Kallion repeyttämisen maanjäristysriski
-
Kallion rakoja ja uusia railoja avataan ylipaineistamalla poranreiästä pitkä osuus. Paineistuksen kesto on päivistä viikkoihin. Maanjäristykset syntyvät avautuvan railon pinta-alasta ja kallion jännitystilan muutoksessa vapautuvasta energiasta. Mitä suurempia nämä ovat, sitä suuremmat järistykset. Lisäksi kallion railot voivat kytkeytyä jo olemassaoleviin kallion ruhjevyöhykkeisiin, mikä kasvattaa järistysten voimakkuutta. Kallioperästä saadun tiedon taso ja kattavuus vaikuttaa maanjäristysriskin analysoinnin tarkkuuteen ja epävarmuuksiin päätelmissä. Kallioon pumpattu ja siellä tuotannossa kiertävä vesimäärä korreloi selvästi aiheutuneiden järistysten suuruuden kanssa. Kallion avautumisia seurataan mikroseismisten asemien seurannalla. Sallittujen järistysten suuruudelle tulee olla riittävän matalat varorajat, koska rajan ylittyessä edellistä suurempia järistyksiä voi syntyä vielä pitkään korjaavien toimenpiteiden aikana. Geotermiseen voimalaan liittyvät maanjäristykset myös sen toiminnan aikana, tästä on runsaasti esimerkkejä toimivien voimaloiden osalta.
-
Merkittävin ympäristöriski geotermisessä EGS-tyypin voimalassa on kallion
murtamisen ja repeyttämisen aiheuttamat maanjäristyksen riskit. Riski esiintyy
sekä kehitysvaiheen (nk. stimulointi) että varsinaisen toiminnan aikana ja se on
väistämätön osa voimalan rakentamista ja toimintaa. Riskin määritelmään kuuluu
vahingollisen tapahtuman todennäköisyyden ja seurausten yhdistelmä ja
analysointi on todennäköisyyksiin perustuvaa. Seurausten osalta voimalan
sijainti on vaikuttava tekijä, koska sen myötä määrittyy vaikutuspiirissä olevat
ihmiset, rakennukset ja muu infra sekä yhteiskunnallinen toiminta.
Syntyvät maanjäristykset ja niiden riskien analysointi jaetaan kahteen
ryhmään: indusoitu seismisyys ja liipaistu (triggered) seismisyys.
Indusoidulla seismisyydellä tarkoitetaan keskimääräisessä kalliomassassa
rakoineen ja vyöhykkeineen tapahtuvia maanjäristyksiä. Liipaistulla
seismisyydellä tarkoitetaan tilannetta, jossa paineistus/repeytys kytkeytyy jo
olemassaolevaan merkittävään kallion heikkousvyöhykkeeseen. Tällaisella
rakenteella on suuri pinta-ala ja siinä voi olla kallioliikunnoista johtuvaa
esijännitystä. Luonnolliset maanjäristykset aiheutuvat liikunnoista ja energian
vapautumisesta juuri näistä vyöhykkeistä ja voimakkaiden maanjäristysten esiintyminen
keskittyy kallioliikuntojen osalta aktiivisille maapallon alueille.
Maanjäristys aiheutuu kallioon avautuvasta railosta ja avautumisen
yhteydessä vapautuvasta paineesta. Tärkeimmät avaintekijät ovat railon koko (sen
pinta-ala) ja vapautuvan paineen suuruus. Pääsääntöisesti avaumat syntyvät
pääjännityskentän suuntaan ja pystyasentoisiksi, mutta geologia vaikuttaa ja
paikallista vaihtelua esiintyy. Indusoiduissa maanjäristyksissä niiden
suuruus on laskettavissa avaumien pinta-aloista ja tyypillisistä
painemuutoksista. Liipaistujen järistysten arviointi on huomattavasti vaikeampaa
ja edellyttää geologista rakennemallia ja yksityiskohtaista tutkimustietoa.
