ธรณีวิทยาและแหล่งความร้อนใต้พิภพ

การศึกษาเรื่องของพลังงานความร้อนใต้พิภพ จำเป็นต้องเข้าใจเรื่องของธรณีวิทยา เกี่ยวกับแหล่งความร้อนที่เกิดขึ้นใต้เปลือกโลกของเราเพื่อเป็นองค์ประกอบความรู้ดังนี้

ธรณีวิทยา (Geology)


"ธรณีวิทยา"  เป็นศาสตร์ที่ศึกษาองค์ประกอบ  โครงสร้าง  กระบวนการเปลี่ยนแปลงตามธรรมชาติของโลก ผลที่ครอบคลุมถึงกำเนิดของโลก วัสดุและรูปร่างลักษณะของโลก  ประวัติความเป็นมาและกระบวนการที่กระทำต่อโลกทั้งในอดีตและปัจจุบัน แรงกระทำที่มีผลต่อการเปลี่ยนแปลงหรือยังคงมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงสภาวะทางเคมี มวลสารและส่วนประกอบของโลก  อาศัยการตีความจากรูปแบบและสภาวะแวดล้อมที่ยังคงเหลือให้เห็นในปัจจุบัน  โดยใช้หลักการทางวิทยาศาสตร์สร้างเป็นทฤษฎี  เพื่ออธิบายปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นตั้งแต่บนผิวโลกจนไปถึงแกนกลางชั้นในของโลก  เช่น  การเกิดแผ่นดินไหว  ภูเขาไฟระเบิด  การเกิดนํ้าพุร้อนโคลนเดือด  เป็นต้น  ความรู้ทางธรณีวิทยามีความสำคัญในการนำไปประยุกต์ใช้โดยเฉพาะการสำรวจแหล่งความร้อนใต้พิภพเพื่อใช้เป็นพลังงานสำรองทดแทนการใช้ถ่านหิน  ปิโตรเลียม  และแก๊สธรรมชาติ

ธรณีวิทยาและแหล่งความร้อนใต้พิภพ

Source : http://media.cnbc.com/

 geochronologist_collecting_ash

Source : https://daejeonastronomyfile.wordpress.com

 ธรณีวิทยาและแหล่งความร้อนใต้พิภพ

Source : http://variety.teenee.com
การสำรวจปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ

 ธรณีภาคแปรสัณฐาน (Plate Tectonic)


"ธรณีภาคแปรสัณฐาน"  เป็นทฤษฎีธรณีวิทยาที่อธิบายการเปลี่ยนแปลงของพื้นผิวโลกอันเป็นผลเนื่องมาจากการเคลื่อนตัวของแผ่นเปลือกโลก (plates) ที่ประกอบกันขึ้นเป็นผิวโลก แผ่นเปลือกโลกเหล่านี้อาจเรียกว่าธรณีภาคชั้นนอก (lithosphere) ที่ประกอบด้วยเปลือกโลก (crust) และชั้นเนื้อโลกส่วนบน (upper mantle) วางตัวอยู่บนชั้นหินฐาน (asthenosphere) ซึ่งประกอบด้วยหินหนืดร้อน (magma) สามารถเลื่อนไหลได้คล้ายของเหลวด้วยความเร็วระดับเซนติเมตรต่อปี การเลื่อนไหลของหินหนืดร้อนในชั้นหินฐานเป็นสาเหตุให้แผ่นเปลือกโลกเกิดการเคลื่อนที่ ซึ่งเป็นไปได้ใน 3 ลักษณะ ได้แก่ การเคลื่อนที่แยกออกจากกัน (divergent boundary) เกิดเป็นศูนย์กลางรอยแยก (spreading center) การมุดตัวเข้าหากัน (convergent boundary) เกิดเป็นเขตมุดตัว (subduction zone) และการเคลื่อนผ่านกัน (transform boundary) แผ่นดินไหวและภูเขาไฟระเบิดมักเกิดบริเวณรอยต่อระหว่างแผ่นเปลือกโลกเหล่านี้

