Geoterminen voimala - kallioperän tutkimus
-
Kallioperän tutkimuksia syvältä kalliosta voidaan ja tulee tehdä maanpinnalta erilaisin luotauksin sekä syvistä tutkimusrei'istä reikätutkimuksin. Tutkimuksin hankitaan tietoa voimalan kohdesyvyyden kallion geologisista olosuhteista ja rakenteellisista ominaisuuksista. Yhtenä tutkimusmenetelmistä on myös seismisten asemien verkosto. Tutkimusten perusteella laaditaan kohteesta geologinen ja rakenteellinen malli, joka toimii voimalan maanalaisten poranreikien asemoinnin, teknisen toimivuuden, repeyttämisen suunnittelun sekä ympäristöturvallisuuden arvioinnin ja seurannan kulmakivenä. Jos kallioperän ennakkotutkimukset ovat puutteelliset, jäävät voimalan kehittämisen ja toiminnan riskit suuriksi.
-
Geologiset ja hydrologiset ennakkotutkimukset ovat oleellisen tärkeitä
voimalan suunnittelu- ja kehitysvaiheessa. Kallion tutkimusmenetelminä
ovat:
- Syvät kalliokairaukset ja rei'issä tehtävät kartoitukset,
näytetutkimukset ja geofysikaaliset sekä hydrologiset mittaukset,
- Seismiset heijastusluotaukset
maanpinnalta tai kallion tutkimusreikiä hyödyntäen (nk. Vertical Seismic
Profiling),
- Alueelliset gravimetriset mittaukset kallion yleisrakenteen ja
kivilajivaihtelun selvittämiseen,
- Magnetotelluuriset (sähkömagneettiset)
luotaukset kallion rakenteelliseen kartoittamiseen,
- Seisminen
asemaverkosto ja monitorointi,
- Alueellinen rakennegeologinen kartoitus ja analyysi.
Kallioperän rakenteellinen tutkimus usean kilometrin syvyydestä
korkealla tarkkuudella ei ole yksinkertaista ja saatava tieto on sitä
yleispiirteisempää mitä suuremmasta syvyydestä on kysymys. On mm. erittäin
vähän poranrei'issä tehtäviin mittauksiin sopivia antureita, joita voidaan
käyttää yli 5 km syvyydessä. Jännitystilan mittaukseen käytetään havaintoja
poranreiän seinämistä (akustiset ja sähköiset skannerit), hydraulisia
alkuvaiheen testejä ja rakojen avautumispainetta mittaavaa leak-off -testiä.
Geologisen deformaatiohistorian analysoinnilla voidaan päätellä yleispiirteisesti
laajemman kohdealueen rakennetta ja kehitysvaiheita.
Maanpinnalta tehtävien seismisten ja sähkömagneettisten luotaukset antavat kuvaa
kohdesyvyyden fysikaalisista ominaisuuksista ja rajapinnoista. Luotausten tarkkuus
heikentyy syvyyden kasvaessa, koska korkeimmat erotuskykyisimmät taajuudet vaimentuvat
ja niiden tunkeutumissyvyys kallioon häviää. Matalammat taajuudet havaitsevat kuitenkin
suurempia muutosrajapintoja. Rajoituksena on myös, että havaittavat rakenteet ovat
useimmiten vaaka-asentoisia tai loivia asennoltaan. Erilaisia syväkallion
tutkimusmenetelmillä saatavia tuloksia on koottu kuvaan 1 kertomaan
tutkimustiedosta, mistä kalliomalli koostetaan. Kuvassa 2 on esitetty syväb reiän seinämästä
akustisella kuvantamisella saatu kuva mistä havaitaan rakoja, porauksesta aiheutuneita seinämän
piirteitä sekä jännitystilasta aiheutuvaa reiän seinämän muodonmuutosta.
