیلی شدید درجه حرارت در ژرفای نسبتا کم است. به طور نمونه درجه حرارت در مناطقی که حفاری در ژرفای 3 ـ 1 کیلومتری پوسته صورت گرفته است به 250 ـ 100  درجه سانتی‌گراد رسیده است. این مناطق به عنوان منابع مهم انرژی مورد توجه قرار گرفته‌اند.

یک مساله مهم و جالب توجه برای افرادی که دراین زمینه پژوهش می‌کنند، بررسی و چگونگی به‌کارگیری انرژی درون زمین و تبدیل آن به انرژی مفید و قابل استفاده است. البته برای استفاده عملی از انرژی زمین ماگمایی باید امکانات و موقعیت‌های ویژه‌ای وجود داشته باشد. معمولا انرژی حرارتی زمین در مناطق محدودی متمرکز می‌شود بنابراین برای استفاده از آن آشیانه‌های زیرزمینی طبیعی یا مصنوعی به منظور استفاده از بخارها و آب‌های گرم مناسب هستند.

فکر به‌کارگیری انرژی زمین گرمایی به عنوان یکی از منابع مهم انرژی از دیرباز مطرح بوده است. اندیشه استفاده از این نوع انرژی در سال 1974 که سال جهانی بحران انرژی بود، قوت گرفت اما پس از بحران دوباره توجه به این انرژی کاهش یافت. هم‌اکنون با توجه به بالا رفتن مصرف انرژی و ترس از پایان یافتن سوخت‌های فسیلی و مسائل زیست محیطی مربوطه و جهتگیری تکنولوژی در به‌کارگیری منابع بزرگ‌تر انرژی، دوباره توجه بسیاری از کشورهای جهان به استفاده از انرژی زمین گرمایی معطوف شده است. در گذشته استفاده از انرژی ژئوترمال صرفا به استحمام در آب‌های گرم معدنی این مناطق و برخی جنبه‌های درمانی و بهداشتی محدود می‌شد. در زمان باستان در یونان، روم، ژاپن و... از انرژی زمین گرمایی برای مصارف دارویی و درمانی، همچنین از چشمه‌های حرارتی گاهی برای پخت و پز و گرم کردن منازل استفاده می‌کردند. توسعه مدرن استفاده از انرژی زمین گرمایی با بهره‌برداری از اسید بوریک حاصل از فرمول‌های میدان ژئو ترمالی(لاردرلو) ایتالیا شروع شد. از سال 1812 برای به دست آوردن اسید بوریک، آب‌های گرم معدنی را می‌جوشاندند. در سال 1827 به جای چوب، بخارهای فومرولیک به عنوان سوخت برای جوشاندن استفاده شد.

اما اولین آزمایش تولید برق از بخار طبیعی در لاردرلو به سال 1913 با ساختن یک نیروگاه KW 250 انجام گرفت. از آغاز قرن حاضر، فعالیت‌های زیادی برای شناسایی چشمه‌ها و حفر چاه‌های آب گرم در کشورهای اسکاندیناوی، اروپای مرکزی، ژاپن، چین و.... انجام گرفته است. در سال1958 یک نیروگاه کوچک در (وایرلی) نیوزیلند، به شکل اقتصادی آغاز به کار کرد. 2 سال بعد در منطقه ژیزرکالیفرنیا تولید الکتریسیته به شکل اقتصادی درآمد و اکنون کم‌هزینه‌ترین تولیدکننده برق در ناحیه سانفرانسیسکو همین نیروگاه است. پس از پایان جنگ جهانی اول، استفاده از انرژی زمین گرمایی در سایر نقاط جهان نیز مطرح شد. حفاری‌های آزمایشی در سال 1919 در ژاپن آغاز شد و در سال 1924 یک مولد یک کیلو واتی در محل نصب شد. در ایسلند اکتشافات حوضچه‌های آب گرم در ریکیاویک در سال 1928 و در ریشتر در سال 1933 آغاز شد.