ภาพตัดขวางแสดงธรณีสัณฐานของโลก

ภาพตัดขวางแสดงธรณีสัณฐานของโลก

ภาพตัดขวางแสดงการเคลื่อนที่ของธรณีภาคชั้นนอกภาพตัดขวางแสดงการเคลื่อนที่ของธรณีภาคชั้นนอก ในลักษณะแยกออกจากกัน การมุดตัวเข้าหากันและการเคลื่อนผ่านกันของภาคพื้นทวีปและภาคพื้นสมุทรตามทฤษฎีธรณีภาคแปรสัณฐาน

แผ่นเปลือกโลก

ภาพแสดงธรณีภาคชั้นนอกตามทฤษฏีธรณีภาคแปรสัณฐาน ประกอบด้วย แผ่นเปลือกโลกหลักที่ครอบคลุมพื้นที่ทวีปหลักจำนวน 7 แผ่น ได้แก่ แผ่นแอฟริกา แผ่นแอนตาร์กติก แผ่นออสเตรเลีย แผ่นยูเรเชีย แผ่นอเมริกาเหนือ แผ่นอเมริกาใต้ และแผ่นแปซิฟิก กับแผ่นเปลือกโลกรองซึ่งมีขนาดเล็กจำนวน 8 แผ่น ได้แก่ แผ่นอาหรับ แผ่นอินเดีย แผ่นทะเลฟิลิปปินส์  แผ่นฮวนเดฟูกา  แผ่นแคริบเบียน  แผ่นโคโคส  แผ่นนาซคา และแผ่นสโกเชีย  แผ่นเปลือกโลกรองครอบคลุมเฉพาะภาคพื้นสมุทร ยกเว้นแผ่นอาหรับและแผ่นอินเดีย ที่ครอบคลุมภาคพื้นทวีปด้วย

ศูนย์กลางรอยแยก (Spreading Center)


"ศูนย์กลางรอยแยก"  คือ รอยแยกที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของแผ่นเปลือกโลกในลักษณะแยกออกจากกัน (divergent boundary) บริเวณรอยต่อของแผ่นเปลือกโลกที่อยู่ในทะเลตามทฤษฎีธรณีภาคแปรสัณฐาน (plates tectonic) แผ่นเปลือกโลกที่แยกออกจากกันเกิดเป็นรอยแยกในธรณีภาคชั้นนอก (lithosphere) ส่งผลให้หินหนืดร้อน (magma) จากชั้นหินฐาน (asthenosphere) สามารถเลื่อนไหลขึ้นมาตามรอยแยกสู่ธรณีภาคชั้นนอกซึ่งมีอุณหภูมิตํ่ากว่า หินหนืดร้อนจะปลดปล่อยพลังงานและเย็นตัวลงเกิดเป็นแนวภูเขาไฟ หินบะซอลต์ (basalt) ใต้ทะเลที่มีซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2)เป็นองค์ประกอบประมาณร้อยละ 50 ตัวอย่างของศูนย์กลางรอยแยก เช่น บริเวณแนวกลางของพื้นมหาสมุทรแอตแลนติก(Mid-Atlantic ridge) เกาะไอซ์แลนด์ (Iceland) หรือรอยแยกบริเวณแผ่นแอฟริกา เป็นต้น

ศูนย์กลางรอยแยก

Source : http://statics.panoramio.com/

ศูนย์กลางรอยแยกระดับนํ้าทะเลอันเป็นผลเนื่องมาจากการเคลื่อนที่ของแผ่นเปลือกโลกในลักษณะแยกออกจากกัน
ที่เกาะไอซ์แลนด์

เขตมุดตัวของเปลือกโลก (Subduction Zone)


