Вулканы уже сыграли неожиданную роль в истории человечества. Можно упомянуть провал реформ Бориса Годунова, связанный, как ни странно, с извержением вулкана Уйнапутина в далеком Перу в 1601 году, приведшим к малому ледниковому периоду в Европе и голоду в России. После страшного пробуждения в 1815-м индонезийского вулкана Тамбора повсеместный мор лошадей в Европе, вызванный сильным похолоданием и обильными дождями, привел к созданию первой модели велосипеда в качестве альтернативного источника передвижения.
Вулканам еще предстоит сказать свое слово и в энергетике, убежден главный научный сотрудник лаборатории сейсмической томографии Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН член-корреспондент РАН Иван Юрьевич Кулаков.
Компетентность команды новосибирских геологов и геофизиков, работающих над «подключением» вулканов к российской энергетической системе, сомнений не вызывает — проекты Ивана Кулакова и его коллег регулярно получают поддержку Российского научного фонда.
— Мы сотрудничаем с РНФ со дня его основания и за эти годы достигли очень многого. Наша работа нацелена на то, чтобы системно изучать глубинное строение Земли под вулканами, — поясняет Иван Юрьевич. — С помощью сейсмических методов мы отслеживаем весь путь, который проходит магма, — от погружающейся океанической плиты с глубин более сотни километров до самых верхних слоев.
Для фиксации этой информации мы разворачиваем сети временных сейсмических станций — от крупномасштабных, покрывающих интересующие нас регионы, до детальных, устанавливаемых непосредственно на вулкане, чтобы изучить самую верхнюю часть магматической системы. Поддержка РНФ дает нам возможность фактически каждый год организовывать экспедиции.
За этим коротким абзацем скрывается настоящий приключенческий фильм.
Камчатский боевик
В России вулканы, как правило, находятся в труднодоступных безлюдных местах. И экспедиция по установлению сейсмических станций всегда оборачивается приключением: сутки езды по бездорожью либо полет на вертолете.
Станции устанавливают на год, затем снимают. Процедура установки и снятия аппаратуры зачастую напоминает классический шпионский боевик, например, на Камчатке погода меняется стремительно, а минута вертолетного времени стоит дорого. Едва вертолет коснется земли, нужно снять оборудование и немедленно запрыгнуть обратно в кабину, иначе рискуешь «утонуть» в тумане, и снять станции с записанными данными можно будет только через год. Зато иногда эти данные становятся настоящим открытием.
— Можно вспомнить экспедицию на камчатский вулкан Безымянный, организованную в 2017 году в рамках проекта РНФ, — рассказывает Иван Кулаков. — Спустя несколько месяцев после установки сети, 20 декабря 2017 года, Безымянный взорвался. Облако пепла поднялось на 15 километров. Наши десять станций стояли непосредственно вокруг вулкана, и естественно, что мы очень переживали, — аппаратуру могли похоронить мощные пирокластические потоки (смесь высокотемпературных вулканических газов, пепла и обломков пород). Но станции чудом уцелели, даже ближайшая к вулкану, стоявшая на расстоянии менее километра от активного кратера.
Подготовку таких сильных извержений мало кому в мире удавалось записать с помощью настолько плотной сейсмической сети. Мы опубликовали статьи в самых высокорейтинговых журналах, которые весьма востребованы мировым научным сообществом. На основании уникальных данных построили очень красивые модели, показали, где собирается газ, который выбрасывается во время взрыва, где находится магматический очаг, как идет подготовка к извержению.
Обработать данные сейсмической томографии исследователям помог алгоритм, созданный в ИНГГ СО РАН. Он котируется во всем мире. Совсем недавно, например, с помощью этого алгоритма обрабатывались сейсмологические данные, собранные международной экспедицией, изучавшей мощное подводное извержение вулкана в Северном Ледовитом океане, на хребте Гаккеля.
Иван Кулаков и его коллеги принимали участие в изучении этого необычного во всех отношениях подводного извержения, результаты работ опубликованы в Nature Communications.
В 2021-2022 годах новый проект РНФ позволил организовать масштабную экспедицию на курильский остров Парамушир, где находятся два активных вулкана — Эбеко и Чикурачки.
