Горячий источник -Hot spring

Горячий источник , гидротермальный источник или геотермальный источник — это источник , образующийся в результате выхода геотермально нагретых грунтовых вод на поверхность Земли. Подземные воды нагреваются либо неглубокими телами магмы (расплавленной породы), либо циркуляцией через разломы к горячим породам глубоко в земной коре . В любом случае конечным источником тепла является радиоактивный распад естественных радиоактивных элементов в мантии Земли , слое под корой.

Горячая родниковая вода часто содержит большое количество растворенных минералов. Химический состав горячих источников варьируется от кислых сульфатных источников с pH всего 0,8 до щелочных хлоридных источников, насыщенных кремнеземом , до бикарбонатных источников, насыщенных углекислым газом и карбонатными минералами . Некоторые источники также содержат большое количество растворенного железа. Минералы, вынесенные на поверхность в горячих источниках, часто питают сообщества экстремофилов , микроорганизмов, приспособленных к экстремальным условиям, и не исключено, что жизнь на Земле зародилась именно в горячих источниках.

Люди использовали горячие источники для купания, релаксации или лечения на протяжении тысячелетий. Однако некоторые из них настолько горячие, что погружение в них может быть опасным, приводя к ошпариванию и, возможно, к смерти.

Определения

Не существует общепринятого определения горячего источника. Например, можно найти фразу « горячий источник » , определяемую как

  • любой источник, нагретый геотермальной активностью
  • источник с температурой воды выше окружающей среды
  • природный источник с температурой воды выше температуры человеческого тела (обычно около 37 ° C (99 ° F))
Горячие источники в Рио-Квенте, Бразилия.
  • природный источник воды, температура которой превышает 21 ° C (70 ° F)
  • тип термального источника, температура воды которого обычно на 6–8 ° C (от 11 до 14 ° F) или более выше средней температуры воздуха.
  • источник с температурой воды выше 50 ° C (122 ° F)

Родственный термин « теплый источник » во многих источниках определяется как источник с температурой воды ниже, чем у горячего источника, хотя Pentecost et al. (2003) предполагают, что фраза «теплая весна» бесполезна и ее следует избегать. Центр геофизических данных США NOAA определяет «теплый источник» как источник с температурой воды от 20 до 50 ° C (от 68 до 122 ° F).

Источники тепла

Вода, вытекающая из горячего источника, нагревается геотермально , то есть за счет тепла , выделяемого мантией Земли . Это происходит двумя способами. В районах высокой вулканической активности магма (расплавленная порода) может находиться на небольших глубинах в земной коре . Подземные воды нагреваются этими неглубокими магматическими телами и поднимаются на поверхность, образуя горячий источник. Однако даже в районах, не испытывающих вулканической активности, температура горных пород в недрах земли увеличивается с глубиной. Скорость повышения температуры с глубиной известна как геотермический градиент . Если вода просачивается достаточно глубоко в земную кору, она будет нагреваться при контакте с горячей породой. Обычно это происходит вдоль разломов , где разрушенные пласты горных пород обеспечивают легкий путь для циркуляции воды на большие глубины.

Большая часть тепла создается за счет распада естественно радиоактивных элементов. По оценкам, от 45 до 90 процентов тепла, уходящего с Земли, возникает в результате радиоактивного распада элементов, в основном находящихся в мантии. Основными изотопами, выделяющими тепло на Земле, являются калий-40 , уран-238 , уран-235 и торий-232 . В областях, где нет вулканической активности, это тепло проходит через земную кору в результате медленного процесса теплопроводности , но в вулканических областях тепло быстрее выносится на поверхность телами магмы.

Радиогенное тепло от распада 238 U и 232 Th в настоящее время вносит основной вклад во внутренний тепловой баланс Земли .

Горячий источник, из которого периодически выбрасываются вода и пар, называется гейзером . В активных вулканических зонах, таких как Йеллоустонский национальный парк , магма может присутствовать на небольшой глубине. Если горячий источник соединен с большой природной цистерной рядом с таким телом магмы, магма может перегреть воду в цистерне, подняв ее температуру выше нормальной точки кипения. Вода не сразу закипит, потому что вес водяного столба над цистерной создает давление на цистерну и подавляет кипение. Однако по мере расширения перегретой воды часть воды выходит на поверхность, снижая давление в цистерне. Это позволяет части воды в цистерне превратиться в пар, который вытесняет больше воды из горячего источника. Это приводит к неконтролируемому состоянию, при котором значительное количество воды и пара принудительно выбрасывается из горячего источника при опорожнении цистерны. Затем цистерна наполняется более прохладной водой, и цикл повторяется.