"เขตมุดตัวของเปลือกโลก" คือ บริเวณที่มีการยุบตัวของพื้นผิวโลกเนื่องจากการเคลื่อนที่ของแผ่นเปลือกโลกในลักษณะมุดตัวเข้าหากัน (convergent boundary) ตามทฤษฎีธรณีภาคแปรสัณฐาน ( plates tectonic) โดยแผ่นเปลือกโลกแผ่นหนึ่งมุดตัวเข้าไปใต้แผ่นเปลือกโลกอีกแผ่นหนึ่ง และจมลงสู่ชั้นหินฐาน (asthenosphere) ที่ประกอบไปด้วยหินหนืดร้อน (magma) ด้วยความเร็วระดับเซนติเมตรต่อปี ความร้อนจากหินหนืดส่งผลให้ชั้นเนื้อโลก (mantle) บางส่วนเกิดการหลอมเหลวกลายเป็นหินหนืดสะสมในชั้นหินฐาน ทำให้มีพลังงานสูงขึ้น และปลดปล่อยพลังงานโดยกการระเบิดออกเป็นภูเขาไฟ การเกิดของเขตมุดตัวสามารถจำแนกตามลักษณะของแผ่นเปลือกโลกที่มุดตัวเข้าหากัน ได้แก่ แผ่นเปลือกโลกภาคพื้นสมุทรมุดตัวเข้าหาแผ่นเปลือกโลกภาคพื้นทวีป (oceanic-continental convergence) เช่น การเกิดเทือกเขาแอนดีส (Andes) ในทวีปอเมริกาใต้ หรือคาสเคด เรนจ์ (Cascade Range)ในภาคตะวันตกเฉียงเหนือของประเทศสหรัฐอเมริกา แผ่นเปลือกโลกภาคพื้นสมุทรมุดตัวเข้าหาแผ่นเปลือกโลกภาคพื้นสมุทร (oceanic-oceanic convergence) เช่น เกาะเกิดใหม่แนวภูเขาไฟ (volcanic island arcs) และแผ่นเปลือกโลกภาคพื้นทวีป มุดตัวเข้าหาแผ่นเปลือกโลกภาคพื้นทวีป (continental-continental convergence) เช่น การเกิดเทือกเขาหิมาลัย (the Himalayas) จากแผ่นออสเตรเลีย-อินเดียมุดตัวเข้าหาแผ่นยูเรเชีย เทือกเขาแอลป์ (Alps) เทือกเขาอูราล (Urals) และเทือกเขาแอปพาเลเชีย (Appalachia) เป็นต้นCapture

เขตมุดตัวแบบภาคพื้นสมุทร-ภาคพื้นทวีป
บริเวณเทือกเขาแอนดีสในประเทศชิลี

ภูเขาไฟระเบิดที่เกิดขึ้นในบริเวณเขตมุดตัวแบบภาคพื้นสมุทร-ภาคพื้นสมุทร บนเกาะไวท์ (White Island) ประเทศนิวซีแลนด์

เขตมุดตัวแบบภาคพื้นทวีป-ภาคพื้นทวีปบริเวณยอดเขามาคาลู (Makalu, 8,463 เมตร) ในเทือกเขาหิมาลัย

 

ภาพแสดงการเกิดเขตมุดตัว ซึ่งเป็นผลเนื่องมาจากการเคลื่อนที่ของเปลือกโลกในลักษณะเข้าหากันภาพแสดงการเกิดเขตมุดตัว ซึ่งเป็นผลเนื่องมาจากการเคลื่อนที่ของเปลือกโลกในลักษณะเข้าหากัน


แหล่งความร้อนใต้พิภพ (Geothermal Reservoirs)


 "แหล่งความร้อนใต้พิภพ"  เป็นกลุ่มชั้นหินใต้ผิวโลกที่สามารถพัฒนาขึ้นเป็นแหล่งความร้อนใต้พิภพได้ โดยอาศัยการพาความร้อน (heat convection) จากการใช้ของไหลใช้งาน เช่น นํ้านำความร้อนขึ้นมาใช้งานบนผิวโลก เพื่อให้ความร้อนโดยตรงหรือผลิตกระแสไฟฟ้าแหล่งความร้อนใต้พิภพแบ่งตามอุณหภูมิได้ 4 ประเภท ได้แก่

