Принять участие в дискуссии >>
Модели гейзерного процесса: Каждый гейзер неповторим. Вряд ли существуют два одинаковых гейзера. Различия очевидны в пространстве, во времени и в восприятии хотя бы для тех, кто посетил Долину Гейзеров на Камчатке. Перечень различий бесконечен: архитектура постройки, краски гейзерита, расцвеченного микрофлорой, ожидание начала действие, длительность и регулярность цикла, время заполнения, покоя, излива, фонтанирования, парения, расход пара и воды, их соотношение, мощность извержения, высота выбросов, пульсации во время излива и фонтанирования и т.п. Это многообразие предопределяет и отсутствие общей теории механизма их работы.

По мнению некоторых исследователей, она и не может быть создана, так как каждый гейзер обладает своим индивидуальным механизмом деятельности, обусловленным сложным строением подземной системы каналов и множественностью потоков вод, питающих гейзер.

В активности гейзера в наиболее общем виде можно выделить четыре фазы: покой, излив, извержение, парение. Для многих гейзеров, в том числе и для большинства крупных Камчатских гейзеров, все эти четыре фазы явно выражены. В то же время для некоторых, например, Щель, Двойной, Непостоянный, Сахарный не выражена стадия излива, а для трех последних не четко выражена и стадия парения.

Периодичность действия гейзера чаще всего связывается с особенностями его подземной структуры. Так в обобщающей на то время работе [Allen, 1935] полагалось, что для существования гейзера необходимо наличие подземной полости. Вторым главным условием там же называется смешение в полости двух потоков вод: холодной и горячей или воды и пара. В более поздней и более специализированной работе [Reinhart 1980] полагается, что активность гейзеров может быть объяснена комбинацией двух основных моделей: типа котла и типа трубы. В первом случае условия для извержения достигаются во всем объеме некоторой полости, составляющей часть подземной системы каналов, питающих гейзер; во втором на некотором участке протяженного канала гейзера. Существенно, что приводится много примеров момента достижения температуры кипения на некоторой глубине в подземной системе гейзера, как основного условия начала извержения, и нет объяснения, почему процесс носит периодический характер. Очевидно, что при подъеме к поверхности термальных вод с температурой более 100^oС, они на некоторой глубине достигнут точки кипения и начнется парообразование, но совершенно не обязательно, чтобы процесс стал периодическим. Например, именно в постоянном режиме истечения работают все эксплуатируемые геотермальные скважины.

При освоении геотермальных месторождений случалось, что некоторые скважины работали не с постоянным расходом, а в гейзерном режиме. Этот факт требовал объяснения возможности появления циклического режима в условиях простой геометрии и одномерного потока вод.

На необязательность условия притока извне холодных вод, для прекращения извержения, указывал Нехорошев А.С.(1959), полагая, что существо гейзерного процесса в том, что "после начала фонтанирования гейзера кипение быстро захватывает весь объем перегретой воды, которая выбрасывается за счет увеличения объема пароводяной смеси. Вновь поступающая снизу вода остывает, частично отделяя пар, оставшаяся (в соответствии термодинамическими соотношениями) часть воды не удаляется (с паром), а, постепенно накапливаясь в канале, прекращает парообразование". Основное необходимое условие он видел в том, что "охлаждающаяся после парообразования жидкость должна оставаться в канале", и как следствие, достаточное условие: "гейзеры обладают более широкими каналами, в которых вода движется с небольшой скоростью, а в источниках вода поднимается к поверхности по узким трещинам, препятствующим вскипанию ее внутри узких полостей".

Позже авторы работы (Сугробов 1965г.) в результате рассмотрения условий циркуляции высокотемпературных вод на примере Паужетского месторождения пришли к аналогичному заключению, что "скважины с гейзерным режимом и природные гейзеры, как бы эффектно они не выглядели, обладают небольшими средними дебитами, что указывает на затрудненные условия их питания. Причины гейзерного режима кроются в несоответствии между возможностями питания гейзера и несоразмерно большим диаметром выводящего канала". Важно, что, по существу в этой работе, впервые причина гейзерного режима сформулирована как гидродинамическая. Полученный результат означает, что поиск условия возникновения гейзерного режима надо проводить не в области термодинамики, а области гидродинамики. Ведь действительно циклический гейзерный режим встречается не только на термальных источниках, но и на холодных (углекислых), в циклическом режиме могут работать нефтяные скважины, периодическая деятельность характерна для вулканов и т.п., т.е. всегда встречается там, где имеется течение двухфазных (или двух компонентных) смесей. Следовательно, главная динамическая особенность гейзера должна была определяться не тем, что это горячий источник, а тем, что он как и другие, перечисленные выше, работает в режиме эрлифта. Условие нестационарной работы скважин в общем виде рассматривалось в работе (Ентов, 1964) с использованием метода характеристик пласта и скважины, предложенного в работе (Архангельский, 1958) для описания движения газированных нефтей. Аналогичный подход был реализован в работах (Дрознин, 1971;1980) при решении общей задачи гидродинамики для системы пласт пароводяная скважина.
возврат к вопросам дискуссии
Скважинная модель: Модель такого рода, как "трубная" модель, впервые предложена Bunzen R. (1848г.). Процесс, происходящий в канале гейзера, на основе изложенных выше представлений (в основном развиваемых отечественными исследователями), наблюдений на модели (Дрознин, 1977) и температурных измерений в гейзерной скважине Р-1 Паужетского месторождения представляется в следующем виде.

