В ядре Земли температура достигает 4000 °C. Выход тепла через твердые породы суши и океанского дна происходит в основном за счет теплопроводности и реже – в виде конвективных потоков расплавленной магмы или горячей воды. Средний поток термального тепла через земную поверхность составляет примерно 0,06 Вт/м2 при температурном градиенте менее 30 °C/км. Но имеются районы с повышенными градиентами температуры, где тепловые потоки составляют 10…20 Вт/м2.
В земной коре существует подвижный и теплоемкий теплоноситель – вода. Вода в жидкой фазе существует до глубины 10…15 км. Ниже при температуре 700 °C она находится в газообразном состоянии. На определённой глубине, зависящей от геотермических особенностей района, залегают пласты горных пород, содержащие термальные воды – гидротермы. Следовательно, в земной коре можно выделить зону, которую условно можно назвать «гидротермальной оболочкой».
Вода тем или иным способом попадая в пласт породы, совершает долгий путь, пока не приходит в контакт с нагретыми областями коры, где постепенно разогревается.
К областям распространения месторождений термальных вод относятся: вулканическое кольцо бассейна Тихого океана, Альпийский складчатый пояс, рифтовые долины континентов, срединно-океанические хребты, платформенные погружения и предгорные краевые перегибы.
По своему происхождению месторождения термальных вод можно разделить на два типа. Первый тип образуют геотермальные системы конвективного происхождения. Они отличаются высокой температурой вод. Это прежде всего районы расположения современных или недавно потухших вулканов. В этих геотермальных системах на поверхность выходят не только горячие воды, но и пароводяная смесь с температурой 200 °C и более. В настоящее время практически все геотермальные электростанции (ГеоТЭС) работают в районах современного вулканизма.
Второй тип геотермальных месторождений образуется при нагреве подземных вод за счет теплопроводности. Эти воды сосредоточены в глубоких платформенных впадинах и предгорных прогибах. Геотермальные месторождения располагаются в невулканических районах и характеризуются термическим градиентом – 30…33 °C/км.
При бурении скважин для добычи нефти и газа обнаружены сотни подземных артезианских бассейнов термальных вод, занимающих площади в несколько миллионов квадратных километров. Такие бассейны, расположенные в равнинных областях и предгорных прогибах, содержат воду с температурой 100…150 °C на глубине 3…4 км.
Термальные воды имеют разнообразный химический и газовый состав. Их общая минерализация колеблется от ультрапресных категорий (менее 0,1 г/л) до категории сверхкритических рассолов (более 600 г/л). Термальные воды содержат в растворенном состоянии различные газы: активные (агрессивные), такие как углекислота, сероводород, атомарный водород, и малоактивные азот, метан, водород [2].
В геотермальной энергетике практически могут быть использованы все виды термальных вод.