  • แหล่งความร้อนใต้พิภพอุณหภูมิสูง มีอุณหภูมิสูงกว่า 150 องศาเซลเซียส เกิดที่แผ่นเปลือกโลกธรณีภาคชั้นนอก (lithosphere) หรือบริเวณภูเขาไฟมีพลัง (active volcanism)  เช่น ชั้นหินแห้งร้อน แหล่งความร้อน ใต้พิภพอุณหภูมิสูงมักนำมาใช้ผลิตกระแสไฟฟ้า โดยฉีดนํ้าลงไปพาความร้อนขึ้นมา
  • แหล่งความร้อนใต้พิภพอุณหภูมิปานกลาง มีอุณหภูมิระหว่าง 100-150 องศาเซลเซียส
  • แหล่งความร้อนใต้พิภพอุณหภูมิตํ่า มีอุณหภูมิ 30-100องศาเซลเซียส แหล่งความร้อนใต้พิภพอุณหภูมิปานกลางและอุณหภูมิตํ่าพบในบริเวณชั้นหินอุ้มนํ้า มักนำไปใช้ในระบบให้ความร้อนแก่ชุมชนและอุตสาหกรรม
  • แหล่งความร้อนใต้พิภพที่มีอุณหภูมิตํ่ากว่า 30 องศาเซลเซียส มักนำไปใช้ให้ความร้อนแก่ที่พักอาศัยในฤดูหนาว

 การเกิดแหล่งความร้อนใต้พิภพ

ภาพการเกิดแหล่งความร้อนใต้พิภพ

แหล่งความร้อนใต้พิภพยังอาจแบ่งเป็น แหล่งความร้อนใต้พิภพที่อยู่บนพื้นผิวโลก  (Surface geothermal reservoirs) เช่น น้ำพุร้อน และแหล่งความร้อนใต้พิภพที่อยู่ใต้พื้นผิวโลกซึ่งไม่สามารถมองเห็นได้ เช่น ชั้นหินแห้งชั้น หินแห้งร้อน ชั้นหินอุ้มนํ้า อาจเรียกรวมว่า แหล่งความร้อนใต้พิภพใต้พื้นผิวโลก (underground geothermal reservoirs)

นํ้าพุร้อน (Hot spring)


แหล่งความร้อนจากน้ำพุร้อน ซึ่งน้ำพุร้อนคือนํ้าที่ไหลออกมาหรือพุ่งขึ้นจากพื้นดินตามธรรมชาติ เกิดขึ้นจากแรงดันของนํ้าใต้ชั้นหินที่กักเก็บนํ้าในเปลือกโลกชั้นนอก (crust) ด้วยอัตราการไหลของน้ำ ที่แตกต่างกัน ตั้งแต่น้ำซึมไปจนถึงน้ำพุ่งเป็นกระแสน้ำไหลแรง เช่น แหล่งโอเอซิส (oasis) ในทะเลทรายเป็นนํ้าสะอาด

เนื่องจากไหลผ่านชั้นหินหลายชั้น ก่อนที่จะออกมาสู่ผิวดิน มีแร่ธาตุละลายอยู่หลายชนิด ชั้นนํ้าใต้ดินบริเวณภูเขาไฟได้รับความร้อนจากหินหนืดร้อน (magma) ใต้ผิวโลกมีอุณหภูมิสูงจนกลายเป็นนํ้าพุร้อน อุณหภูมิและอัตราการไหลของนํ้าพุร้อนขึ้นกับหลายปัจจัย เช่น อัตราการไหลเวียนของนํ้าในชั้นใต้ดิน ปริมาณความร้อนในชั้นใต้ดินและปริมาณนํ้าผิวดินที่มาผสมกับนํ้าร้อนใต้ดิน 

นํ้าพุร้อนแบ่งตามลักษณะทางกายภาพ ได้ 4 ประเภทดังนี้

  • นํ้าพุร้อนเกเซอร์ (geyser) เป็นนํ้าพุร้อนขนาดใหญ่มีนํ้าร้อนและไอนํ้าพุ่งขึ้นมาเป็นระยะๆ ที่ระดับความสูงต่างกัน
  • นํ้าพุร้อน (hot spring) หรือบ่อนํ้าร้อน (hot pool) เป็นแหล่งนํ้าที่มีอุณหภูมิตั้งแต่อุ่นจนถึงเดือด
  • บ่อไอเดือดหรือพุแก๊ส (fumarole) เป็นบ่อที่มีเฉพาะไอนํ้าพุ่งขึ้นมา พบมากบริเวณภูเขาไฟ
  • บ่อโคลนเดือดหรือพุโคลน (mud pot) เกิดจากไอนํ้าใต้พื้นดินโคลนเคลื่อนที่ดันให้โคลนพุ่งขึ้นมา

นํ้าพุร้อนแบ่งตามแร่ธาตุที่มี ได้อีก 4 ประเภท ได้แก่

  • นํ้าพุร้อนทั่วไป (simple spring) มีอุณหภูมิสูงกว่า 25 องศาเซลเซียส ประกอบด้วยแร่ธาตุน้อยกว่า 1 กรัมต่อลิตร
  • นํ้าพุร้อนคาร์บอเนต (carbonate spring) มีอุณหภูมิตํ่ากว่า 25 องศาเซลเซียส ประกอบด้วยแร่ธาตุน้อยกว่า 1 กรัมต่อลิตร แต่มีคาร์บอเนตเป็นองค์ประกอบสูงกว่านํ้าพุร้อนทั่วไป
  • นํ้าพุร้อนเกลือหรือนํ้าพุร้อนนํ้าเค็ม (salt spring) คือ นํ้าพุร้อนทั่วไปที่ประกอบด้วยแร่ธาตุมากกว่า 1 กรัมต่อลิตร
  • นํ้าพุร้อนแอลคาไล (alkaline spring) คือ นํ้าพุร้อนเกลือที่มีค่าความเป็นกรดด่าง (pH) สูงกว่า 8.5

Old Faithful Geyserบ่อนํ้าพุร้อนโอลด์เฟธฟูล (Old Faithful Geyser) บริเวณพื้นที่ที่ปกคลุมด้วยหินลาวา
ภายในอุทยานแห่งชาติเยลโลว์สโตน (Yellowstone National Park) ประเทศสหรัฐอเมริกา

บ่อน้ำพุร้อนริมทางระหว่าง Yellow Stone กับ Sylvan Lakeบ่อนํ้าพุร้อนริมทางระหว่างทะเลสาบเยลโลว์สโตน (Yellowstone Lake) กับทะเลสาบซิลแวน (Sylvan Lake)
ประเทศสหรัฐอเมริกา

น้ำพุร้อน

นํ้าพุร้อนโป่งเดือดป๋าแป อุทยานแห่งชาติห้วยนํ้าดัง จังหวัดเชียงใหม่

บ่อนํ้าพุร้อนสตร็อกกัวร์ (Strokkur) อยู่ทางทิศตะวันตกเฉียงใต้ของเกาะไอซ์แลนด์ ขณะหยุดนิ่ง (ซ้าย) และทุก 4-8 นาที จะมีนํ้าพุพุ่งสูง 15-20 เมตร บางครั้งพุ่งสูงถึง 40 เมตร (ขวา)

บ่อนํ้าพุร้อนแกรนด์พริสแมติก (Grand Prismatic Spring) บริเวณแอ่งนํ้าพุร้อนมิดเวย์ (Midway Geyser Basin) ภายในอุทยานแห่งชาติเยลโลว์สโตน (Yellowstone National Park) ประเทศสหรัฐอเมริกา

ชั้นหินแห้งร้อน (Hot dry rock)


แหล่งความร้อนจากชั้นหินแห่ง ชั้นหินแห้งร้อน ซึ่งเป็นชั้นหินใต้พิภพที่ร้อนและเป็นแหล่งพลังงานความร้อนปริมาณมหาศาล อุณหภูมิของชั้นหินเพิ่มขึ้นเป็นสัดส่วนโดยตรงกับระดับความลึกจากผิวดินและชนิดของหินด้วยอัตรา 0.028-0.1  องศาเซลเซียสต่อความลึก 1 เมตร หินแห้งอุณหภูมิสูงกว่า  150 องศาเซลเซียส เป็นแหล่งความร้อนใต้พิภพที่มีพลังงานเพียงพอต่อการผลิตกระแสไฟฟ้า โดยอัดฉีดนํ้าเข้าไปตามรอยแตกในชั้นหินเพื่อรับความร้อนจากหินแห้ง แล้วจึงหมุนเวียนนํ้าร้อนมาสู่เครื่องกำเนิดไฟฟ้า เทคโนโลยีการผลิตกระแสไฟฟ้าจากชั้นหินแห้ง (hot dry rock technology) เป็นเทคโนโลยีใหม่ที่มีผู้สนใจศึกษากันมาก