Kalliomekaanista laskentaa voidaan tehdä sekä analyyttisin että numeerisin
mallein. Yksityiskohtaisen tiedon puuttuessa on normaali menettely, että
laskennat ja riskianalyysit tehdään konservatiivisin (varovaisin ja epäedullisin)
lähtöarvoin.
Seismisten tapahtumien osalta on tärkeää tiedostaa, että kallion
ylipaineistus/repeytys on karkea brute force -menetelmä. Paineistettava reikäväli
on valittu ja paineistuksessa voidaan säätää ylipaineen suuruutta ja kestoa.
Kallioon virtaava vesimäärä on seurausta ylipaineesta. Tyypillinen
paineistusohjelma sisältää päivistä-viikkoihin kestävää paineistusta, yleensä
kasvavin painein. Painevaihtelua ja pumpattua vesimäärää mitataan sekä
järistysten suuruuksia ja sijaintia monitoroidaan mikroseismisillä
monitorointiasemilla. Näistä tiedoista muodostetaan kuva vedelle raivatuista
virtausreiteistä. Kuvassa 1 on esitetty paineistusohjelmaa Soultz-sous-Forêts
voimalan GPK1 reiästä ja kuvassa 2 havaittuja mikroseismisiä tapahtumia ja
niiden kytkeytymistä kallion siirrosvyöhykkeisiin. 
Kuva 1.
Esimerkki paineistusohjelmasta poranreiässä GPK1, yläkuvassa paineistus (MPa),
alakuvassa virtaama (l/s), kokonaisvirtaama 25000 m3, vaaka-akselina on
ylipaineistuksen kesto noin 3 viikkoa. 
Kuva 2.
Esimerkki havaituista mikromaanjäristysten sijainneista paineistuksen alkuaikana
poranreiässä GPK1 (mustat pisteet). Kuva b) on vaakatasossa esitys avautumien
etenemisestä rakoja (fractures) pitkin ja kulusta pitkin siirroksia (faults).
Kuvassa näkyy myös kuinka avaumat syntyvät pääjännityssuuntaan SH, mitä virtaus
pitkin siirroksia paikallisesti muuttaa. Kuvassa d) näkyy seismisten tapahtumien
sijaintien pystyasentoinen jakauma katsottuna niiden etenemissuuntaa pitkin.
Indusoiduista järistyksistä suurin osa on
hyvin pieniä, koska kallio avautuu vähitellen ja pinta-alat sekä vapautuvat
energiat ovat pieniä. Suurempia tapahtumia on vähemmän ja suuria esiintyy
harvoin. Repeytysprosessi on sattumanvaraisesti etenevä ja riskit suuremmista
maanjäristyksistä liittyvät tähän. Suuria pintoja voi revetä kerralla ja
kytkeytyä toisiinsa. Varotoimenpiteenä käytetään eri suuruisten havaittujen
järistysten turvarajoja, joiden pohjalta ylipaineistusta kasvatetaan,
ylläpidetään tai se puretaan.
Järistyksen voimakkuus ilmoitetaan yleensä logaritmisella Richterin asteikolla
(ML) ja arvo tulkitaan mittausdatasta. Tarkemmin Richterin ja muista mittausasteikoista
löytyy tietoa esimerkiksi Wikipediasta. Yleensä alle arvon 2 järistyksiä ei ihminen
havaitse, arvolla 3 ne havaitaan ja vahinkoja ei juuri synny. Vahingot kasvavat
luokista 4 ylöspäin. Maanjäristys pienentyy etäisyyden kasvaessa sen sijaintipaikasta.
Seismiset aallot vaimenevat myös voimakkaammin edetessään maaperässä ja sedimenttikivissä
kuin kiteisessä kiinteässä kalliossa. Rakennusten ja vaurioiden kannalta on
maanjäristyksen intensiteetti (energia pinta-alan läpi aikayksikössä) keskeinen
tekijä ja mittaussuureena maanpinnan liikenopeus.
Liipaistujen maanjäristysten laskennassa yhdistyy indusoidun railon ja
olemassa olevan liikuntasauman pinta-alat ja näistä vapautuvat energiat.
Syntyvän järistyksen suuruus on silloin aina suurempia kuin pelkästään indusoidulle railolle.