Гейзерам требуется как естественная цистерна, так и обильный источник более прохладной воды для пополнения цистерны после каждого извержения гейзера. Если подача воды менее обильна, так что вода кипит так быстро, как только может накапливаться, и достигает поверхности только в виде пара , результатом является фумарола . Если вода смешана с грязью и глиной , получится глиняный горшок .

Примером невулканического теплого источника является Уорм-Спрингс, штат Джорджия (из-за его терапевтического эффекта часто посещаемый параличом нижних конечностей президент США Франклин Д. Рузвельт , построивший там Маленький Белый дом ). Здесь подземные воды возникают в виде дождя и снега ( метеоритная вода ), падающих на близлежащие горы, которые проникают в особую формацию ( кварцит Холлиса ) на глубину 3000 футов (910 м) и нагреваются за счет нормального геотермального градиента.

Химия

Хаммам Масхутин в Алжире , пример бикарбонатного горячего источника.

Поскольку нагретая вода может содержать больше растворенных твердых веществ , чем холодная, вода, вытекающая из горячих источников, часто имеет очень высокое содержание минералов , включая все, от кальция до лития и даже радия . Общий химический состав горячих источников варьируется от щелочного хлорида до кислого сульфата , от бикарбоната до богатого железом , каждый из которых определяет конечный член диапазона возможных химических реакций горячих источников.

Щелочные хлоридные горячие источники питаются гидротермальными флюидами, которые образуются, когда подземные воды, содержащие растворенные хлоридные соли, вступают в реакцию с силикатными породами при высокой температуре. Эти источники имеют почти нейтральный pH , но насыщены кремнеземом ( SiO 2 ). Растворимость кремнезема сильно зависит от температуры, поэтому при охлаждении кремнезем откладывается в виде гейзерита , формы опала (опал-A: SiO 2 ·nH 2 O ). Этот процесс достаточно медленный, поэтому гейзерит не весь сразу откладывается вокруг жерла, а имеет тенденцию образовывать низкую широкую платформу на некотором расстоянии вокруг отверстия родника.

Кислые сульфатные горячие источники питаются гидротермальными флюидами, богатыми сероводородом ( H 2 S ), который окисляется с образованием серной кислоты , H 2 SO 4 . Таким образом, pH жидкостей снижается до значений всего 0,8. Кислота вступает в реакцию с породой, превращая ее в глинистые минералы , оксидные минералы и остатки кремнезема.

Бикарбонатные горячие источники питаются гидротермальными флюидами, образующимися при взаимодействии углекислого газа ( CO 2 ) и грунтовых вод с карбонатными породами . Когда флюиды достигают поверхности, CO 2 быстро теряется, а карбонатные минералы выпадают в осадок в виде травертина , так что бикарбонатные горячие источники имеют тенденцию образовывать рельефные структуры вокруг своих отверстий.

Источники, богатые железом, характеризуются наличием микробных сообществ, которые производят глыбы окисленного железа из железа в гидротермальных жидкостях, питающих источник.

Некоторые горячие источники производят жидкости, которые по химическому составу занимают промежуточное положение между этими крайностями. Например, смешанные кисло-сульфатно-хлоридные горячие источники занимают промежуточное положение между кисло-сульфатными и щелочно-хлоридными источниками и могут образовываться при смешении кисло-сульфатных и щелочно-хлоридных жидкостей. Они откладывают гейзерит, но в меньших количествах, чем щелочные хлоридные источники.

Расход

Дейльдартунгухвер , Исландия : горячий источник с самой большой водой в Европе .

Скорость потока горячих источников варьируется от мельчайших «просачиваний» до настоящих горячих рек. Иногда бывает достаточно давления, чтобы вода выбрасывалась вверх в виде гейзера или фонтана .