ภาพจำลอง แสดงการผลิตกระแสไฟฟ้าจากชั้นหินแห้งใต้พิภพภาพจำลอง แสดงการผลิตกระแสไฟฟ้าจากชั้นหินแห้งใต้พิภพ

ชั้นหินอุ้มนํ้า (Aquifer)


แหล่งความร้อนใต้พิภพอีกประเภทหนึ่งคือ ชั้นหินอุ้มน้ำ ซึ่งเป็นชั้นหินที่มีรูพรุนยอมให้นํ้าซึมผ่านและสามารถกักเก็บนํ้าได้ มักเป็นหินทราย หินปูนหรือวัสดุร่วน เช่น กรวด ทราย หรือทรายแป้ง แบ่งเป็นประเภทต่าง ๆ ดังนี้

1. ชั้นหินอุ้มนํ้าไร้แรงดัน (unconfined aquifer)

มีทางระบายออกสู่ชั้นบรรยากาศทำให้นํ้าที่กักเก็บอยู่ในชั้นหินมีความดันเท่ากับความดันบรรยากาศ สามารถนำขึ้นมาใช้ได้โดยขุดบ่อลึกลงไปถึงระดับนํ้าใต้ดิน (water table)

2. ชั้นหินอุ้มนํ้ามีแรงดัน (confined aquifer หรือ artesian aquifer)

ถูกปิดทับด้วยชั้นหินหรือชั้นดินเนื้อแน่นที่นํ้าซึมผ่านได้ยากทั้งด้านบนและด้านล่าง (confining unit) ทำให้การไหลของนํ้าคล้ายกับการไหลในท่อภายใต้แรงดัน ซึ่งถ้าขุดบ่อลึกลงไปถึงชั้นหินอุ้มนํ้ามีแรงดัน จะมีนํ้าไหลขึ้นมาเองถึงระดับนํ้ามีแรงดัน  (potentiometric surface)  โดยไม่ต้องใช้ปั๊มนํ้าที่กักเก็บในชั้นหินอุ้มนํ้าหากได้รับความร้อนจากหินหนืดร้อนใต้พิภพ จะกลายเป็นนํ้าร้อนและไอนํ้าพลังงานสูง สามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ หากแรงดันของนํ้าร้อนมีมากพอ นํ้าจะพุ่งสูงเกิดเป็นนํ้าพุร้อน

 หินที่มีรูพรุนSource : http://www.raiderclubthailand.com/
หินที่มีรูพรุน

บ่อน้ำในประเทศอินเดีย
บ่อน้ำในชนบท เขตราชสถาน ในประเทศอินเดีย

ภาพแสดงพื้นที่หน้าตัดของชั้นหินอุ้มนํ้ามีแรงดัน (confined aquifer) และชั้นหินอุ้มนํ้าไร้แรงดัน (unconfined aquifer)

ภาพแสดงพื้นที่หน้าตัดของชั้นหินอุ้มนํ้ามีแรงดัน (confined aquifer) และชั้นหินอุ้มนํ้าไร้แรงดัน (unconfined aquifer)


Bibliography

กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน กระทรวงพลังงาน. พลังงานความร้อนใต้พิภพ (Geothermal Energy). In สารานุกรมพลังงานทดแทน (หน้า. 230, 224, 232, 237, 238, 242, 244 - 246).

ienergyguru.com

Advertisements
0 replies

Leave a Reply

Want to join the discussion?
Feel free to contribute!

ใส่ความเห็น

อีเมลของคุณจะไม่แสดงให้คนอื่นเห็น ช่องที่ต้องการถูกทำเครื่องหมาย *