Вокруг постоянно действующего вулкана Эбеко в 2021 году геофизики расположили временную сейсмическую сеть, состоявшую из 21 широкополосной станции. Через год ее сняли, вновь получив уникальные данные, — за это время вулкан произвел несколько мощных взрывов. Но главный практический эффект экспедиции руководитель проекта видит не в этом.
Город на котле
— На острове Парамушир расположен город Северокурильск, где проживают более трех тысяч человек. Для их жизнеобеспечения необходимы электричество и тепло. И они вырабатываются с помощью… дизельной электростанции, что странно, поскольку Северокурильск находится всего в шести километрах от вулкана, постоянно извергающего огромный объем газов и пара.
Можно сказать, что город примостился у парового котла. И не использовать энергию этого парового котла для обеспечения теплом и электричеством неразумно, — убежден Иван Кулаков. — Но на первых порах в нашу инициативу по «приручению» подземной энергетики поверил только Российский научный фонд.
Экспедиция на Парамушир оставила неизгладимое впечатление — оживший фильм «Миссия невыполнима». Приходилось менять транспорт — вертолеты, катера, квадроциклы — карабкаться по скалам, пересекать бурные реки.
На вулкан Эбеко поднимались в противогазах — несколько раз нас накрыло ядовитой тучей. Тяготы экспедиции с нами делил председатель Объединенного ученого совета СО РАН по энергетике академик Сергей Алексеенко.
В результате героических усилий была поставлена сеть наблюдательных станций. В 2023 году закончили обработку полученных данных. Здесь мы применили новый для нас метод — шумовой томографии. Специальная обработка сигнала приводит к тому, что каждая станция становится виртуальными источником мощного сейсмического сигнала. Это позволяет исследовать глубинное строение под изучаемым районом без реальных источников.
В результате этой работы мы обнаружили, что под вулканом Эбеко, а точнее, под хребтом Вернадского, на глубине около четырех километров располагается очень крупный магматический очаг, питающий вулканическую активность.
Кроме того, на глубине около километра мы нашли слой с пониженной скоростью сейсмических волн, что может указывать на наличие там воды. Вода идет из-под Эбеко, и именно ее можно использовать для гидротермальной энергетики.
В настоящее время на практике используются два типа геотермальной энергетики. Петротермальная, где применяется сухое тепло недр, но чтобы его добыть, в обычных условиях надо бурить очень глубокие скважины. И гидрогеотермальная, когда обнаруживают подземные резервуары с пароводяной смесью (как в случае знаменитой Мутновской ГеоЭС), бурят скважины на относительно небольшую глубину и пускают выходящий под большим давлением пар на турбины электростанции.
Проблема в неустойчивости этой системы: парогазовая смесь под землей может закончиться. Мы предлагаем третий способ — магма-геотермальный, объединяющий достоинства петро- и гидротермальных схем.
Многочисленные томографические модели, построенные нами в рамках проектов РНФ для различных активных вулканов мира, показывают, что практически под каждым из них имеется магматический очаг на относительно небольшой глубине (от 1 до 5 км).
Зная из томографии форму этих очагов, можно оценить распределение температуры вокруг них и определить оптимальную локацию, где система из двух скважин достигнет достаточно горячих пород на минимальной глубине.
Организовав закачку и циркуляцию воды между скважинами, можно добиться того, что за счет тепла от магматического очага она будет вскипать и выполнять работу по производству электроэнергии.
Использование геотермальных ресурсов вулканов имеет ряд неоспоримых достоинств, таких как дешевизна и экологичность. 2023 год стал революционным в понимании российским бизнесом важности геотермальной энергетики — несколько крупных компаний решили инвестировать в это направление. И здесь опять помогли проекты РНФ.
Плясать от «печки»
— В прошлом году мы начали взаимодействовать с компанией «Зарубежнефть», и без коллаборации с Российским научным фондом работы не получились бы столь эффективными. Дело в том, что у нефтяных компаний очень маленькие лицензионные участки, а чтобы заглянуть глубоко под землю, нужен большой территориальный охват.