Горячие источники с высоким расходом

В литературе имеется много утверждений о расходах горячих источников. Нетермальных источников с большим расходом намного больше, чем геотермальных. К источникам с высоким расходом относятся:

  • Комплекс Далхаузи-Спрингс в Австралии имел пиковый общий расход более 23 000 литров в секунду в 1915 году, что давало средний выход источника в комплексе более 325 литров в секунду. Теперь пиковый общий расход был уменьшен до 17 370 литров в секунду, поэтому средняя производительность пружины составляет около 250 литров в секунду.
  • Горячий источник «Кровавый пруд» в Беппу , Япония .
    2850 горячих источников Беппу в Японии являются самым мощным комплексом горячих источников в Японии. Вместе горячие источники Беппу производят около 1592 литров в секунду, что соответствует среднему расходу горячих источников 0,56 литров в секунду.
  • 303 горячих источника Коконоэ в Японии производят 1028 литров в секунду, что дает средний расход горячего источника 3,39 литра в секунду.
  • В префектуре Оита 4762 горячих источника с общим расходом 4437 литров в секунду, поэтому средний поток горячих источников составляет 0,93 литра в секунду.
  • Горячий источник с самым высоким расходом воды в Японии — это горячий источник Тамагава в префектуре Акита , скорость потока которого составляет 150 литров в секунду. Горячий источник Тамагава питает поток шириной 3 м (9,8 фута) с температурой 98 ° C (208 ° F).
  • Самые известные горячие источники Бразилии Калдас - Новас («Новые горячие источники» на португальском языке ) добываются из 86 колодцев, из которых выкачивается 333 литра воды в секунду в течение 14 часов в день. Это соответствует пиковому среднему расходу 3,89 л/с на лунку.
  • Во Флориде насчитывается 33 признанных источника «первой величины» (с потоком более 2800 л/с (99 куб. футов/с)). Сильвер-Спрингс, Флорида, имеет расход более 21 000 л / с (740 куб. Футов / с).
  • Кратер Гейзер Эксельсиор в Йеллоустонском национальном парке дает около 4000 галлонов США в минуту (0,25 м 3 /с).
  • Evans Plunge в Хот-Спрингс, Южная Дакота , имеет скорость потока 5000 галлонов США / мин (0,32 м 3 /с) родниковой воды с температурой 87 ° F (31 ° C). Plunge, построенный в 1890 году, является крупнейшим в мире крытым бассейном с естественной теплой водой.
  • Горячий источник Сатурнии , Италия, около 500 литров в секунду.
  • Лавовые горячие источники в Айдахо имеют поток 130 литров в секунду.
  • Гленвуд-Спрингс в Колорадо имеет расход 143 литра в секунду.
  • Элизабет-Спрингс в западном Квинсленде , Австралия, мог иметь поток 158 литров в секунду в конце 19-го века, но теперь имеет поток около 5 литров в секунду.
  • Дейльдартунгухвер в Исландии имеет расход 180 литров в секунду.
  • В регионе Наге , в 8 км (5,0 миль) к юго-западу от Баджавы в Индонезии , есть по крайней мере три горячих источника , которые в совокупности производят более 453,6 литров в секунду.
  • Есть еще три больших горячих источника (Менгеруда, Ваэ Бана и Пига) в 18 км (11 миль) к северо-востоку от Баджавы, Индонезия , которые вместе производят более 450 литров горячей воды в секунду.
  • В бореальных лесах Юкона, в 25 минутах к северо-западу от Уайтхорса на севере Канады, горячие источники Тахини вытекают из недр Земли со скоростью 385 л/мин (85 имп галлонов/мин; 102 галлона США/мин) и 47 °C (118 °C). Ф) круглогодично.

Экосистемы горячих источников

Коврики из водорослей , растущие в горячем бассейне « Карта Африки », Оракей-Корако , Новая Зеландия .

В горячих источниках часто обитают сообщества микроорганизмов, приспособленных к жизни в горячей, насыщенной минералами воде. К ним относятся термофилы , которые представляют собой тип экстремофилов , которые процветают при высоких температурах, от 45 до 80 ° C (от 113 до 176 ° F). Дальше от источника, где вода успела остыть и осадить часть своей минеральной нагрузки, условия благоприятствуют организмам, приспособленным к менее экстремальным условиям. Это создает последовательность микробных сообществ по мере удаления от жерла, что в некоторых отношениях напоминает последовательные стадии эволюции ранней жизни.

