ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΗΠΙΕΣ ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΑΛΕΞΗ ΙΙ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤHN ΕΡΕΥΝΑ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΑΠΟ Δρ. Α. ΤΖΑΝΗ ΕΠΙΚΟΥΡΟ ΚΑΘΗΓΗΤΗ ΓΕΩΦΥΣΙΚΗΣ 1
ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΗ Ι Σκοπός και στόχος της εφαρμοσμένης έρευνας γεωθερμικών συστημάτων είναι η ανίχνευση και εντοπισμός συγκεντρώσεων θερμότητας σε περιοχές προσπελάσιμες και αξιοποιήσιμες με τα σημερινά τεχνικά μέσα. Αντικείμενα των γεωθερμικών διασκοπήσεων είναι: I. Ο εντοπισμός γεωθερμικών φαινομένων και πεδίων. II. Η αξιολόγηση της δυνατότητας αξιοποίησης των πεδίων, 1. με εκτίμηση της ποσότητας και μεγέθους των επιφανειακών εκφορτίσεων των γεωθερμικών ρευστών 2. με εκτίμηση της θερμοκρασίας της πηγής θερμότητας. III. Η εκτίμηση του μεγέθους των συστημάτων. IV. Ο προσδιορισμός της ακριβούς φύσης των συστημάτων και πεδίων (π.χ. ξηρού ατμού, υγρού ατμού, διφασικά, ΘΞΠ κ.λ.π.)..). V. Ο εντοπισμός παραγωγικών ζωνών. VI. Ο προσδιορισμός της ενθαλπίας των ρευστών που θα παράγονται από τις γεωτρήσεις. VII. Η δημιουργία τράπεζας πληροφοριών που θα χρησιμεύσει σε μελλοντική παρακολούθηση της απόκρισης του πεδίου στην εκμετάλλευση. VIII.Η εκτίμηση και αξιολόγηση της πιθανής επιβάρυνσης του περιβάλλοντος από την εκμετάλλευση IX. Η απόκτηση γνώσεων σχετικών με τοπικές ιδιαιτερότητες που πιθανόν να δυσκολέψουν την ανάπτυξη και εκμετάλλευση (π.χ. χαμηλό ph, πιθανότητα κατολισθήσεων ή επαγόμενης 2 σεισμικότητας, περιεκτικότητα σε οξειδωτικά αέρια κ.ά.)..).
ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΗ ΙΙ Οι ερευνητικές εργασίες πρέπει να σχεδιασθούν ούτως, ώστε να είναι κατάλληλες για το προς μελέτη σύστημα. Η σχετική σπουδαιότητα και προτεραιότητα κάθε αντικειμένου θα εξαρτηθεί από έναν αριθμό παραμέτρων που επηρεάζουν ολόκληρο το ερευνητικό πρόγραμμα. Παραδειγματα: (α) Ο προκαταρκτικός εντοπισμός γεωθερμικών φαινομένων αποκτά πολύ μεγαλύτερη σημασία σε μακρυνές ή ανεξερεύνητες περιοχές παρά σε μία ευπροσπέλαστη ή κατοικημένη ή τουριστική περιοχή. (β) Η εκτίμηση του μεγέθους της γεωθερμικής πηγής έχει μικρή σημασία όταν αυτή πρόκειται να αξιοποιηθεί για εφαρμογές μικρής κλίμακος (π.χ. τοπική θέρμανση θερμοκηπίων), οι οποίες ενέργεια λιγότερη από όση εκφορτίζεται με φυσικό τρόπο. (γ) Εάν η θερμική ενέργεια πρόκειται να χρησιμοποιηθεί για περιφερειακή θέρμανση, οπότε δεν απαιτούνται υψηλές θερμοκρασίες, η απαίτηση εντοπισμού ρευστών υψηλής ενθαλπίας είναι άστοχη. Ο προσδιορισμός της ακριβούς φύσης του πεδίου αποτελεί καθοριστικό παράγοντα του περαιτέρω σχεδιασμού και εκμετάλλευσης. Οι αναπόφευκτοι περιορισμοί χρηματοδότησης και προσωπικού, συνήθως επιβάλλουν λήψη απόφασης για: 1. Κάλυψη ευρέων εκτάσεων με φθηνές τεχνικές έρευνας, ή, 2. Συγκέντρωση των προσπαθειών σε μία μικρή περιοχή. Η απάντηση στο δίλημμα αυτό συνήθως υπαγορεύεται από τις ιδιαιτερότητες του πεδίου, αλλά γενικά η πρώτη λύση είναι αποδοτικότερη. 3
ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΗ ΙΙΙ Η τοπογραφία της διερευνητέας περιοχής θέτει περιορισμούς, ως προς το πλήθος των τόπων όπου είναι δυνατή η παρατήρηση, δειγματοληψία ή μέτρηση επηρεάζει την επιλογή των εφαρμοστέων μεθοδολογιών. επιδρά στην ερμηνεία των γεωφυσικών δεδομένων, αν και για τις περισσότερες γεωφυσικές μεθόδους υπάρχει δυνατότητα σχετικών διορθώσεων. τραχύ ανάγλυφο και περιορισμένη προσβασιμότητα αποτρέπουν την χρήση ορισμένων τεχνικών που απαιτούν χώρο για ανάπτυξη πηγών και αισθητήρων. Το κλίμα μπορεί να περιορίσει τον διαθέσιμο για εργασίες χρόνο, ή και να καθορίσει την εποχή πραγματοποίησής τους. Υπάρχουν μέθοδοι έρευνας (π.