Но крупные регионы мы можем исследовать в рамках научных проектов, чтобы понять, где находится та самая «печка», которая питает геотермальный источник. А верхнюю часть изучаем подробно и локально в рамках хоздоговоров с компаниями. Мы эти работы четко разделяем, но они друг друга прекрасно дополняют, — поясняет руководитель проекта.
В 2023 году интерес к геотермальной энергетике действительно резко вырос, и на предстоящее лето есть заказы от трех компаний.
АО «Мобильные ГТЭС» заинтересовано в дополнительной геологической разведке для станции «Менделеевская» на острове Кунашир, где иссякает последняя гидротермальная скважина.
«РосГидро» запланировала дальнейшие поиски геотермальных ресурсов в районе Мутновской ГеоЭС, а «Зарубежнефть» заказывает разведку гидротермальных ресурсов в районе Верхнебанных источников (Центральная Камчатка).
— В рамках проекта РНФ удалось получить модель расположения магматического очага под Авачинским вулканом на глубине чуть более 2 км от поверхности, — добавляет Иван Кулаков. — Мы надеемся заинтересовать индустриальных партнеров, чтобы апробировать там магма-геотермальную установку производства электроэнергии и тепла.
В случае успеха это позволит решить энергетические проблемы Петропавловска-Камчатского и населенных территорий вокруг него. Надеюсь, совместными усилиями нам с академиком С.Алексеенко удастся запустить такой проект.
Критики магма-геотермального подхода подчеркивают, что большая часть российских вулканов находится в безлюдных местах, где потребность в энергии мала. Могу ответить так: практически на каждом острове Курильской гряды, например, есть активный вулкан, а под вулканом на относительно небольшой глубине — «печка».
Если на каждом острове создать «фабрику» тепла и электроэнергии, то их можно использовать для производства водорода. В результате на Курилах появятся центры цивилизации, вокруг которых и следует выстраивать инфраструктуру, развивая тем самым потрясающие с точки зрения природных красот, но абсолютно дикие места.
Это большая государственная задача, решение которой сыграет на развитие интересных и важных российских территорий. Так из проектов РНФ вырастет долгосрочная крупномасштабная программа.
Однако исследования команды имеют и другое практическое приложение, поскольку действующие вулканы не только потенциальный источник энергии, но и угроза жизни рядом живущих людей.
Готовясь к большому взрыву
Вулканы не в пример землетрясениям отличаются благородством: в большинстве случаев их извержения можно спрогнозировать.
— Наиболее крупные из относительно недавних пробуждений вулканов, имевших глобальный эффект, — извержения Кракатау в Индонезии (1883) и Новарупты на Аляске (1912). С тех пор прошло более ста лет, надо готовиться к «большому взрыву», — предупреждает Иван Юрьевич. — Да, вулканы часто выдают вполне заметные предвестники извержений.
Проблема в том, что все вулканы разные. Для меня в этом есть даже своего рода мистика: воспринимаю каждый вулкан как отдельную личность. Например, извержения Безымянного предсказываются практически в 100% случаев — там очень четкие предвестники, которые хорошо улавливают сейсмические станции.
А большое трещинное извержение в 2012 году Толбачика, который находится рядом с Безымянным, спрогнозировать не удалось. Видимо, или некоторые вулканы не дают предвестников извержений, или ученые пока еще не умеют их идентифицировать.
Мы не занимаемся непосредственными прогнозами извержений. Но данные, полученные в результате сейсмической томографии, могут быть очень полезны: чтобы строить прогноз, необходимо знать, где находится магматическая камера, а мы можем с помощью томографических методов достаточно хорошо ее картировать в трехмерном пространстве.
Наши результаты дают почву и для сравнительного анализа. Допустим, мы фиксируем определенные признаки, которые можно использовать для прогноза извержения, на Безымянном. Но у Безымянного есть далекий брат-близнец — вулкан Мерапи в Индонезии. Наши данные могут оказаться полезными работающим там вулканологам. Извержение Безымянного, расположенного на безлюдной территории, особого вреда не причинит, но вокруг Мерапи живут сотни тысяч людей, которых необходимо вовремя эвакуировать. И это — вопрос жизни и смерти. Реально. Безо всяких преувеличений.
Ольга Колесова, «Поиск»
Фото предоставлено И.Ю. Кулаковым
Источник: