بررسي و مطالعه در معادن و چاه‌ها نشان مي‌دهد كه با افزايش ژرفا، درجه حرارت نيز افزايش مي‌يابد. ازدياد درجه حرارت در تمام نقاط زمين يكسان نيست. به نظر مي‌رسد كه ميزان افزايش درجه حرارت با توجه به نوع محل به ازاي هر كيلومتر بين 10 تا 60 درجه سانتيگراد باشد. از ژرفاي 100 تا 150 كيلومتري به بعد افزايش درجه حرارت با روند آرامي پيش مي‌رود به‌طوري كه در هسته زمين درجه حرارت حدود 5000 درجه سانتيگراد است. شواهد بخوبي نشان داده است كه افزايش درجه حرارت در پوسته زمين با افزايش ژرفا ارتباطي ندارد به طوريكه اندازه‌گيري‌هاي به عمل آمده در چاهي كه روس‌ها در جزيره كولا حفر كردند، نشان مي‌دهد كه در ژرفاي 7000 متري درجه حرارت 50 درجه سانتيگراد و در ژرفاي 10000 متري درجه حرارت 100 درجه سانتيگراد است.

حفاري در ژرفاي 6 تا 7 كيلومتري پوسته مناطق غيرآتشفشاني به نواحي رسيده‌اند كه داراي حرارت جوش است. همچنين حفاري در سرزمين‌هاي آتشفشاني و ماگمايي و مناطق داراي چشمه‌هاي آب گرم و مناطق بالاي شيارهاي اقيانوسي حاكي از افزايش خيلي شديد درجه حرارت در ژرفاي اندك است. به‌طور نمونه درجه حرارت در مناطقي كه حفاري در ژرفاي 1 تا 3 كيلومتري پوسته صورت گرفته است به 100 تا 250 درجه سانتيگراد رسيده است. اين نواحي داراي انرژي زمين گرمايي يا ژئوترمال هستند و به همين دليل اين مناطق را به عنوان منابع مهم انرژي بسيار مورد توجه قرار مي‌دهند.

در اين زمينه نكته‌اي كه جالب توجه است، بررسي و چگونگي به‌كارگيري انرژي درون زمين و تبديل آن به انرژي مفيد و قابل استفاده است. براي استفاده كاربردي از انرژي گرمايي زمين بايد امكانات و موقعيت‌هاي ويژه‌اي وجود داشته باشد.

معمولاً انرژي حرارتي زمين در مناطق محدودي متمركز مي‌شوند لذا براي استفاده از آن تنها به‌كارگيري حفره‌هاي زيرزميني طبيعي يا مصنوعي حاوي بخارات و آب‌هاي گرم كه بتوانند با حفاري چاه‌ها كنترل شوند، مناسب هستند. براي استفاده از انرژي زمين گرمايي يا انرژي ژئوترمال، ابتدا بايد محدوده‌هاي داراي آب‌ها و سنگ‌هاي گرم را شناسايي كرده و سپس با سيستم‌هاي حفاري مناسب انرژي محصور در چنين مناطقي را كنترل و بهره‌برداري كنيم. اكتشافات انرژي زمين گرمايي نيز مانند اكتشافات نفت است ولي برخلاف نفت كه در مناطق رسوبي يافت مي‌شود، براي اكتشاف انرژي حرارتي زمين بايد به دنبال مناطق آتشفشاني باشيم. تعداد زيادي از ميادين انرژي ژئوترمال در مناطق آتشفشاني جوان و فعال قرار دارند. در چنين مناطقي روش كنترل و انتقال انرژي حرارتي از مهم‌ترين كارها در اين زمينه است.

گرچه نقاط ويژه‌اي از جهان از لحاظ تجمع منابع انرژي حرارتي زمين نسبت به ساير نقاط غني‌تر هستند اما اين منابع بيشتر در امتداد مرزهاي صفحات تكتونيكي1 و در نواحي شناخته شده آتشفشاني متمركز شده‌اند كه در اين مكان‌ها فعاليت تكتونيكي باعث جاري شدن گدازه‌هاي داغ يا مذاب سطح زمين و تشكيل منابعي با درجه حرارت بالا در سطح قابل دسترسي زمين مي‌شود. استفاده عملي از اين منابع حرارتي مستلزم وجود واسطه‌هايي جهت انتقال حرارت به سطح زمين است كه اين حرارت داخل زمين از طريق چرخش آب‌هاي زيرزميني عميق و نفوذ آنها به لايه‌هاي حاوي گدازه‌هاي داغ به سطح زمين آورده مي‌شود و در بعضي نقاط اين حرارت به صورت چشمه‌هاي داغ و فومرول‌ها2 ظاهر مي‌گردد. به هرحال در هر مكاني كه حرارت به دليل فرآيندهاي هيدرولوژيكي و زمين‌شناسي خاص تمركز پيدا كرده است شرايطي به وجود مي‌آيد كه اجازه مي‌دهد عامل حرارتي از ميان چاه‌هاي حفاري شده با عمق نسبتاً كم از پوسته زمين استخراج شود. روش‌هاي اكتشاف انرژي گرمايي زمين شامل مطالعات زمين‌شناسي، ژئوفيزيكي، ژئوشيميايي، حرارتي، مطالعات عكس‌هاي ماهواره‌اي و هوايي و حفاري است.

انرژي گرمايي زمين در ايران

با وجود بهره‌برداري از منابع گرمايي زمين در بسياري از كشورهاي صنعتي و درحال توسعه بهره‌برداري از منابع گرمايي زمين در ايران تاكنون وارد مرحله عمل نشده است با اينكه ايران در كمربند آتشفشاني سنوزوئيك قرار دارد و داراي مناطقي فعال از نظر انرژي زمين‌گرمايي است ولي جز استفاده‌هاي آب‌درماني و بهداشتي از چشمه‌هاي فراوان آب گرم در اين مناطق تاكنون بهره‌برداري ديگري از آنها به عمل نيامده است.

اولين مطالعات در مورد انرژي گرمايي زمين يا ژئوترمال در ايران در سال‌هاي 1975 تا 1979 توسط يك شركت ايتاليايي زيرنظر وزارت نيرو انجام گرفت و بعد از وقفه‌اي چندين ساله دوباره در سال‌هاي 1374 و 1375 مطالعات و حفاري‌هايي توسط سازمان انرژي اتمي ايران و سازمان انرژي‌هاي نو وابسته به وزارت نيرو در منطقه آذربايجان در اطراف مشكين‌شهر انجام شده كه هنوز هم اين بررسي‌ها ادامه دارد. از نظر ژئوترمال (زمين‌گرمايي) نواحي آتشفشاني نئوژن ـ كواترنروكواترنر1 مانند دماوند، اطراف سهند، سبلان و نواحي زيادي از آذربايجان داراي جريان حرارتي غيرعادي هستند. اين ناهنجاري‌هاي حرارتي به صورت چشمه‌هاي آب‌گرم و معدني در البرز مركزي و آذربايجان ظاهر مي‌شوند به‌طوري كه در اين مناطق حدود 100 چشمه آب‌گرم وجود دارد. با مطالعة ژئوترمومتري (اندازه‌گيري دماي زمين) در اين آب‌ها نيز وجود ناهنجاري حرارتي را در تمام منطقه به اثبات رسانده است همچنان كه در 3 ناحيه از البرز غربي و مركزي و نواحي سبلان و سهند دما از 200 تا 240 درجه سانتيگراد با توزيع يكنواختي شناخته شده‌اند.

نتايج آزمايشات ايزوتوپي2 اكسيژن در اين آب‌ها نشان مي‌دهد كه يك مبادلة حرارتي ميان آب با سنگ در عمق و درجة حرارت زياد انجام مي‌گيرد. به علاوه مقدار تريتيوم3 اين سيالات بسيار كم است كه نشان‌دهندة گردش طولاني زيرزميني در بيش از ده‌ها سال است.

همچنين آزمايشات ايزوتوپي نشان داده‌اند كه كليه آب‌ها حتي آنهايي كه دماي بالايي در عمق زمين دارند، منشأ متئوريك4 دارند و از شكستگي‌ها و شكاف‌هاي موجود وارد مخزن شده‌اند.

منبع:ا طلاعات