برای استفاده از انرژی زمین گرمایی ابتدا باید محدوده‌های دارای آب‌ها و سنگ‌های گرم را شناسایی و سپس باسیستم‌های حفاری مناسب، انرژی محصور در چنین مناطقی را کنترل و بهره‌برداری کنیم. اکتشافات انرژی زمین گرمایی نیز مانند اکتشافات نفت است. اما برخلاف نفت که در مناطق رسوبی یافت می‌شود برای اکتشاف انرژی حرارتی زمین باید به دنبال مناطق آتشفشانی باشیم. تعداد زیادی از میادین انرژی زمین گرمایی در مناطق آتشفشانی جوان و فعال قرار دارند. در چنین مناطقی روش کنترل و انتقال انرژی حرارتی، بخش عمده تکنیک کار را تشکیل می‌دهد.

گرچه نقاط خاصی از جهان ازلحاظ تجمع منابع انرژی زمین گرمایی نسبت به سایر نقاط غنی‌تر هستند، اما این منابع بیشتر در امتداد مرزهای صفحات تکتونیکی و در نواحی شناخته شده آتشفشانی متمرکز شده‌اند که در این مکان ها،فعالیت تکتونیکی باعث جاری شدن گدازه‌های داغ یا مذاب به سطح زمین و تشکیل منابعی با درجه حرارت بالا، در سطح قابل دسترس زمین می‌شود. استفاده عملی از این منابع حرارتی، مستلزم وجود واسطه‌هایی برای انتقال حرارت به سطح زمین است که این حرارت داخل زمین از طریق چرخش آب‌های زیرزمینی عمیق و نفوذ آنها به لایه‌های حاوی گدازه‌های داغ به سطح زمین آورده می‌شود و در بعضی مناطق این حرارت به صورت چشمه‌های داغ و فومرول‌هایی (گازهای آتشفشانی) متجلی می‌شود. به هرحال در هر مکانی که حرارت به دلیل فرآیند‌های هیدرولوژیکی و زمین‌شناسی خاص تمرکز پیدا کرده است، شرایطی به وجود می‌آید که اجازه می‌دهد عامل حرارتی از میان چاه‌های حفاری شده با عمق نسبتا کم از پوسته زمین استخراج شود.

میدان زمین گرمایی به صورت یک منطقه گرمایی تعریف می‌شود، جایی که سنگ‌های نفوذپذیر در زیر زمین قرار داشته باشند و به محتویات سیال اجازه ورود و خروج بدهند. با توجه به این‌که میدان‌های زمین گرمایی به آب و گرما احتیاج دارند، اغلب آنها را به عنوان سیستم‌های گرمابی نیز نام می‌برند. باید توجه داشت مناطق زمین گرمایی در تمامی مکان‌های روی زمین یافت می‌شوند اما میادین زمین گرمایی مورد نظر برای استفاده‌های زمین گرمایی، تنها در مناطقی از زمین که دارای ویژگی‌های خاص هستند، یافت می‌شود. مناطق گرمایی سطح زمین به 3 گروه وسیع تقسیم می‌شوند:

1ـ مناطق عادی با طیف شیب زمین گرمایی در حدود 10 تا 40 درجه سانتی‌گراد به ازای هر کیلو ژرفا.

2ـ مناطق نیم گرم دارای طیف شیب زمین گرمایی از 70 تا 80 درجه سانتی‌گراد در هر کیلومتر ژرفا.

3ـ مناطق خیلی گرم دارای طیف شیب زمین گرمایی چندین برابر زیادتر از مناطق تقریبا عادی.

دسته‌ای از میادین زمین گرمایی که برای تولید انرژی به کار می‌روند، جزو منابع گرمایی به شمار می‌آیند. از مشخصات مهم آنها وجود یک سنگ متخلخل و تراواست که خلل و فرج آن با آب یا بخار اشباع شده است. دمای طبیعی این‌گونه از سنگ‌ها آنقدر بالاست که می‌توان از آب موجود در آنها استفاده اقتصادی برد.