Mikroseismisellä asemaverkostolla voidaan voimalapaikan tutkimus- ja rakennusvaiheissa pyrkiä
selvittämään syväkallion rakenteita. Jos geofonit tai kiihtyvyysanturit ovat
herkkiä, asemaverkosto kattava ja ympäristön häiriötaso matala, voidaan pienistä
luonnotilaisista seismisistä järistyksistä saada sijaintihavaintoja, jotka
voivat kertoa kallion heikkousvyöhykkeistä (,joihin veden virtausreitit yritetään
muodostaa). Rekisteröintiasemien sijainti syvemmällä kalliossa parantaa
herkkyyttä ja pienentää maanpinnalta kulkeutuvia häiriöitä. Täryaaltojen
lähteinä voidaan käyttää myös omia aaltolähteitä tai rakennusräjäytyksiä ja
analysoida saatuja heijastuksia kuten seismisissä luotauksissa.
Vaikka geotermisen voimalan kallioperän ennakkotutkimukset olisi tehty kattavasti ja hyvin, jää
voimalan kehittämiselle ja toiminnallisiin edellytyksiin silti riskejä osin tuntemattoman
geologian vuoksi. Mikäli tutkimuksia ei ole tehty tai ne ovat puutteelliset, ovat
riskit ympäristövaikutuksille, rakentamiselle ja toiminnalle suuria.
Kuva 1.
Gravimetrisen kartoituksen, sähkömagnettisen syväluotauksen ja seismisen
heijastusluotauksen tulosesimerkit. 
Kuva 2. Syvän
poranreiän seinämän akustinen kuva (paineistuksessa syntynyt rako (=natural
fracture, muodonmuutos = breakout).
Tulokset kootaan malliin, jossa esitetään eri yksiköiden tilavuudet,
rako- ja ruhjerakenteiden geometriat ja näille mitatut tai tulkitut parametrit
vaihteluväleineen. Näiden pohjalta laaditaan kallioperästä ja erityisesti
kohdesyvyydestä rakenteellinen malli, joka toimii suunnittelun ja rakentamisen
perustana sekä ympäristövaikutusten arvioinnin keskeisenä lähtöaineistona. Tämän
mallin oleellisia osia ovat kivilajiyksiköt, rakoilu kokonaisuutena ja
erilaisten rako-, ruhje- ja siirrosyöhykkeiden sijainnit, geometriat, yhteydet ja
jatkuvuudet sekä mitatut tai tulkitut hydrauliset, mekaaniset ja lämpötekniset
parametrit. Erityisen tärkeitä ovat pystyt ja pääjännityskentän suuntaiset rako-
ja ruhjevyöhykkeet, koska näitä voidaan ylipaineistuksella helpoiten avartaa.
Tieto eri kivilajeista voi olla tärkeää, silloin kun niiden em. ominaisuudet
poikkeavat toisistaan merkitsevästi.
Myös vaihtoehtoisia rakenteellisia ratkaisuja käsitellään usein, koska maan
tutkimustulokset eivät useimmiten ole
yksikäsitteisiä. Geologisen ja rakenteellisen mallin puuttuminen tai tietojen
yleispiirteisyys lisää voimalan kehittämisen ympäristöriskejä ja tulee huomioida
riskien arvioinnissa.
Esimerkki yksinkertaisesta kallion rakennemallista on kuvassa 3, missä on
esitetty vaakasuuntaisia sedimenttikerroksia, niitä leikkaavia pystyjä siirroksia pintoina,
voimalan poranreikiä (ohuet punaiset viivat) ja syvältä rei'istä tulkittuja siirroksia (pun.
ympyrälevyt kuvan alaosassa).
Kuva 3.
Esimerkki kallion rakennemallista, Ranska Soultz-sous-Forêts voimalan alue.
Viitteet:
Kuva 2, Basel-selvitys, SERIANEX-raportti AP 2000, Figure/Kuva 8.
Kuva 3, Genter ja muut, How a better characterisation of a deep crystalline
reservior can contribute to improve EGS performance at Soultz, 2007.
Verkkosivu julkaistu 17.11.2016, sivua päivitetty 27.2.2019.
Palaa erikoissivuston
aloitussivulle
