Kiteisen suomalaisen kallioperän perusominaisuudet
-
Suomalainen kallioperä koostu pääosin hyvin vanhoista kivilajeista - kuten graniitti ja gneissit. Luontainen maanjäristysaktiivisuus on Suomessa hyvin matalaa, koska maamme sijaitsee kaukana seismisesti aktiivisista mannerlaattojen reunoista. Kallio on lohkorakenteista, missä sen harvaan rakoillutta tiivistä perusmasssaa halkovat eri kokoiset ja tyyppiset rako- ja ruhjevyöhykkeet. Kallion huokoisuus on hyvin pientä ja samaten myös sen vedenjohtavuus. Kallion jännitystila kasvaa syvyyden suhteen, lämpötila nousee 15 - 20 °C/km ja vesi on tyypillisesti syvällä kalliossa hyvin suolaista. Kallion mekaaniset, lämpötekniset ja hydrologiset ominaisuudet ovat keskeisiä geotermisen voimalan sijoittelulle ja sen paikkakohtaisen soveltuvuuden sekä ympäristöturvallisuuden arvioinnille.
-
Kiteinen ja usein metamorfoitunut (sulanut ja muuttunut) kallio koostuu Suomessa pääosin vanhoista Prekambrisista
graniiteista, gneisseistä, liuskeista ja muista syväkivilajeista. Kallioperä on käynyt läpi monivaiheisen deformaation
mikä ilmenee usein sen monimutkaisena poimuttumisena ja eri ikäkausina tapahtuneena hauraana ja plastisena deformaationa.
Kallioon on syntynyt myös halkeamia, jotka ovat rakoja, rakovyöhykkeitä, ruhjeita (siirroksia), jotka muodostavat eri
mittakaavoissa (metreistä kymmeniin kilometreihin) toistuvan ja havaittavan lohkomaisen rakenteen.
Kiteinen kallio on tiivistä ja sen luontainen huokoisuus on hyvin pientä (alle 0.5 %). Siten pohjavesi virtaa edellä
mainituissa raoissa, vyöhykkeissä ja ruhjeissa. Siten kallioperämme poikkeaa sedimenttikivistä, joissa huokoisuus
on suurta (kymmeniä prosentteja) ja mahdollistaa veden (ja öljyn ja kaasun) virtauksen jo vallitsevassa luonnontilassa.
Kivilajien tyypillinen tiheys on n. 2600 - 2800 kg/m3 (kilogrammaa per kuutiometri) ja korkeampi kuin huokoisilla
sedimenttikivillä.
Kiteisen kallion puristus- ja vetomurtolujuudet, Youngin moduli, Poisson luku sekä kallion kitkakerroin ovat tärkeitä
lähtöarvoja kallion murtamiselle ja mekaaniselle käyttäytymiselle. Näitä on erittäin vaikeita arvioida suurille
syvyyksille, koska kivinäytteitä mitataan vain laboratorio-oloissa ja näytteet ovat pieniä verrattuna suureen
kalliomassaan.
Kiteisen kallion vedenjohtavuus on tyypillisesti pientä sen tiiviydestä johtuen. Tyypillisiä arvoja ovat 1E-06 -
1E-08 m/s (metriä per sekunti) ja syvällä yli kilometrissa 1E-10 m/s ja tämänkin alle. Noin 5-6 km syvyydestä on mitattu kalliosta
vedenjohtavuuksia 1E-11 - 1E-12 m/s (viite: SKB 1998). Vedenjohtavuus pienentyy sekä ehjässä kalliossa
että rakorakenteissa syvyyden kasvaessa, koska kallion jännitystila kokonaisuutena kasvaa syvyyden kasvaessa.
Kallion jännitystila on erityisen tärkeä ominaisuus geotermisen voimalan rakentamiselle. Jännitystila kasvaa
syvyyden kasvaessa. Yleinen trendi syvissä rei'issä on ollut suurimmalle pääjännityskomponentille SH:
Yläraja: 6.5 MPa + 0.0374 MPa/m, alaraja: 0.025 MPa/m, (MPa = megaPascal)
Pienemmälle horisontaaliselle pääjännityskomponentille Sh:
Yläraja: 2.5 MPa + 0.0255 MPa/m, alaraja: 0.0167 MPa/m,
ja vertikaaliselle komponentille SV (litostaattinen paine = päällä olevan kallion paino) 0.027 MPa/m.
Keskimääräiset jännitystilan arvot esimerkiksi 5 km syvyydessä ovat ym. arvoilla SH = 160 MPa,
Sh = 108 MPa ja SV = 135 MPa (1 MPa = 10 bar).
Yleisesti vesi on kilometrista alaspäin hyvin suolaista (yli 100 g/l, brine), joka osoittaa sen liikkumattomuutta ja
irrallisuutta maanpinnan läheisestä pohjaveden virtauksesta. Poranreiän vedessä vallitsee hydrostaattinen paine,
jonka suuruus on syvyys * 0.010 MPa/m (arvo on vähäsuolaiselle vedelle). Yli 5 km syvyydessä hydrostaattinen paine
on yli 50 MPa.
Lämpötilan nousu on Suomessa tyypillisesti 15 - 20 °C/km ja aiheutuu osin maan vaipasta ja ytimestä johtuvasta
lämmöstä sekä osin kiven radioaktiivisten aineiden hajoamisesta johtuvasta lämmöntuotosta.
Lämpötila ja sen kasvu ovat tärkeät perustekijät geotermisen voimalan toiminnalle. Myös kiven lämmönjohtavuus voi vaihdella
riippuen sen mineraalikoostumuksesta (mm. kvartsipitoisuus), tyypilliset arvot ovat välillä 2.5 - 4 W/m*K. Muita tärkeitä
parametreja ovat kiven lämmön diffusiviteetti ja ominaislämpökapasiteetti.
Kallioperä on Suomessa vakaata, koska sijaintimme on kaukana suurten mannerlaattojen reunoilta. Siten voimakkaasti liikkuvia
ja seismisesti aktiivisia rakenteita ei esiinny. Kallion lohkomaisen rakenteen suuremmat vyöhykkeet toimivat
liikuntojen varoventtiileinä. Havaitut kallioliikunnat ja seismiset tapahtumat liittyvät pääosin jääkauden jälkeiseen
maannousuun ja kalliomassan hitaaseen palautumiseen jääkuormituksen hävittyä. Suurimman pääjännityskentän suunta on
Etelä-Suomessa usein itä-länsi tai luode-kaakkoinen, mutta se voi vaihdella paikallisesti.
Rakennegeologiset, kalliomekaaniset, lämpötekniset ja hydrologiset tutkimukset ovat keskeisiä voimalan
sijoittelulle ja sen paikkakohtaisen soveltuvuuden sekä ympäristöturvallisuuden arviointiin.
Tietojen hankintaa selostettu kallioperän tutkimukset sivulla.
Viite: SKB, 1998, Technical Report 98-05, The Very Deep Hole Concept - Geoscientific appraisal of conditions
at great depth.
Palaa erikoissivuston aloitussivulle