Например, в бикарбонатном горячем источнике в сообществе организмов непосредственно вокруг жерла преобладают нитчатые термофильные бактерии , такие как Aquifex и другие Aquificales , которые окисляют сероводород и водород для получения энергии для своих жизненных процессов. Дальше от жерла, где температура воды упала ниже 60 ° C (140 ° F), поверхность покрыта микробными матами толщиной 1 сантиметр (0,39 дюйма), в которых преобладают цианобактерии , такие как Spirulina , Oscillatoria и Synechococcus , и зеленые серные бактерии , такие как Chloroflexus . Все эти организмы способны к фотосинтезу , хотя зеленые серные бактерии производят серу , а не кислород во время фотосинтеза. Еще дальше от жерла, где температура опускается ниже 45 ° C (113 ° F), условия благоприятны для сложного сообщества микроорганизмов, которое включает спирулины , калотриксы , диатомовые водоросли и другие одноклеточные эукариоты , а также травоядных насекомых и простейших. Когда температура падает близко к температуре окружающей среды, появляются высшие растения.

Горячие источники с хлоридом щелочного металла демонстрируют аналогичную последовательность сообществ организмов с различными термофильными бактериями и археями в самых горячих частях кратера. Кислые сульфатные горячие источники демонстрируют несколько иную последовательность микроорганизмов, в которой преобладают устойчивые к кислоте водоросли (такие как представители Cyanidiophyceae ), грибы и диатомовые водоросли. Богатые железом горячие источники содержат сообщества фотосинтезирующих организмов, которые окисляют восстановленное ( двухвалентное ) железо в окисленное ( трехвалентное ) железо.

Горячие источники являются надежным источником воды с богатой химической средой. Сюда входят восстановленные химические соединения, которые микроорганизмы могут окислять в качестве источника энергии.

Значение для абиогенеза

В отличие от « черных курильщиков » (гидротермальных источников на дне океана), горячие источники производят жидкости при менее экстремальных температурах, сульфиды металлов и минералы кремнезема в этих средах будут действовать как фотокатализаторы, они имеют подходящий рН для ранних клеток, и они испытывают циклы. смачивания и высыхания, которые способствуют образованию биополимеров, которые затем инкапсулируются в везикулы после регидратации. Исследователи обнаружили, что ионный состав горячих источников идентичен ионному составу цитоплазмы современных клеток и, возможно, LUCA или протоклеток . По этим причинам была выдвинута гипотеза, что горячие источники могут быть местом зарождения жизни на Земле.

Недавние экспериментальные исследования горячих источников подтверждают эту гипотезу. Они показывают, что амфифильные соединения, такие как жирные кислоты, собираются в мембранные структуры и инкапсулируют синтезированные биомолекулы во время воздействия УФ-излучения и многократных циклов увлажнения и высыхания в слабощелочных или кислых горячих источниках, чего не произошло бы в условиях соленой воды, поскольку там более высокие концентрации ионные растворенные вещества, тормозящие образование мембранных структур. Дэвид Димер и Брюс Дамер отмечают, что эти гипотетические пребиотические среды очень напоминают теплый маленький пруд Чарльза Дарвина .

Использование человеком

Макаки наслаждаются горячими источниками под открытым небом или « онсэнами » в Нагано .
Зимнее купание в Цуру-но-ю ротэн-буро в Нюто, Акита
Горячие источники Сай Нгам в провинции Мае Хонг Сон, Таиланд

История

Горячие источники используются людьми на протяжении тысячелетий. Известно, что даже макаки , ​​не являющиеся человекообразными приматами, расширили свой северный ареал до Японии , используя горячие источники для защиты от холода. Ванны с горячими источниками ( онсэн ) использовались в Японии по крайней мере две тысячи лет, традиционно для чистоты и расслабления, но все чаще из-за их терапевтической ценности. В гомеровскую эпоху Греции (ок. 1000 г. до н. э.) бани предназначались в первую очередь для гигиены, но ко времени Гиппократа (ок. 460 г. до н. э.) горячим источникам приписывали целебную силу. С тех пор популярность горячих источников колебалась на протяжении столетий, но сейчас они популярны во всем мире.

Терапевтическое использование

Из-за фольклора и заявленной медицинской ценности, приписываемой некоторым горячим источникам, они часто являются популярными туристическими направлениями и местами для реабилитационных клиник для людей с ограниченными возможностями . Однако научная основа лечебного купания в горячих источниках неясна. Терапия горячими ваннами при отравлении свинцом была обычным явлением и, как сообщается, очень успешной в 18 и 19 веках и, возможно, была связана с диурезом (повышенным выделением мочи) от сидения в горячей воде, что увеличивало выделение свинца; лучшее питание и изоляция от источников свинца; и повышенное потребление кальция и железа. Значительное улучшение у пациентов с ревматоидным артритом и анкилозирующим спондилитом было зарегистрировано в исследованиях курортной терапии, но у этих исследований есть методологические проблемы, такие как очевидная непрактичность плацебо-контролируемых исследований (в которых пациент не знает, получает ли он терапию). ). В результате терапевтическая эффективность терапии горячими источниками остается неопределенной.