Начнем рассмотрение процесса (см. рисунок) с момента, когда в канал попадает горячая вода с температурой кипения выше, чем при атмосферном давлении. Кипение в канале не происходит потому, что над горячей водой находится достаточно протяженный столб охлажденной воды. По мере поступления воды в канал уровень воды повышается и через некоторое время достигнет поверхности. Начнется излив, сток. По мере излива воды давление в области соприкосновения охлажденной и горячей воды начнет понижаться, и наступит момент, когда оно станет меньше давления насыщения, соответствующего температуре кипения горячих вод. Начнется кипение, и выброс двухфазной смеси - извержение. Уровень начала парообразования (глубина зоны кипения) по мере выброса смеси будет опускаться (увеличиваться) и достигнет максимально возможного, если расход поступающей горячей воды существенно меньше продуцируемого расхода двухфазной смеси или, что тоже, меньше оптимального. Спутное движение пара и воды прекратится. Начнется сепарация пара, подъем и выход его из канала при опускном движении воды. Образующийся столб осажденной воды, в конечном счете, окажется достаточной протяженности, кипение прекратится и система вернется к начальному состоянию.

Не смотря на простоту рассматриваемой скважиной модели гейзерного процесса, конкретное его проявление может быть осложнено распределением температуры во вмещающих породах выше максимального уровня начала парообразования. Модель также может быть усложнена естественным образом ,что воспроизводилось на лабораторной модели (Дрознин, 1977) путем организации слива продуцируемой воды на уровне выше среза выходного канала. При зтом условии имитируется гейзер, извергающийся через постоянно существующую водяную ванну.

Тем не менее, несмотря на определенное разнообразие проявлений гейзерного процесса, обеспечиваемого рассматриваемой моделью, она охватывает лишь определенный класс гейзеров, период которых регулярен во времени. Для имитации работы нерегулярных по периоду гейзеров требуется привлечение других не столь очевидных приемов. Поэтому ниже рассматриваются другие возможные принципы реализации гейзерного процесса.

Отметим, что гейзерный (циклический) режим по скважиной модели может быть реализован не только на перегретой воде, но и на газонасыщенной жидкости, например нефть, лава. Периодичность деятельности вулканов, нефтяных скважин и грязевых вулканов может быть объяснена в рамках скважиной модели.
возврат к вопросам дискуссии
Камерная модель: На следующем рисунке представлена схема модели, описанная в работе [Iwasaki, 1962]. В полость с отверстием для выходного канала, находящемся ниже свода полости, поступает двухфазная смесь (пар-вода).
До тех пор, пока уровень воды ниже выходного отверстия, в полости происходит накапливание воды, а пар движется свободно к поверхности (а). Когда отверстие перекрывается, пар скапливается под сводом, а вода постепенно заполняет выходной канал. При этом сначала происходит уменьшение объема пара в полости за счет роста давления, несмотря на продолжающееся поступление пара и увеличение его количества (массы) - (б). Затем (в), когда уровень воды в канале достигнет поверхности и давление в камере будет максимально (а, возмoжно, и раньше, в зависимости от конкретных значений параметров), объем пара в полости начинает увеличиваться. Очевидно при этом несколько увеличивается продуцируемый расход воды .Наконец объем пара становится достаточно большим и отверстие снова открывается (г). Происходит прорыв пара через выходной канал, выброс двухфазной смеси, что в природе соответствует стадии извержения. Давление в полости падает, накопившаяся в полости вода вскипает, количество ее в полости уменьшается и система приходит в начальное состояние, соответствующее стадии парения.