χ. ορισμένες γεωχημικές) που επηρεάζονται απαγορευτικώς από τις κλιματικές συνθήκες συγκεκριμένων εποχών, ενώ και αρκετές γεωφυσικές δεν αποδίδουν τα αναμενόμενα σε συγκεκριμένες καιρικές συνθήκες. Η διαθεσιμότητα, εμπειρία και κατάρτισή του προσωπικού είναι ιδιαζόντως σημαντικός παράγων σχεδιασμού, ιδίως όταν η έρευνα αυτό ανατίθεται σε μονομερώς ειδικευμένους φορείς ή εταιρείες. Εάν ο υπεύθυνος φορέας δεν διαθέτει την απαραίτητη τεχνογνωσία αξιολόγησης των αποτελεσμάτων των υπεργολάβων δυνατόν να οδηγηθεί σε πανάκριβα λάθη. Ο υπεύθυνος της έρευνας οφείλει προσεκτική ανάλυση των αντικειμενικών σκοπών και στάθμιση μαζί με αρκετούς άλλους ειδικότερους παράγοντες, ώστε να επιτυγχάνονται βέλτιστα αποτελέσματα. Υπεράνω όλων, πρέπει να κατανοείται το ότι η στρατηγική έρευνας που θα επιλεγεί πρέπει να έχει στόχο την εύρεση θερμότητας σε προσπελάσιμη και χρησιμοποιήσιμη μορφή. 4
ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ Τα χαρακτηριστικά των γεωθερμικών συστημάτων που αποτελούν αντικείμενο έρευνας είναι κυρίως υδρολογικά φαινόμενα που εξαρτώνται από την πηγή θερμότητας, από την φύση του ενδιαμέσου ρευστού και από την υδροδιαπερατή διαδρομή μέσω της οποίας κυκλοφορεί. Οι μέθοδοι έρευνας θα πρέπει να ανιχνεύουν, αμέσως ή εμμέσως, την παρουσία ανωμάλως υψηλών θερμοκρασιών, υπογείων ρευστών και μεταβολών υδραυλικής διαπερατότητας. ΟιΟι μέθοδοι που ανιχνεύουν υψηλές θερμοκρασίες και υπόγεια ρευστά επιβεβαιώνουν την ύπαρξη γεωθερμικού συστήματος και πεδίου και παρέχουν ενδείξεις περί του μεγέθους του. Τα γεωθερμικά ρευστά δυνατόν να συσσωρεύονται σε πετρώματα υψηλού πορώδους αλλά χαμηλής διαπερατότητας: Κάθε προσπάθεια εκμετάλλευσής τους θα είναι δαπανηρή ή και αποτυχημένη εάν αυτά δυσκολεύονται να ρεύσουν προς τις γεωτρήσεις. ΟιΟι μέθοδοι που δύνανται να ανιχνεύουν διαπερατότητα, συμβάλλουν σημαντικότατα στον εντοπισμό των πλέον παραγωγικών τμημάτων του συστήματος και του πεδίου. Αυξανομένου του βάθους, αυξάνεται η λιθοστατική πίεση και ελαττώνεται η πιθανότητα ύπαρξης οριζοντίων διαπερατών οδών εντός των πετρωμάτων. Κυκλοφορία και μετανάστευση ρευστού δυνατή κυρίως μέσω κατακορύφων / υπο- κατακορύφων διαρρήξεων - η εκούσια απόκλιση των γεωτρήσεων από την κατακόρυφο βελτιώνει τις πιθανότητες διάτρησης τέτοιου αγωγού κυκλοφορίας. 5
ΓΕΩΧΗΜΕΙΑ ΓΕΩΘΕΡΜΟΜΕΤΡΙΑ Ι Στα πρώτα στάδια της διερεύνησης ενός γεωθερμικού πεδίου, η ανάλυση δειγμάτων ύδατος και αερίων από θερμά και ψυχρά επιφανειακά ύδατα, πηγές, και ατμίδες μπορεί να δώσει σημαντικές πληροφορίες για αρκετά χαρακτηριστικά του συστήματος, με αρκετά μικρό κόστος. Εκτίμηση των υπεδαφικών θερμοκρασιών, χωρίς δαπανηρές γεωτρήσεις. Συμπεράσματα περί του τύπου του συστήματος (π.χ. ατμού ή υγρό), της προέλευσης των ρευστών, του γεωλογικού και ορυκτολογικού περιβάλλοντος του συστήματος, Πρόβλεψη πιθανών προβλημάτων της διαδικασίας εκμετάλλευσης (π.χ. αποφράξεις ή διαβρώσεις των σωλήνων). Η ποιοτικές αυτές πληροφορίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως γνώμονας για τον περαιτέρω σχεδιασμό και ανάπτυξη των ερευνών. Για παράδειγμα, εάν ευρεθεί υψηλή συγκέντρωση χλωριούχων σε θερμοπηγές, αυτό σημαίνει την ύπαρξη υγρού συστήματος το οποίο αναγκαστικά θα εμφανίζει περιοχές χαμηλών ειδικών αντιστάσεων ανιχνεύσιμες με ηλεκτρικές / ηλεκτρομαγνητικές μεθόδους. 6
