انرژی حرارتی موجود در زیر پوسته زمین، زمین‌گرمایی نامیده می‌شود. در حقیقت زمین منبع عظیمی از انرژی حرارتی است كه این حرارت به طریقه‌های متفاوتی از جمله فوران‌های آتش‌فشانی، آب‌های موجود در سیستم‌های زمین‌گرمایی و یا بواسطه خاصیت رسانایی بخش‌های درونی به سطح زمین هدایت می‌شود. حرارت زمین از مجموعه‌‌ای آتشین كه بیش از 4 میلیارد سال پیش شکل‌گرفته و رفته‌رفته رو به انجماد گذاشته و هم‌اكنون نیز در حال سرد شدن است، سرچشمه می‌گیرد. هر چه به اعماق ز مین نزدیک‌تر می‌شویم، حرارت آن افزایش می‌یابد به‌طوری‌که این حرارت در هسته زمین به بیش از 5000 درجه سانتی‌گراد می‌رسد.

انواع مخازن زمین‌گرمایی

   به طور كلی بر اساس ویژگی‌های زمین‌شناسی، هیدرولوژیكی و انتقال حرارت، مخازن زمین‌گرمایی به چهار گروه اصلی طبقه‌بندی می‌شوند.

1. مخازن گرمایی
2. مخازن سنگ‌داغ خشك
3. مخازن زمین تحت فشار
4. مخازن ماگماتیك

   ازآنجایی‌که پیدایش مخازن زمین‌گرمایی یك پدیده طبیعی است، لذا هر یك از انواع اصلی فوق به انواع فرعی‌تری نیز تقسیم می‌شوند. 

مخازن گرمایی هیدروترمال

   ویژگی این سیستم وجود سنگ‌هایی با تراوایی و تخلخل بالاست و اكثر سیستم‌های جهان كه برای استفاده از انرژی زمین‌گرمایی مورد اكتشاف و بهره‌برداری قرارگرفته‌اند از این نوع می‌باشند. نیروی كنوكسیونی در این قبیل سیستم‌ها بدون شك از اهمیت بالایی برخوردار بوده و گرم شدن آب در اعماق غالباً به نفوذ ماگما ارتباط داده می‌شود، در نتیجه این امكان وجود دارد كه بخشی از آب در حال چرخش نیز از سرد شدن ماگما تأمین گردد. منبع حرارتی در این‌گونه سیستم‌ها حرارت توده نفوذی ماگمایی در عمق كم است. به طور كلی این قبیل سیستم‌های چرخشی غالباً با آتشفشانها و یا ولكانیسم‌های جوان همراه می‌باشند. مخازن گرمایی هیدروترمال كه یكی از عمده‌ترین ذخایر زمین‌گرمایی دنیا را تشكیل می‌دهند و به دو نوع مخزن فرعی آب بالنده (مخزن با برتری آب) و مخزن با بخار بالنده (مخزن با برتری بخار) تقسیم می‌شوند.

مخازن با آب بالنده

   مخازن با آب بالنده را به طور معمول مخازن آب داغ می‌نامند این مخازن كه تركیبی از آب و بخار است در آن درصد آب موجود در مخزن به مراتب بیش از درصد بخار موجود است. لذا بخش قابل توجهی از حجم مخزن توسط آب داغ اشغال شده است. در حال حاضر بیشتر مخازن زمین‌گرمایی از این نوع هستند ولی هزینه استخراج و بهره‌برداری از این مخازن به مراتب بیشتر از مخازن با برتری بخار (بخار بالنده) است. طبق اطلاعات موجود بیش از 90 درصد مخازن زمین‌گرمایی كشف شده جهان از این نوع هستند. چون دمای آب ذخیره شده در این منابع از 25 تا 310 درجه سانتی‌گراد متغیر است موارد كاربرد سیال استخراج شده از این نوع مخازن نیز متفاوت است. چنانكه از انرژی سیال داغ این نوع منابع زمین‌گرمایی می‌توان به طور مستقیم برای كاربردهای حرارتی و به طور غیرمستقیم در تولید نیروی برق بهره‌گیری كرد. مخازن آب داغ به طور معمول به وسیله آب‌های سطحی و بارش‌های جوی مجاور منطقه زمین‌گرمایی تغذیه می‌شوند، به عبارت دیگر آب‌های سطحی و آب بارش‌های جوی به تدریج در ژرفای زمین نفوذ كرده و منابع مذكور را تشكیل داده‌اند. دمای این مخازن به نوع و كیفیت سرچشمه حرارتی، رسانایی گرمایی سنگ مخزن، رسانایی سنگ‌های اطراف، ضخامت و نوع سنگ‌پوششی بستگی دارد، مهم‌ترین عامل اقتصادی كه در تولید برق كه از مخازن با آب بالنده باید مورد توجه طراحان قرار گیرد آن است كه جهت استحصال نیروی برق كه از منابع آب داغ نیاز به تولید حجم زیادی از آب و دفع آن یا تزریق مجدد آن به مخزن است موضوع قابل توجه اینجاست كه با فناوری موجود، راه‌اندازی و نگهداری این جریان چرخشی در وضعیت متناسب هزینه سرمایه‌ای و عملیاتی بسیار زیادی را تلف می‌كند. لذا برآورد دقیق هزینه‌های تولید برق از این منابع، دقت‌نظر و جامع‌نگری ویژه‌ای را طلب می‌نماید. در واقع مهم‌ترین فرق میان مخازن میان آب داغ و بخار بالنده تولید حجم زیاد سیال از مخازن آب داغ و هزینه بالای تزریق مجدد آن به زمین است. در حال حاضر نیروگاه‌هایی كه از انرژی زمین‌گرمایی آب داغ بهره‌گیری می‌كنند 42 درصد نیروی برق زمین‌گرمایی جهان را تأمین می‌كنند. با وجود این پیش‌بینی می‌شود به علت فراوانی مخازن زمین‌گرمایی آب داغ، در آینده موارد استفاده آن افزایش خواهد یافت. چرا كه بر اساس برآوردهای موجود ظرفیت مخازن آب داغ جهان بیش از 9 برابر ظرفیت مخازن بخار خشك تخمین زده می‌شود

