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

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

Source : https://daejeonastronomyfile.wordpress.com

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

ภาพตัดขวางแสดงการเคลื่อนที่ของธรณีภาคชั้นนอก ในลักษณะแยกออกจากกัน การมุดตัวเข้าหากันและการเคลื่อนผ่านกันของภาคพื้นทวีปและภาคพื้นสมุทรตามทฤษฎีธรณีภาคแปรสัณฐาน

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

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) เป็นต้น

ภาพแสดงการเกิดเขตมุดตัว 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

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 

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

บ่อนํ้าพุร้อนริมทางระหว่างทะเลสาบเยลโลว์สโตน (Yellowstone Lake) กับทะเลสาบซิลแวน (Sylvan Lake)
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 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

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

บ่อน้ำในชนบท เขตราชสถาน ในประเทศอินเดีย

ภาพแสดงพื้นที่หน้าตัดของชั้นหินอุ้มนํ้ามีแรงดัน (confined aquifer) และชั้นหินอุ้มนํ้าไร้แรงดัน (unconfined aquifer)

Bibliography

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