در شرایطی مساعد، نیروی زمین گرمایی از نظر اقتصادی با روش‌های رایج درتولید الکتریسته در مقایسه با دیگر انرژی‌ها قابل رقابت است.همچنین استفاده از بخار زمین گرمایی به میزان زیادی بدون آلودگی است و مشکلات زیست محیطی چندانی ندارد. ممکن است مقداری گازهای گوگردی مشتق از منابع گرمایی با بخار مخلوط شود که البته این مساله مسلما از مشکل آلودگی گوگرد حاصل از سوختن زغال سنگ بدتر نیست(با این حال به دلیل این‌که ممکن است گازهای گوگردی مشتق از فومرول‌ها درختان را از بین ببرد، باید تحت کنترل قرار گیرند). در انرژی زمین گرمایی هیچ گونه خاکستر، پسمانده‌های مضر یا مشکلات دی اکسید کربن که با سایر سوخت‌ها همراه است، وجود ندارد. با وجود این با پایین رفتن آب زیر سطحی به هنگام استخراج آب‌های زمین گرمایی، خطر فرو نشستن سطح زمین وجود دارد وهمچنین قطع سیستم آب‌های زیرزمینی قابل استفاده چاه‌ها از مسائل مهم است. علاوه بر اینها آب‌های زمین گرمایی بتدریج، شامل مقادیر زیادی از مواد شیمیایی نامحلولی می‌شوند که می‌تواند باعث انسداد یا خوردگی چاه‌ها بشود یا اگر آزادانه جریان یابد، آب‌های زیرزمینی یا آب‌های سطحی را آلوده سازد. به طور خیلی فشرده می‌توان 3 محدودیت برای این انرژی نام برد. اول آن‌که، هر حوزه زمین گرمایی تنها برای مدت زمان محدودی (به طور متوسط چند دهه) تا قبل از آن‌که میزان استخراج گرما به طور جدی کاهش یابد، می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. این بدان دلیل است که سنگ‌ها حرارت را خیلی ضعیف هدایت می‌کنند. این ویژگی را به آسانی می‌توان با برگرداندن یک سنگ تخت که در یک روز آفتابی ولی سرد در معرض نور خورشید بوده است، اثبات کرد. سطحی که در معرض آفتاب بوده گرم است اما گرما به داخل سنگ نفوذ نکرده است و سطح دیگر سرد خواهد بود. برعکس، به هنگام غروب آفتاب، آب گرم یا بخار در حوزه‌های زمین گرمایی، با آب سردی که بایستی قبل از استفاده گرم شود، جایگزین می‌شود. در ابتدا ممکن است گرمادهی سریع باشد اما با گذشت زمان سنگ‌های نفوذ پذیر چنان سرد می‌شوند که گردش آب در داخل آنها کند می‌شود و دیگر قابل استفاده نیست. در واقع گرمای ماگما تمام نشده است اما انتقال آن به سنگ‌های نفوذ پذیر، آهسته است. بنابراین اغلب باید تا دوباره گرم شدن سنگ‌های نفوذپذیر به میزان کافی جهت از سرگیری بهره‌برداری عادی نیروگاه منتظر ماند.

محدودیت دوم آن ثابت بودن محل منبع است. نفت یا زغال سنگ را می‌توان تا مراکز جمعیتی نیازمند حمل کرد. نیروگاه‌های زمین گرمایی باید در جایی که سنگ‌ها گرم هستند قرار گیرند و انتقال طولانی نیروی تولیدی آنها از نظر تکنیکی عملی نیست. اغلب شهرهای بزرگ از منابع اصلی زمین گرمایی دور هستند.

تعداد کل مناطق مناسب برای تولید نیروی زمین گرمایی محدودیت سوم است. مناطق زمین گرمایی قاره‌ای تنها قسمت کوچکی از سطح زمین را تشکیل می‌دهند و بسیاری از مناطق زمین گرمایی همانند رشته‌های مافیک گسترش کف اقیانوس غیرقابل دسترسند. همچنین همه مناطق قاره‌ای با آب‌های زیر سطحی فراوان همراه نیستند.