   مخازن با بخار بالنده

   مخازن با بخار بالنده مخازنی هستند كه در آن‌ها بخار آب نسبت به آب داغ فضای بیشتری از حجم سنگ مخزن را اشغال می‌كند و بخش اعظمی از سیال به صورت بخار خشك است. در این مخازن آنتالپی (محتوی حرارتی) بخار آب مخزن در حال تعادل با آب داغ مخزن است. هنگامی كه مخزن مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد بخار انبساط یافته تبدیل به بخار فوق‌العاده گرم می‌شود كه این نوع منابع زمین‌گرمایی به مخزن بخار خشك معرف هستند. علت اساسی پیدایش این‌گونه مخازن آن است كه حجم تغذیه آب نسبت به دمای منشأ حرارتی مخزن كم بوده و به محض اینكه مخزن، آب دریافت می‌كند قسمت اعظم آن تبدیل به بخار می‌شود. مخازن با بخار بالنده همیشه دارای سنگ پوششی مناسبی هستند. تعداد این‌گونه مخازن با توجه به شرایط خاصی كه برای تشكیل این‌گونه مخازن وجود دارد انگشت‌شمار بوده كه از آن میان، شمار معدودی مورد بهره‌‌برداری قرارگرفته‌اند. مخازن بخار خشك زمین‌گرمایی كه در حال حاضر مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند. شامل میدان زمین‌گرمایی بیگ گیزر در كالیفرنیای آمریكا، لادرلو در ایتالیا و میدان زمین‌گرمایی ماتسوكاوا در ژاپن می‌باشند كه از بخارهای خشك حاصل از این میدان‌ها نیروی برق زیادی تولید می‌شود.

مخازن سنگ‌داغ خشك

   میدان‌های زمین‌گرمایی سنگ‌داغ خشك از جمله میدان‌هایی هستند كه با پیشرفت تكنولوژی و انجام تحقیقات فراوان در حال حاضر به عنوان یكی از منابع زمین‌گرمایی بالقوه و مستعد مطرح گردید‌ه‌اند. این‌گونه منابع زمین‌گرمایی از سنگ‌های متراكم داغ و فاقد تخلخل و تراوایی طبیعی تشكیل شده‌اند. در این مخازن به صورت مصنوعی و مكانیكی و با روش‌های آب‌شکنی و انفجار در بین دو چاه شكستگی و تراوایی مصنوعی به وجود می‌آورند سپس با تزریق آب به داخل شکستگی‌ها، آب تزریقی با دریافت حرارت از سنگ‌داغ به حالت آب داغ یا بخار آب درآمده و سپس استخراج می‌گردد. برای انجام این كار ابتدا دو حلقه چاه عمیق با فاصله نسبتاً نزدیك به یكدیگر و ژرفای بیشتر از 2 كیلومتر حفر می‌شود. پس از رسیدن به سنگ‌های داغ كه دارای درجه حرارت بیش از 200 درجه سانتی‌گراد می‌باشند از طریق آب‌شکنی و انفجار انتهای دو چاه توسط سیستمی از شکستگی‌ها به هم ارتباط داده می‌شود. سپس با تزریق آب به یكی از چاه‌ها، از چاه دیگر آب داغ یا بخار استخراج می‌گردد. در حال حاضر بهره‌برداری از این منابع در دست بررسی و مطالعه بوده و هنوز از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه نیست.

مخازن تحت فشار زمین

   در طی دوره رسوب‌گذاری در یك حوضه رسوبی، حجم عظیمی از مواد رسوبی آواری، آذرآواری، رسوبات شیمیایی و غیره در آن نهشته می‌شوند. با افزایش ضخامت رسوبات تدریجاً بستر حوضه شروع به فرونشینی نموده و با افزایش عمق رسوبات نهشته شده، درجه حرارت و فشار آن‌ها افزایش می‌یابد بدین ترتیب آب‌ها كه در ابتدا دارای تركیب شیمیایی مشابه با آب‌های حوضه رسوبی بودند با افزایش فشار و درجه حرارت از نظر شیمیایی تغییر كرده و به شورآبه‌هایی با درجه حرارت بالا تبدیل می‌شوند. همزمان با این دگرگونی‌ها مقادیر زیادی گاز متان و سولفید هیدروژن نیز ایجاد می‌شود كه خود عامل ازدیاد فشار است. دو عامل در تشكیل این‌گونه مخازن فوق‌العاده مؤثر هستند.