Характерно, что реализация гейзерного процесса в этой модели может осуществляться на любой двухфазной смеси, например, газ - вода, так как периодичность работы определяется в основном гидравлическими параметрами. Тепловые параметры имеют вторичное значение. Главное условие в наличии полости особой конфигурации, обеспечивающей сепарацию летучего компонента - пара или газа.

То, что такой принцип реализации гейзерного процесса встречается в природе видно из описания подземной структуры гейзера Тэ Варо, Новая Зеландия. Ллойд в работе (1975) цитирует источник 1907г.:"... округлая дыра с типичным отложением гейзерита достаточна велика, чтобы в нее мог пролезть человек...Нижняя часть ствола глубиной 4.6м (рис ) открыта в камеру 3.6м длиной и 2.7м высотой. В дне камеры две трещины, одна из которых по-видимому связана с гейзером Похьюти: из нее доноситься грохот зловеще кипящей воды... Эта любопытная каверна возникла из-за взаимодействия горячей насыщенной кремнеземом воды на обычный трещинный проход: из воды на стенки и дно осаждался кремнезем, эрозия паром обеспечила подъем свода и образование каверны".
возврат к вопросам дискуссии
Модель смещения: На следующем рисунке представлена схема модели, соответствующая представлениям о механизме работы гейзера, изложенным в работе [Allen,1935]. Математическое описание модели дано в работе [Мержанов,1970]. В этой модели для реализации гейзерного процесса также предполагается наличие подземной полости.
Рассмотрим механизм работы модели с момента после окончания извержения, когда канал пустой, а в полости находится некоторый объем воды при температуре кипения - Тк (при атмосферном давлении 100^o С). Будем полагать, вслед за авторами (Мержанов и др.1970), что в полость проникают два потока различной температуры: один холодный с температурой ниже Тк, второй горячий с температурой выше Тк. Горячий поток поступает в полость с постоянным расходом, а холодный с переменным, зависящим от уровня воды в модели. В начальный момент расход холодной воды должен быть велик по сравнению с расходом горячего (точнее сравнивать теплосодержание) настолько, чтобы температура в полости упала ниже Тк. По мере заполнения канала расход холодной воды падает и в конце концов должен уменьшиться настолько, чтобы обеспечить повышение температуры вод в полости за счет горячего потока до температуры кипения при давлении, определяемом протяженностью канала. Вслед за этим начинается парообразование в полости, выталкивание воды из канала, т.е. собственно извержение и возвращение к начальному состоянию.

Модель наглядно демонстрирует необходимость выполнения определенного соотношения температур и расходов горячей и холодной воды для реализации гейзерного режима. Необходимо, чтобы суммарное теплосодержание двух потоков после извержения при заполнении полости было меньше соответствующего Тк, а перед извержением больше.

В рассматриваемой модели [Мержанов,1970] это условие обеспечивается уменьшением расхода холодной воды при увеличении высоты столба воды в канале.

Выполнение необходимого условия достигается и на несколько упрощенной модели. Колба, заполненная холодной водой, подогревается внешним источником тепла. Когда вода в колбе достигает температуры кипения, происходит выброс пара и воды - извержение. Выброшенная вода охлаждается на воздухе и падает в воронку, а из нее обратно в колбу, охлаждая оставшуюся там часть воды, и кипение прекращается. Затем процесс повторяется снова.

В природе возможно и встречаются условия, при которых расходы холодной и горячей воды существенно по-разному зависят от высоты столба воды в канале. По крайней мере, встречаются гейзеры, на которых изверженная вода, охлажденная на воздухе, потоком заливается обратно в канал гейзера, прекращая извержение.

Как известно, гидравлическое сопротивление двухфазному потоку существенно выше, чем однофазному жидкостному с тем же массовым расходом. Поэтому можно полагать, что необходимое соотношение для прекращения извержения в рамках модели смешения может быть достигнуто в том случае, когда уровень парообразования при извержении, захватывая все более глубинные зоны, заходит в пласт (Дрознин 1982). Тогда расход горячей воды из-за парообразования резко уменьшится, в то время как расход холодной, поступающей из другого пропластка останется постоянным. В результате суммарное теплосодержание поступающих в полость вод станет меньше Тк.
возврат к вопросам дискуссии: В природе часто встречаются гейзеры с не регулярным циклом. Возможный вариант объяснения механизма деятельности таких гейзеров описан в работе (Ллойд, 1975) и обусловлен предполагаемым сложным строением подземной системы каналов, питающих группу наиболее эффектных гейзеров района Вакареварева. Характерно, что в описании механизма работы этой системы гейзеров, описываемой Ллойдом, можно найти элементы всех трех выше описанных моделей.