Yksi kaava, jolla keskimääräistä suurinta maanjäristystä voidaan laskea on:
ML =
c1*log(A)+0.667*c1*log(2.28*d(sigma)/pii) - 4.0*c1 + c2
missä A =
suurimman railon/rakotason pinta-ala, m2
d(sigma) = vapautuva jännitys
(yleensä välillä 1 - 10), MPa
pii =
3.14,
c1 = kerroin välillä 1.4 - 1.6,
c2 = kerroin välillä 0.1 -
0.9
Esimerkkiarvot A = 1000 000 m2 (=1 km2), d(sigma) = 1.0 MPa, c1 = 1.5
ja c2 = 0.5 antavat suurimmaksi keskimääräiseksi järistykseksi ML = 2.4. Eri
kohteita analysoitaessa on havaittu, että havaittu ja aiheutunut suurin ML arvo
on vaihdellut noin ±1 yksikköä keskimääräisestä, mikä kertoo kallion mekaaniseen
käyttäytymiseen liittyvistä vaihteluista ja epävarmuuksista (SERIANEX, raportti AP 3000).
Kallioon pumpattu ja siellä kiertävä vesimäärä korreloi selvästi aiheutuneiden
järistysten suuruuden kanssa. Tämä on ymmärrettävää, koska vedelle raivattava
tilavuus on sama kuin
avattujen railojen pinta-ala kertaa niiden avauma. Mitä suurempi pinta-ala sitä
suuremmat järistykset ja mitä suuremmat avaumat, sitä paremmin ja enemmän avatut pinnat
voivat liikkua toisiinsa nähden. Keskimäärin pumpatut vesimäärät ovat olleet
13000 - 65000 kuutiometriä (virtaamalla 10 - 70 kg/s) per poranreikä
(Argonne Natl. Lab., 2011). Tyypilliset repeyttämisessä käytetyt korkeimmat ylipaineet
ovat olleet 100 - 300 baria (10 - 30 MPa) ja tarvittava ylipaine riippuu vallitsevasta jännitystilasta.
Repeyttämisen riskien hallintaan
liittyy vielä yksi tärkeä tekijä - Kaiser-efekti. Vaikka turvarajan ylittyessä
ylipaineistus purettaisiin, jatkaa paineaalto leviämistään kalliossa. Tälle
ilmiölle ei ole tehtävissä mitään vaan se on osa väliaineessa ajan suhteen
tapahtuvaa fysikaalista prosessia. Suurin railo voi aueta ja suurin järistys
tapahtua korjaavien toimenpiteiden jälkeen ja näin on tapahtunutkin (kts.
Baselin tapaus verkkosivu).
Voimalan tuotantoreikien välille aikaansaatua virtauskenttää ylläpidetään
tuotannon aikana toiseen reikään suurella
ylipaineella pumpatulla vedellä ja toisesta reiästä ylös voimalaan pumppaamalla.
Vaikka tilanteen pitäisi olla tuotantovaiheessa melko vakaa, ovat monissa
voimaloissa suurimmat maanjäristykset liittyneet voimalan käyttöön. Tämä on
riskien osalta toteutumisen todennäköisyyttä kasvattava asia, koska voimalan
käyttövaihe on pitkä (vuosikymmeniä) verrattuna sen kestoltaan lyhyeen kehittämisvaiheeseen. Eli
kiteisen kallioperän geovoimalaan kuuluvat maanjäristykset myös sen toiminnan aikana.
Viitteet ja linkit:
- Kuvat 1 ja 2, Reinhard Jung, Application and potential of hydraulic-fracturing
for geothermal energy production. Swiss Bulletin for Applied Geology 19/2, s. 19-37, 2014.
- Argonne Natl. Lab., Raportti Water Use in the Development and Operation of
Geothermal Power Plants, AN/EVS/R-10/5, 74 s., 2011.
- SERIANEX-ryhmä, raportti AP 3000 - Induced Seismicity, 2009.
Wikipedia, Maanjäristys-verkkosivu
Palaa erikoissivuston aloitussivulle