از نقطه زمین گرمایی مناطقی مانند دماوند، پیرامون سهند، سبلان و به طور کلی بخش‌های زیادی از آذربایجان دارای جریان حرارتی غیرعادی هستند. نمود سطحی این ناهنجاری حرارتی به صورت چشمه‌های آب گرم و معدنی در البرز مرکزی و آذربایجان مشاهده می‌شود به طوری که در این مناطق حدود 100 چشمه آب گرم وجود دارد. ژئوترمومتری این آب‌ها نیز وجود ناهنجاری حرارتی را در تمام منطقه به اثبات رسانده است به طوری که در 3 ناحیه البرز غربی، مرکزی و آذربایجان مانند نواحی سبلان و سهند، دماهایی از 200 تا 240 درجه سانتی‌گراد با توزیع یکنواختی شناخته شده‌اند. نتایج آزمایشات ایزوتوپی اکسیژن این آب‌ها نشان می‌دهد یک مبادله حرارتی میان آب- سنگ درعمق و درجه حرارت زیاد انجام می‌گیرد. به علاوه مقدار تریتیوم این سیالات بسیار کم است که این موضوع نشان‌دهنده گردش طولانی در زیر زمین، بیش از چند 10 سال است. همچنین آزمایش‌های ایزوتراپی نشان داده‌اند تمام آب‌ها حتی آنهایی که دمای بالایی در عمق زمین دارند، منشا متئوریک دارند و از شکستگی و شکاف‌های موجود وارد مخزن شده‌اند.

به طور کلی با در نظر گرفتن نتایج حاصل از مطالعات یاد شده و اطلاعات زمین‌شناسی ساختمانی و هیدورلوژیک، 4 منطقه مناسب به عنوان مناطق پیشنهادی برای اکتشافات تفضیلی زمین گرمایی معرفی شده‌اند که عبارتند از: منطقه سبلان، منطقه ماکو ـ خوی، منطقه دماوند و منطقه سهند.

غیر از مناطق یاد شده، مناطق دیگری از جمله منطقه سیستان و بلوچستان و تکاب نیز با نشانه‌های زمین گرمایی به‌طور پراکنده وجود دارند که پاره‌ای از آنها از اهمیت قابل توجهی برخوردار هستند اما تاکنون هیچ‌گونه مطالعه‌ای روی آنها انجام نگرفته است.

در منطقه سیستان بلوچستان پیرامون آتشفشان تفتان و بزمان، وجود چشمه‌های آب گرم در این دو نشان از ناهنجاری حرارتی مناسب در محدوده‌های این دو آتشفشان دارد.

منطقه تکاب نیز با توجه به چشمه‌های آب گرم تراورتن ساز و چشمه‌های گازدار، به نظر می‌رسد که از ناهنجاری حرارتی بالایی برخوردار باشد. پاره‌ای از محدودیت‌هایی که ناهنجاری بالایی در منطقه تکاب دارند عبارتند از محدوده پیرامون تخت سلیمان و زندان سلیمان، محدوده قینرجه، محدوده آقاتاق و منطقه کوه بابا. کوه بابا در شمال تکاب و در جنوب میانه واقع شده است. کوه بابا، کوه آتشفشانی نسبتا بزرگی است که سن آن میوسن بالا ـ پلیوسن است. پیرامون این کوه آتشفشانی، چشمه‌های آب گرم نسبتا زیادی وجود دارد(هرچند با توجه به شواهد موجود،برخی از آنها بتازگی سرد شده‌اند) که نشان از ناهنجاری بالای حرارتی در پیرامون این آتشفشان دارد.

دکتر منصور قربانی

عضو هیات علمی دانشگاه شهید بهشتی،

مدیر مرکز پژوهشی زمین‌شناسی پارس (آریان زمین)