ΓΕΩΧΗΜΕΙΑ ΓΕΩΘΕΡΜΟΜΕΤΡΙΑ ΙΙ Οι μέγιστες υπεδαφικές θερμοκρασίες στις οποίες ευρέθησαν τα γεωθερμικά ρευστά «καταγράφονται» στις αναλογίες ιόντων και σταθερών ισοτόπων των διαλελυμένων υλικών, αλλά και του ίδιου του διαλύτη (νερού). Τα γεωχημικά και ισοτοπικά γεωθερμόμετρα βασίζονται στις παραδοχές ότι δύο στοιχεία, ή ισότοπα, ή ενώσεις, συνυπήρξαν σε κατάσταση χημικής ισορροπίας εντός του γεωθερμικού ταμιευτήρα, ότι η θερμοκρασία είναι ο κύριος παράγων ελέγχου του λόγου των συγκεντρώσεών τους και ότι η ισορροπία αυτή δεν διαταράχθηκε κατά την διάρκεια της ανόδου και εκφόρτισης του γεωθερμικού ρευστού. Κατιονικές σχέσεις: Οι συγκεντρώσεις των κατιόντων Na, Κ και Ca ελέγχονται από θερμοκρασιακά ελεγχόμενες αντιδράσεις ισορροπίας μεταξύ αστρίων, μαρμαρυγιών και ασβεστίτη. Έχουν προταθεί αρκετές διαφορετικές εμπειρικές σχέσεις της θερμοκρασίας συναρτήσει των λόγων των κατιονικών συγκεντρώσεων (σε ppm): Για παράδειγμα, (Fournier, 1979) Η αυξημένη διαλυτότητα του χαλαζία και των πολυμόρφων του σε αυξημένες θερμοκρασίες είναι δείκτης γεωθερμικών θερμοκρασιών. Έχει δειχθεί ότι σε συστήματα άνω των 180-190 C, η συγκέντρωση πυριτίου ελέγχεται από την ισορροπία με χαλαζία, ενώ σε χαμηλότερες θερμοκρασίες ελέγχουσα φάση φαίνεται ότι είναι ο χαλκηδόνιος. Η θερμοκρασία υπολογίζεται με εμπειρικές σχέσεις όπως η ανωτέρω. 7
Ισοτοπικά γεωθερμόμετρα : ΓΕΩΧΗΜΕΙΑ ΓΕΩΘΕΡΜΟΜΕΤΡΙΑ ΙΙΙ Η θερμοκρασιακή εξάρτηση των ισοτοπικών αναλογιών ορισμένων αριθμού ελαφρών στοιχείων προσφέρει μία πρόσθετη και αρκετά χρήσιμη ομάδα γεωθερμομέτρων. Ισοτοπικές αναλογίες που έχουν χρησιμοποιηθεί: Δ 18 Ο / Δ 16 Δ 34 S / Δ 32 Δ 13 C / Δ 12 16 Ο σε ανταλλαγές SO 2 4 - H 2 Ο 32 S σε ανταλλαγές SO 2 4 - H 2 S 12 C σε ανταλλαγές CO 2 - CH 4 Δ 2 H /Δ 1 H σε ανταλλαγές H 2 - H 2 O Η επιτυχία των ισοτοπικών γεωθερμομέτρων προϋποθέτει ισορροπίες που αποκαθίστανται στους ταμιευτήρες και διατηρούνται κατά την άνοδο του ρευστού προς την επιφάνεια. Η αποκατάσταση ισορροπίας είναι, σε μερικές περιπτώσεις τόσο αργή, ώστε πολλές φορές οι μετρήσεις να οφείλονται σε αντιδράσεις που έλαβαν χώρα επί μακρό διάστημα και σε βάθη μεγαλύτερα από τα έχοντα γεωθερμικό ενδιαφέρον. Σ αυτές τις περιπτώσεις οι εκτιμώμενες θερμοκρασίες εμφανίζονται ανωμάλως υψηλές. Οι μέθοδοι αυτές πρέπει να εφαρμόζονται προσεκτικά και να προλαμβάνονται οι πολλοί παράγοντες που δυνατόν να επηρεάσουν τα αποτελέσματα, λαμβάνονται 8
ΓΕΩΦΥΣΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΓΕΝΙΚΑ Τα γεωθερμικά συστήματα αποτελούν συνισταμένη πολλών γεωλογικών και υδρολογικών φαινομένων και είναι σπανιότατο αν όχι αδύνατο να επιτευχθεί ικανοποιητικός προσδιορισμός των παραμέτρων εκμετάλλευσής τους από μία ή λίγες μεθοδολογίες έρευνας. Η ερευνητική διαδικασία απαιτεί την συμβολή γεωλόγων, υδρολόγων, γεωχημικών, γεωφυσικών και τεχνολόγων γεωτρήσεων, καθένας από τους οποίους αναθεωρεί και επαναξιολογεί τα αποτελέσματά του, υπό το φως των ανακαλύψεων των άλλων. Αρμοδιότητα του γεωφυσικού είναι η αξιολόγηση της χρησιμότητας των διαφόρων διαθεσίμων μεθόδων διασκόπησης σε συνάρτηση με τις ειδικές τοπικές συνθήκες, οι οποίες δυνατόν να περιορίσουν την εφαρμοσιμότητα ορισμένων εξ αυτών. Όλες σχεδόν οι γνωστές γεωφυσικές τεχνικές διασκόπησης έχουν εφαρμοσθεί στην γεωφυσική έρευνα. Η αποτελεσματικότητα των γεωφυσικών μεθοδολογιών αυξάνεται θεαματικά, όταν η έρευνα επικεντρώνεται στον προσδιορισμό των φυσικών παραμέτρων που είναι ευαίσθητες, και ελέγχονται από μεταβολές της θερμοκρασίας. Για παράδειγμα, οι υψηλές συγκεντρώσεις γεωθερμικών ρευστών χαρακτηρίζονται από ανωμάλως χαμηλές ειδικές αντιστάσεις. Η ηλεκτρική και ηλεκτρομαγνητική διασκόπηση είναι απαραίτητη και αποτελεί τυπική πρακτική. 9
ΓΕΩΦΥΣΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΓΕΝΙΚΑ (συνέχεια) Οι θερμικές διεργασίες ενίοτε συνοδεύονται από φαινόμενα σεισμικής δραστηριότητας και αλλαγών των μαγνητικών ιδιοτήτων, πυκνότητας και σεισμικών ταχυτήτων, τα οποία δυνητικά αποτελούν δείκτες της παρουσίας γεωθερμικών συστημάτων. Οι παραδοσιακές γεωφυσικές μεθοδολογίες (σεισμικές, βαρυτομετρικές, μαγνητομετρικές), χρησιμοποιούνται κυρίως για να ανιχνεύουν και να προσδιορίζουν γεωλογικές δομές που μπορούν να χρησιμεύσουν ως ταμιευτήρες. ΟιΟι τεχνικές αυτές δεν έχουν την φυσική δυνατότητα να ανιχνεύουν την παρουσία γεωθερμικών ρευστών, ούτε να εντοπίζουν τον ίδιο τον ταμιευτήρα. Υπάρχει σημαντικό ενδιαφέρον για εκείνες τις μεθόδους που έχουν την δυνατότητα να ανιχνεύουν εντός γνωστών γεωθερμικών πεδίων, ζώνες υψηλής υδραυλικής διαπερατότητας, όπου και αναμένεται υψηλή παραγωγικότητα. Η συνεισφορά των παραδοσιακών μεθόδων επεκτείνεται και στο στάδιο της παραγωγής: Μικροσεισμικές μελέτες χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση της πιθανής επαγομένης σεισμικότητας λόγω της εκμετάλλευσης και για την παρακολούθηση. της υδραυλικής θραύσης σε ΘΞΠ. Μικροβαρυτικές τεχνικές χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση της ολικής απώλειας μάζας λόγω άντλησης ρευστών και την απόκριση των πεδίων στην εκμετάλλευση, συμπεριλαμβανομένων και των πιθανών τοπικών γεωδυναμικών ανισορροπιών που δυνατόν να προκύψουν από την εκμετάλλευση (κίνδυνος καθιζήσεων, κατολισθήσεων κ.λ.π.)..). 10
ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΡΟΗΣ Τα γεωθερμικά πεδία χαρακτηρίζονται από επιφανειακή θερμική ροή πολλαπλάσια της μέσης παγκοσμίου τιμής των 63mW/m². Σε γεωθερμικές εκδηλώσεις μεγάλης κλίμακας, αναμένονται τιμές μέχρι και αρκετές χιλιάδες φορές μεγαλύτερες της μέσης. Η θερμική ροή υπεράνω του 85% περίπου του γεωθερμικού πεδίου έχει τιμές μέχρι 2W/m² (32 της κανονικής). Στο 4% της έκτασης του πεδίου παρουσιάζονται τιμές > 1000 της κανονικής (συνήθως γύρω από τις φυσικές εκφορτίσεις γεωθερμικών ρευστών) Η μέτρηση του φαινομένου αυτού είναι απαραίτητη και προσφέρει πληροφορία για την έκταση και το θερμικό δυναμικό του συστήματος. Ταχεία αλλά και ακριβής αναγνώριση περιοχών ανωμάλως υψηλής θερμικής ροής επιτυγχάνεται με σύγχρονες μεθόδους υπέρυθρης τηλεπισκόπισης, από αέρος ή διαστήματος. Επίγειες διασκοπήσεις θερμικής ροής και θερμοβαθμίδας γίνονται με μετρήσεις θερμοκρασίας εντός γεωτρήσεων Κάθε συμπέρασμα, περί κατανομής της θερμοκρασίας με το βάθος υποθέτει ότι η πηγή θερμότητας ευρίσκεται ακριβώς από τα παρατηρούμενα μέγιστα. Αυτό δεν είναι και αναγκαίο, διότι οι επιφανειακές θερμικές εκδηλώσεις δεν εντοπίζονται οπωσδήποτε πάνω από τη πηγή θερμότητας και τα ρευστά δυνατόν να διατρέχουν σημαντικές οριζόντιες αποστάσεις πριν εκφορτισθούν. Οι παρατηρούμενες θερμοβαθμίδες έχουν φυσικό νόημα μόνον υπό το πρίσμα της δι' αγωγής διάδοσης της θερμότητας 11
ΘΕΡΜΙΚΗ ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΦΩΤΟΓΡΑΦΗΣΗ ΣΤΗΝ ΝΙΣΥΡΟ http://www.space www.space-unit.gr/thermal.htmlthermal.html Επάνω αριστερά: Φωτογραφία ορατού φάσματος, του κρατήρα φρεατικής έκρηξης Στέφανος, στην καλδέρα της Νισύρου. Κάτω αριστερά: Υπέρυθρη νυκτερινή φωτογραφία του κρατήρα ληφθείσα από ίδιο σημείο. Διακρίνονται καθαρά οι θέσεις των ατμίδων στην περίμετρο της βάσης του κρατήρα. 12
ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΣΤΗΝ ΝΙΣΥΡΟ http://www.space www.space-unit.gr/thermal.htmlthermal.html Γνωστές επιφανειακές θερμικές εκδηλώσεις Άδηλες περιοχές αυξημένης θερμικής ροής 13
ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΚΑΙ ΑΕΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ Αναγνωριστικές μέθοδοι. Αρχικά χρησιμοποιήθηκαν για να συμβάλλουν στον εντοπισμό γεωλογικών δομών καταλλήλων για ταμίευση ρευστών. Ο ρόλος και η σημασία τους περιορίστηκε σημαντικότατα όταν η έμφαση της γεωθερμικής έρευνας μετετέθη από την ανίχνευση των δομών στην ανίχνευση των ρευστών. Οι αερομαγνητικές διασκοπήσεις χρησιμοποιούνται για τον εντοπισμό θερμών ζωνών, δια χαρτογράφησης της ισοθέρμου επιφανείας Curie. Επιφάνεια Curie είναι ο γεωμετρικός τόπος των βαθών όπου τα σιδηρομαγνητικά ορυκτά μεταπίπτουν σε παραμαγνητικά, λόγω υπέρβασης της θερμοκρασίας Curie. Η πτώση της επιδεκτικότητας για μία μέση Γη συμβαίνει μεταξύ των 500 C και 520 C, σε βάθος 35Km. Σε περιοχές αυξημένης θερμικής ροής η ισόθερμος Curie θα εντοπίζεται πλησιέστερα προς στην επιφάνεια, Η εκτίμηση του βάθους ως την επιφάνεια Curie, αποτελεί μία πρόσθετη τεχνική ανίχνευσης θερμών ζωνών. Ανίχνευση περιοχών ή φαινομένων υδροθερμικών εξαλλοιώσεων, τα οποία επίσης ελαττώνουν την μαγνητική επιδεκτικότητα των πετρωμάτων και παράγουν αρνητικές μαγνητικές ανωμαλίες. Τέτοιες ανωμαλίες δεν υπάρχουν παντού και πάντοτε, οπότε είναι χρήσιμη η πραγματοποίηση μελέτης σκοπιμότητας πριν αναληφθεί κάποια δαπανηρή αερομαγνητική διασκόπηση. 14
ΒΑΡΥΤΟΜΕΤΡΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ Βοηθητικές στην αναγνώριση γεωλογικών δομών καταλλήλων για ταμίευση ή κυκλοφορία των γεωθερμικών ρευστών (π.χ. βυθίσματα, εξάρσεις, μεταπτώσεις κ.λ.π.). Θετικές ανωμαλίες πιθανόν να οφείλονται σε πυκνότερους σχηματισμούς ως αποτέλεσμα υδροθερμικών εξαλλοιώσεων, ή τοπική θερμική μεταμόρφωση χαλαρών ιζημάτων. Αρνητικές ανωμαλίες λόγω ελλείμματος μάζας που συνεπάγεται το μεγάλο κλάσμα ατμού στον ταμιευτήρα, η σχετικά χαμηλή πυκνότητα των όξινων πετρωμάτων και η ελάττωση της πυκνότητας σε υψηλή θερμοκρασία. Δεν υπάρχουν τυπικές ανωμαλίες ή χαρακτήρες αποκλειστικοί των γεωθερμικών πεδίων. Οφείλεται εξαιρετική προσοχή στην ερμηνεία διότι τα αποτελέσματά ούτε συνεπή ούτε συστηματικά είναι και η μέθοδος αδυνατεί να εντοπίσει τις παραγωγικές περιοχές. Όταν ο στόχος είναι βαθύς (π.χ. κυκλοφορικά συστήματα, ΘΞΠ κ.ά), η μέθοδος αποκτά μεγαλύτερη σημασία λόγω δυνατότητας ανίχνευσης βαθέων δομών. Αλλά και πάλι, γραμμικοί χαρακτήρες όπως οι διαρρήξεις που ενδιαφέρουν την παραγωγή πρέπει να είναι πολύ μεγάλοι ώστε να καθίστανται ανιχνεύσιμοι. Η μέθοδος συμβάλλει σημαντικά στην παρακολούθηση της υδρολογικής ισορροπίας κατά την διάρκεια της παραγωγής και στην πρόληψη πιθανών καταστροφών (διαχείριση παραγωγής). Επαναληπτικές μετρήσεις υψηλής ακριβείας (μικροβαρυτομετρία), σε συνδυασμό με χωροσταθμήσεις ακριβείας, βοηθούν στον προσδιορισμό της καθαρής απώλειας ρευστών λόγω άντλησης και στην απόκριση του συστήματος στην εκμετάλλευση. Η παρακολούθηση της παραγωγικής διαδικασίας προϋποθέτει την εκτέλεση διασκοπήσεων κατά το διερευνητικό στάδιο. 15
ΣΕΙΣΜΟΛΟΓΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ Οι γεωθερμικές εκδηλώσεις, κυρίως οι υδροθερμικές, συνοδεύονται από μικροσεισμική δραστηριότητα και αυξημένο εδαφικό θόρυβο. Ο σεισμικός θόρυβος προέρχεται από την διοχέτευση υπέρκορων πεπιεσμένων γεωθερμικών ρευστών μέσω των στενωπών των οδών κυκλοφορίας και, ενίοτε από τον βρασμό των ρευστών εντός του ταμιευτήρα. Οι μικροσεισμοί και νανοσεισμοί δυνατόν να οφείλονται σε φυσική υδραυλική θραύση, επερχόμενη όταν η πίεση των πόρων (συνάρτηση της θερμοκρασίας), ξεπεράσει την αντοχή του πετρώματος, σε περιοχές πολύ υψηλής θερμοβαθμίδας. Τα φαινόμενα αυτά αξιοποιούνται για να προσδιορισθεί η χωροταξία (θέση, διεύθυνση, κλίση) των ενεργών ρηγμάτων και του ταμιευτήρα και για να καθορισθούν οι οδοί κυκλοφορίας των γεωθερμικών ρευστών. Εφαρμόζονται σεισμολογικές μέθοδοι εντοπισμού υποκέντρων και τομογραφίας. Η απόσβεση των σεισμικών κυμάτων παρέχει πρόσθετες πληροφορίες για την μακροδομή των γεωθερμικών περιοχών, με σύγχρονες τεχνικές τομογραφίας. Η εκτεταμένη έγχυση ή εξαγωγή υδροθερμικών ρευστών δυνατόν να προκαλέσει αύξηση της σεισμικότητας μίας γεωθερμικής περιοχής, διότι μεταβάλλει την ισορροπία του εντατικού πεδίου (επαγόμενη ή ανθρωπογενής σεισμικότητα). Οι μικροσεισμικές μελέτες χρησιμοποιούνται ευρύτατα για την παρακολούθηση της απόκρισης ενός πεδίου στην εκμετάλλευση. 16
ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ Οι επιτυχέστερες των γεωφυσικών μεθόδων, ιδιαιτέρως δε σε περιπτώσεις υγρών συστημάτων, όπου οι μεταβολές της ηλεκτρικής αγωγιμότητας οφείλονται στα θερμά ρευστά και όχι στις ιδιότητες και την δομή του φιλοξενούντος πετρώματος. Περιοχές χαμηλών ειδικών αντιστάσεων είναι, κατά κανόνα ενδεικτικοί της ύπαρξης και μεγέθους ενός ταμιευτήρα. Η ειδική αντίσταση ενός μητρικού πετρώματος περιέχοντος ηλεκτρολύτη (γεωθερμικό ρευστό) εξαρτάται από την ειδική αντίσταση του πετρώματος, την ειδική αντίσταση του ηλεκτρολύτη, το πορώδες και τον βαθμό πλήρωσης του πορώδους. Η ειδική αντίσταση των ηλεκτρολυτών εξαρτάται αντιστρόφως από την αλατότητα και είναι πολύ μικρότερη της αντίστασης του φιλοξενούντος πετρώματος. Η ειδική αντίσταση των ηλεκτρολυτών μεταβάλλεται αντιστρόφως συναρτήσει της θερμοκρασίας με ρυθμό κατά πολύ ταχύτερο από την αντίστοιχη μεταβολή του φιλοξενούντος πετρώματος. Σε υψηλές θερμοκρασίες, η ειδική αντίσταση εξαρτάται από την αλατότητα και το πορώδες μόνον. Τα ανωτέρω δεν ισχύουν παρουσία υδροφίλων αργίλων, η ειδική αντίσταση των οποίων δύναται να πέσεικαιμέχριτα0.5ωm. Τέτοιες δυσκολίες αναμένονται σε γεωθερμικά πεδία που παρουσιάζουν έντονες και εκτεταμένες υδροθερμικές εξαλλοιώσεις εκρηξιγενών πετρωμάτων και είναι δυνατόν να αποκρύψουν τις πραγματικές γεωθερμικές εκδηλώσεις. Ο ξηρός ατμός, παρουσιάζει υψηλές ειδικές αντιστάσεις, πράγμα που δυσκολεύει σημαντικά την ερμηνείατωνηλεκτρικώνδιασκοπήσεων. 17
ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Διατάξεις Wenner και Schlumberger χρησιμοποιούνται για : 1. Οριζοντιογραφία σταθερού αναπτύγματος για ανίχνευση πλευρικών μεταβολών της ειδικής αντίστασης σε (σχεδόν) σταθερό βάθος, 2. Κατακόρυφες διασκοπήσεις μεταβλητού αναπτύγματος (βαθοσκοπήσεις) για πληρέστερο έλεγχο θέσεων ειδικού ενδιαφέροντος. Μειονεκτήματα : Η ανάπτυξη μακρών καλωδίων είναι απαραίτητη οσάκις απαιτείται διασκόπηση σε μεγάλο βάθος, πράγμα που καθιστά την χρήση δύσκολη ως απαγορευτική σε περιοχές με πυκνή δασοκάλυψη ή δύσβατο ανάγλυφο, περιορισμένη έκταση κ.λ.π. Σε εντόνως διερρηγμένες περιοχές η πιθανότητα ύπαρξης ηλεκτρικής ανισοτροπίας δυσχεραίνει την εφαρμογή αυτών των διατάξεων περιπλέκοντας την ερμηνεία και το μέγεθος των εργασιών υπαίθρου. Οι διπολικές διατάξεις έχουν λιγότερα τέτοια προβλήματα και παραπλήσια διεισδυτικότητα: 1. Συγγραμμικό δίπολο - δίπολο. Χρησιμοποιείται τόσο για οριζόντιες όσο και για κατακόρυφες διασκοπήσεις.. 2. Ισημερινό ή περιπλανώμενο δίπολο δίπολο, όπου τα ηλεκτρόδια ρεύματος αναπτύσσονται σε μεγάλες αποστάσεις και κρατούνται ακίνητα, ενώ τα ηλεκτρόδια δυναμικού μετακινούνται εντός της υπό διασκόπηση περιοχής. Η διάταξη αυτή είναι καταλληλότερη για ανίχνευση οριζοντίων μεταβολών ειδικής αντίστασης. Μετρήσεις (και συνεχείς επαναμετρήσεις) της ειδικής αντίστασης έχουν επαρκή ακρίβεια, ώστε να χρησιμεύουν για την παρακολούθηση πλευρικών μετατοπίσεων των ορίων του ταμιευτήρα λόγω άντλησης ρευστών κατά την διάρκεια της εκμετάλλευσης. 18
ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ - ΓΕΝΙΚΑ Οι ηλεκτρομαγνητικές μέθοδοι γεωφυσικής ανιχνεύουν την κατακόρυφη και οριζόντιο κατανομή της ειδικής αντίστασης βασιζόμενες σε φαινόμενα ενεργητικής ή παθητικής ΗΜ επαγωγής. Πρωτεύον (πηγαίο) μαγνητικό πεδίο εισάγεται στην γη και επάγει ένα πρωτεύον ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο με την σειρά του επάγει δευτερεύον μαγνητικό. Η ειδική αντίσταση του υπεδάφους εκτιμάται από την σχέση πρωτευόντων και δευτερευόντων πεδίων. Οι ΗΜ μέθοδοι ανιχνεύουν τόσο κατακόρυφες, όσο και οριζόντιες μεταβολές της γεωηλεκτρικής δομής. Πλεονέκτημα των ΗΜ μεθόδων γεωφυσικής διασκόπησης είναι ότι το βάθος διείσδυσης των ΗΜ πεδίων αυξάνεται αντιστρόφως με την συχνότητα του εκπεμπόμενου σήματος, ή με τον χρόνο από παύση εκπομπής, χωρίς να απαιτείται αλλαγή της γεωμετρίας και του μεγέθους της διάταξης μετρήσεων. Υπάρχει αριθμός διαφορετικών ΗΜ μεθόδων, ο οποίος οφείλεται, στην διαφορετική προέλευση ή μορφολογία του πηγαίου πεδίου: 1. Στις ΗΜ ελεγχομένης πηγής το πηγαίο πεδίο είναι παράγεται και εκπέμπεται τεχνητά. 2. Στις ΗΜ φυσικού πεδίου το πηγαίο πεδίο παράγεται από φυσικές διεργασίες. 19
ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΗΣ ΠΗΓΗΣ Διακρίνονται σε: 1. Μεθόδους πεδίου συχνότητας, στις οποίες η πληροφορία περί της ηλεκτρικής δομής λαμβάνεται από την διαφορετική απόσβεση την οποία υφίστανται διαφορετικές συχνότητες του πεδίου (διαφορική φασματική απόσβεση) καθώς τούτο οδεύει δια της γης. 2. Μεθόδους πεδίου χρόνου, στις οποίες η πληροφορία περί της ηλεκτρικής δομής του υπεδάφους λαμβάνεται από την απόσβεση και χρονική καθυστέρηση την οποία προκαλεί στα ΗΜπεδία. Τα πηγαία πεδία εκπέμπονται από γειωμένα ηλεκτρικά δίπολα, ή μία κατακόρυφη διπολική κεραία, ή από έναν οριζόντιο βρόχο. Οι ΗΜ τεχνικές οι οποίες χρησιμοποιούν βρόχους ως πομπούς και δέκτες, γενικώς δεν επιτυγχάνουν βαθιά διασκόπηση, (αρκετές δεκάδες ως μερικές εκατοντάδες μέτρα), άλλως τότε θα απαιτούντο μεγάλα όργανα, η μεταφορά των οποίων είναι προβληματική. Οι ΗΜ τεχνικές που χρησιμοποιούν σταθερούς διπολικούς πομπούς επιτυγχάνουν αρκετά βαθιά διείσδυση χωρίς να απαιτούν μεγάλα ή δύσχρηστα μηχανήματα και είναι πρακτικότερες. Το βάθος διασκόπησης σπανίως υπερβαίνει το 1Κm και περιορίζεται από το μέγεθος της κεραίας του πομπού διότι η εκπομπή χαμηλών συχνοτήτων απαιτεί κεραία μεγάλου μεγέθους. Για να επιτευχθεί βαθιά ΗΜ διασκόπηση πρέπει να καταφύγομε στις ΗΜ μεθόδους φυσικού πεδίου. 20
ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΦΥΣΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ Τα φυσικά ΗΜ πεδία οφείλονται σε φυσικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα: 1. Στον περιβάλλοντα την Γη διαστημικό χώρο (Μαγνητόσφαιρα και Ιονόσφαιρα) όσον αφορά συχνότητες f 4Hz, γεννώνται δε από την αλληλεπίδραση του ηλιακού ανέμου με το μαγνητικό πεδίο της Γης. 2. Στην κοιλότητα (κυματοδηγό) Ιονόσφαιρας-Γης όσον αφορά συχνότητες 6Hz f< f<μερικών KHz, γεννώνται δε από ηλεκτρικές εκκενώσεις εντός της ατμοσφαίρας. Εκμεταλλεύονται φαινόμενα καθαρής παθητικής ΗΜ επαγωγής. Η πληροφορία περί της γεωηλεκτρικής δομής του υπεδάφους αποθηκεύεται στην σχέση μεταξύ του επαγόμενου ηλεκτρικού και του επάγοντος μαγνητικού πεδίου. Σημαντικότατο πλεονέκτημα των μεθόδων φυσικού πεδίου είναι το εξαιρετικώς χαμηλό κόστος, απαιτούμενο για την πραγματοποίησή τους. Η όλη οργανολογία είναι, ουσιαστικώς ένας δέκτης και καταγραφέας σημάτων. Οι ΗΜ μέθοδοι φυσικού πεδίου είναι όλες μέθοδοι πεδίου συχνοτήτων. 21