1. سنگ پوششی مناسب (رس یا شیل) كه با ضخامت قابل ملاحظه خود از نفوذ سیال و حرارت مخزن به خارج جلوگیری می‌كند.
2. ژرفای زیاد مخزن از سطح زمین كه این دو عامل به كمك هم باعث بالا رفتن حرارت به بیش از 200 درجه سانتی‌گراد می‌شوند.

قابل توجه اینكه برای استخراج و توسعه این نوع مخزن زمین‌گرمایی از نظر اقتصادی، شرکت‌های ذینفع، به مقدار تولید گاز متان همراه آن توجه زیادی دارند. به عبارت دیگر اقتصادی شناختن این‌گونه مخازن منوط به حجم قابل تولید گاز متان نیز است حوضه‌های رسوبی شناخته شده سراسر جهان، كه میادین تحت فشار زمین‌گرمایی را تشكیل داده‌اند بیش از 67 میدان هستند كه از آن تعداد 7 میدان در ایالات متحده آمریكا گزارش گردیده كه هنگام اكتشافات نفت و گاز شناخته شده‌اند و مهم‌ترین آن‌ها حوضه رسوبی سنوزوییك در خلیج مكزیك است. روند تغییرات شیب حرارتی در این ناحیه بر اساس ژرفای پایین‌تر از 2 كیلومتر در حدود 57 درجه سانتی‌گراد به ازای 1000 متر و در ژرفای بالاتر از 2 كیلومتر بالغ بر 29 درجه سانتی‌گراد در 1000 متر عمق است. بنابراین دمای سیال مخزن در ژرفای 4572 متر بیش از 260 درجه سانتی‌گراد برآورد شده است.

مخازن ماگمایی

   بر پایه رخدادهای زمین‌شناسی ماگما به اشكال گوناگون در اعماق مختلف و در قشر رویی زمین پدیدار می‌شود و در تحت شرایط مختلفی بهره‌گیری از حرارت ماگما امكان‌پذیر است. توده‌های ماگمایی به دلیل حرارت بالا از پتانسیل بالقوه حرارتی زیادی برخوردار هستند. چنانكه دانشوران و پژوهشگران آزمایشگاه سندیا موفق شدند با حفر چاه در نزدیكی دهانه آتش‌فشانی كیلا اورایكی جزیره هاوایی از توده ماگمایی كه كمتر از 22 سال از نفوذ آن به زیر طبقات زمین نگذشته است و هم‌اكنون نیز در حال خنك شدن است حرارت استخراج كنند. اگرچه تولید نیروی برق از مخازن ماگمایی به طور آزمایشی میسر گردیده است ولی هنوز تكنولوژی استفاده از انرژی ماگمایی در مرحله پژوهش و مطالعات قرار دارد. مشكلات و مسائل مهمی كه در مورد طرح استخراج نیرو از انرژی ماگمایی مطرح است عبارت‌اند از:

1. مشكلات و مسائل حفاری در سنگ‌های نیمه مذاب كه دمای آن‌ها بیشتر از 800 درجه سانتی‌گراد است.
2. نحوه آماده‌سازی فعالیت‌های تكتونیكی و همچنین فرونشینی سریع رسوبات در حوضه‌های رسوبی فعال اشاره كرد.

   واپاشی رادیواكتیو باعث تبدیل شدن بخشی از ماده به انرژی تشعشعی می‌شود كه این انرژی نیز به نوبه خود به انرژی حرارتی تبدیل می‌گردد. ایزوتوپ‌های رادیواكتیو طبیعی به میزان متفاوتی حرارت تولید می‌کنند، ولی بیشترین میزان توسط واپاشی سری ایزوتوپ‌های اورانیوم و توریوم كه در نهایت ایزوتوپ پتاسیم (K⁴⁰) را ایجاد می‌كنند، تولید می‌شود. در نتیجه می‌توان گفت كه تولید حرارت در سنگ‌ها توسط واکنش‌های رادیواكتیو و به تناسب مقدار اورانیوم، توریم و پتاسیم موجود در آن‌ها صورت می‌گیرد. سرد شدن توده‌های نفوذی تزریق شده به درون پوسته، غالباً به عنوان یك منبع تولید حرارت برای سیستم‌های زمین‌گرمایی به شمار می‌رود. این توده‌ها كه غالباً حرارتی بین 700 تا 1200 درجه سانتی‌گراد دارند، با ایجاد سیستم‌های چرخشی و یا هدایتی در درون پوسته زمین حرارت نواحی مجاور خود را به میزان قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌دهند. به طور كلی فعالیت‌های مرتبط با قرارگیری توده‌های ماگمایی در مقیاس جهانی از فرضیه جدا شدن قاره‌ها و عملكرد صفحه‌های تكتونیكی تبعیت می‌نماید.