Меры предосторожности

Горячие источники в вулканических районах часто достигают точки кипения или близки к ней . Люди серьезно ошпарились и даже погибли, случайно или преднамеренно зайдя в эти источники.

Некоторые микробиоты горячих источников заразны для человека:

Этикет

Наблюдаемые обычаи и обычаи различаются в зависимости от горячего источника. Общепринятой практикой является то, что купальщики должны умыться перед тем, как войти в воду, чтобы не загрязнить воду (с мылом или без него). Во многих странах, например в Японии, в горячие источники необходимо заходить без одежды, в том числе в купальных костюмах. Часто есть разные условия или время для мужчин и женщин, но существуют смешанные онсэны . В некоторых странах, если это общественный горячий источник, требуется купальный костюм.

Примеры

Распространение геотермальных источников в США

Горячие источники есть во многих местах и ​​на всех континентах мира. Страны, известные своими горячими источниками, включают Китай , Коста-Рику , Исландию , Иран , Японию , Новую Зеландию , Бразилию , Перу , Тайвань , Турцию и Соединенные Штаты , но горячие источники есть и во многих других местах:

  • Горячие источники Рио-Хондо на севере Аргентины , получившие широкую известность после того, как профессор химии в 1918 году классифицировал их как одну из самых электролитных минеральных вод в мире, стали одними из самых посещаемых на земле. Cacheuta Spa — еще один известный горячий источник в Аргентине.
  • Источники в Европе с самой высокой температурой находятся во Франции, в небольшой деревушке Шод-Эг . Расположенные в самом сердце французского вулканического региона Овернь , тридцать природных горячих источников Шод-Эг имеют температуру от 45 ° C (113 ° F) до более 80 ° C (176 ° F). Самый горячий из них, Source du Par, имеет температуру 82 ° C (180 ° F). Горячие воды, протекающие под деревней, обеспечивают теплом дома и церковь с 14 века. Шод-Эг (Канталь, Франция) — курортный город , известный со времен Римской империи для лечения ревматизма.
  • Карбонатные водоносные горизонты в тектонических условиях форланда могут содержать важные термальные источники, хотя они расположены в районах, обычно не характеризующихся региональными высокими значениями теплового потока. В этих случаях, когда термальные источники расположены близко или вдоль береговой линии, субаэральные и/или подводные термальные источники представляют собой отток морских подземных вод, протекающих по локальным трещинам и карстовым породам-объемам. Это случай источников, расположенных в самой юго-восточной части региона Апулия (Южная Италия), где мало сернистых и теплых вод (22–33 ° C (72–91 ° F)) изливается в частично затопленные пещеры, расположенные вдоль Адриатического моря. побережье, снабжая таким образом исторические курорты Санта-Чезареа-Терме. Эти источники известны с древних времен (Аристотель в III веке до н.э.), и на физико-химические свойства их термальных вод частично повлияли колебания уровня моря.
  • Одним из потенциальных резервуаров геотермальной энергии в Индии являются термальные источники Таттапани в Мадхья-Прадеше.
  • Богатые кремнеземом отложения, обнаруженные в Нили Патера , вулканической кальдере Большого Сырта на Марсе , считаются остатками вымершей системы горячих источников.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Марджори Герш-Янг (2011). Горячие источники и горячие бассейны юго-запада: оригинальный путеводитель Джейсона Лоама . Аква термальный доступ. ISBN 978-1-890880-07-1.
  • Марджори Герш-Янг (2008). Горячие источники и горячие бассейны Северо-Запада . Аква термальный доступ. ISBN 978-1-890880-08-8.
  • Г. Дж. Вудсворт (1999). Горячие источники Западной Канады: полный путеводитель . Западный Ванкувер: Гордон Соулз. ISBN 978-0-919574-03-8.
  • Клэй Томпсон (2003). «Тонопа: Это вода под кустом». Республика Аризона . п. Б12.

внешние ссылки