ΜΕΘΟΔΟΣ ΙΔΙΟΥ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ Η γεωθερμική δραστηριότητα δημιουργεί ίδια δυναμικά (ΙΔ) μέσω δύο διεργασιών: 1. Θερμοηλεκτρική ζεύξη, η οποία οφείλεται στην διαφορική θερμοκρασία μίας θερμής μάζας και του φιλοξενούντος αυτήν, ηλεκτρικώς αγωγίμου περιβάλλοντος χώρου. Προκαλεί ανωμαλίες της τάξης των μερικών, ως αρκετών δεκάδων mv, το πρόσημο των οποίων εξαρτάται από το σχετικό μέγεθος των συντελεστών θερμοηλεκτρικής ζεύξης. 2. Ρέοντα (ηλεκτροκινητικά) δυναμικά από την υπεδαφική κίνηση των ρευστών, η ροή των οποίων συνοδεύεται από ροή ιοντικών ρευμάτων, ικανών να δημιουργήσουν ανιχνεύσιμο ηλεκτρικό πεδίο. Πλάτη της τάξεως 50-100mV είναι συνήθη ενώ έχουν παρατηρηθεί και εκτεταμένες ανωμαλίες αρκετών εκατοντάδων mv. Τα ανερχόμενα ρευστά προκαλούν, εν γένει, θετικές ανωμαλίες ενώ τα κατεισδύοντα ρευστά αρνητικές. Όταν αμφότερες οι διεργασίες συμβάλλουν στην δημιουργία ανωμαλιών, τότε η σχετική συμβολή εκάστης στην ολική ανωμαλία είναι πολύ δύσκολο να εκτιμηθεί, ώστε να υπάρξουν επαρκείς ποσοτικές ερμηνείες. Το σχετικώς χαμηλό κόστος και η υψηλή ταχύτητα εκτέλεσης της διασκόπησης, σε συνδυασμό με βελτιωμένες τεχνικές υπαίθρου, είναι δυνατόν να την καταστήσουν χρησιμότατο εργαλείο ανίχνευσης περιοχών ιδιαιτέρου ενδιαφέροντος για περαιτέρω μελέτη, ιδίως δε περιοχές ενεργού κυκλοφορίας γεωθερμικών ρευστών. 22
ΓΕΩΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΤΗΣ ΜΗΛΟΥ Από Παπανικολάου et al. (1993) Από Φυτίκα (1977) 23
Η ΘΕΡΜΟΒΑΘΜΙΔΑ ΣΤΗΝ ΝΗΣΟ ΜΗΛΟ (Φυτικας,, 1977) σε C/10m 24
ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΔΙΑΣΚΟΠΗΣΗ ΜΗΛΟΥ (Θανάσσουλας,, 1989) Περιοχή εντόνων υδροθερμικών εξαλλοιώσεων 25
ΒΑΡΥΤΟΜΕΤΡΙΚΗ ΔΙΑΣΚΟΠΗΣΗ ΜΗΛΟΥ (Τσόκας,, 1985) 26
ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΔΙΑΣΚΟΠΗΣΗ SCHLUMBERGER I Χάρτης φαινομένων ειδικών αντιστάσεων για ημιανάπτυγμα ΑΒ/2 = 1000m (Τσόκας, 1985). Χάρτης ελαχίστων φαινομένων αντιστάσεων (διάταξη Schlumberger) Duprat, (1973) 27
ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΔΙΑΣΚΟΠΗΣΗ SCHLUMBERGER IΙI Συγκριτική παρουσίαση των γεωτρήσεων Μ1 και Μ2 και γεωηλεκτρικών μοντέλων από παραπλήσιες βαθοσκοπήσεις (CGG) 28
(α) ΜΑΓΝΗΤΟΤΕΛΛΟΥΡΙΚH ΔΙΑΣΚΟΠΗΣΗ (Hutton et al, 1989) (γ) Oι (συνεχείς) γραμμές D', G', W', και Ν χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή ερμηνευτικών ψευδοτομών. (β) 29
ΣΕΙΣΜΟΛΟΓΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΜΗΛΟΥ Επάνω: Επίκεντρα σεισμών καταγραφέντων από το RWTH Aaachen,, 1986/87. Κάτω: Επιλύσεις μηχανισμών γένεσης των μεγαλυτέρων σεισμών. Πηγή: Ochmann et al, 1989 Επάνω: Τομογραφία λόγου ταχυτήτων Vp/Vs (Hirn et al, 1989). Η διαγράμμιση δηλώνει την ζώνη όπου το τομογράφημα είναι μή ερμηνεύσιμο. Επάνω δεξιά: Ερμηνευμένη τομή ειδικής αντίστασης από τους Hutton et al, (1989). Δεξιά: Θέση της τομής ΑΒ και των γεωτρήσεων ΜΖ1 και Μ3. 30
ΜΑΓΝΗΤΟΤΕΛΛΟΥΡΙΚΕΣ ΚΑΙ ΣΕΙΣΜΟΤΕΚΤΟΝΙΚΕΣ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ (Tzanis and Makropoulos,, 1999) 31
ΔΙΑΣΚΟΠΗΣΗ ΙΔΙΟΥ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ (Thanassoylas,, 1989) Σύγκριση ανωμαλιών ΙΔ και τεκτονικού ιστού Ερμηνεία δια ηλεκτρικώς πολωμένων επιπέδων: Ρήγματα με ενεργό κυκλοφορία ρευστών σε μικρά βάθη. 32
ΣΥΝΘΕΣΗ ΜΑΓΝΗΤΟΤΕΛΛΟΥΡΙΚΩΝ ΚΑΙ ΣΕΙΣΜΟΛΟΓΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ (Fytikas et al, 1989) Σύνθετη τομή κατά πλάτος της κεντρικής-νοτίου νοτίου Μήλου συνδυάζουσα ΜΤ και σεισμικά αποτελέσματα. Η εστιγμένη περιοχή αντιστοιχεί στην αγώγιμη ζώνη που συμπίπτει με τον γεωθερμικό ταμιευτήρα. Οι μαύροι κύκλοι δηλώνουν σεισμικά υπόκεντρα. 33
ΣΥΝΘΕΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ: ΤΟ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΗΣ ΜΗΛΟΥ (Fytikas et al., 1989) 34