ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΗΠΙΕΣ ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΑΛΕΞΗ Ι ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΠΟ Δρ. Α. ΤΖΑΝΗ ΕΠΙΚΟΥΡΟ ΚΑΘΗΓΗΤΗ ΓΕΩΦΥΣΙΚΗΣ
ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ : ΟΡΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ Ι Περιοχές στις οποίες η θερμική ενέργεια της Γης είναι επαρκώς συγκεντρωμένη ώστε να δημιουργεί εκμεταλλεύσιμη ενεργειακή πηγή. Ταξινομούνται βάσει των γεωλογικών, υδρολογικών και θερμικών τους χαρακτηριστικών. Η συγκέντρωση της θερμότητας από τα πετρώματα όπου ευρίσκεται διάχυτη, προϋποθέτει την ύπαρξη ενός ενδιαμέσου ρευστού που να την συλλέγει και να την μεταφέρει, δημιουργώντας υπό τις κατάλληλες συνθήκες έναν γεωθερμικό ταμιευτήρα ή συλλέκτη. Η κυκλοφορία του ενδιαμέσου ρευστού είναι δυνατή λόγω των διαφορών πυκνότητας μεταξύ των ψυχρότερων ανωτέρων μαζών του ενδιάμεσου ρευστού που κατεισδύουν προς τον συλλέκτη και των θερμότερων μαζών που ανέρχονται προς την επιφάνεια λόγω άνωσης. Η κυκλοφορία και συγκέντρωση του γεωθερμικού ρευστού διευκολύνεται, όταν εκτός από υψηλό πορώδες, υπάρχει και υψηλή υδραυλική αγωγιμότητα. Τα γεωθερμικά συστήματα χαρακτηρίζονται από θετικές γεωθερμικές ανωμαλίες, οι σπουδαιότερες των οποίων συνδέονται με πρόσφατη μαγματική δραστηριότητα 2
ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ : ΟΡΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΙΙ Διαφορετικοί τύποι γεωθερμικών συστημάτων δημιουργούνται από συνδυασμούς διαφορετικών κατά τόπους παραγόντων (ενθαλπία, η κατανομή της υδραυλικής αγωγιμότητας, το βάθος του ταμιευτήρα κ.λ.π.) Αναλόγως του γεωλογικού περιβάλλοντος και του καθεστώτος μεταφοράς της θερμοκρασίας υπάρχουν : Μεταφορικά (convective) γεωθερμικά συστήματα. Υδροθερμικά συστήματα εντός πετρωμάτων υψηλού πορώδους και / ή διαπερατότητας, συνδεδεμένα με πρόσφατες αβαθείς μαγματικές διεισδύσεις και νεαρούς πλουτωνίτες. Κυκλοφορικά συστήματα εντός πετρωμάτων χαμηλού πορώδους, ρηξιγενούς υδραυλικής διαπερατότητας, σε περιοχές υψηλής ως και κανονικής περιφερειακής θερμικής ροής. Μεταδοτικά (conductive) γεωθερμικά συστήματα. Υδροφόροι ορίζοντες χαμηλής ενθαλπίας εντός ιζημάτων υψηλού πορώδους / διαπερατότητας, σε περιοχές κανονικής ως ελαφρώς υψηλής θερμικής ροής, συμπεριλαμβανομένων και των λεγομένων «γεωπεπιεσμένων» ζωνών. Θερμά Ξηρά Πετρώματα με συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας, - χαμηλής διαπερατότητας. 3
ΗΠΕΙΡΩΤΙΚΑ ΗΦΑΙΣΤΕΙΑ Σχηματική αναπαράσταση ενός ηπειρωτικού ηφαιστείου και της θέσης του σχετικού υδροθερμικού συστήματος. Ο ηπειρωτικός φλοιός έχει τυπικά πάχη 30 40 km. Μερικά τήγματα στον Άνω Μανδύα και σε βάθη ~ 100 km παράγουν βασαλτικό μάγμα (45 52% σε SiO 2 ), που ανέρχεται μέχρι την βάση του φλοιού και λιμνάζει σε μαγματικούς θαλάμους επί μακρόν. Αυτό προκαλεί μερική τήξη των τοιχωμάτων του θαλάμου με αρχικά προϊόντα ρυολιθικής σύστασης, 70-80% SiO 2. Περαιτέρω τήξη παράγει μάγματα ενδιάμεσης σύστασης, 70% - 52% SiO 2. Η απώλεια θερμότητας από τον αρχικό μαγματικό θάλαμο επιφέρει μερική κρυστάλλωση. Το υπόλοιπο κλάσμα τήγματος καθίσταται προοδευτικά πλουσιότερο σε SiO 2 και ανέρχεται μέσω του φλοιού δι αγωγών σωληνοειδούς μορφής και φλεβοειδών διαρρήξεων, συσσωρευόμενο σε θαλάμους του μέσου και ανωτέρου φλοιού. Τα περιεχόμενα πτητικά συστατικά (Η 2 Ο, CO 2 και SO 2 ), διαλελυμμένα στις συνθήκεςυψηλήςπίεσηςτουκατωτέρουφλοιού, διαφεύγουν σχηματίζοντας φυσαλίδες στις χαμηλότερες πιέσεις του μέσου και ανωτέρου φλοιού. Η άνοδος των φυσαλίδων πιέζει έτι περαιτέρω τους μαγματικούς θαλάμους. Η άνοδος του μάγματος και η πρόσθετη πίεση επάγουν μικροσεισμικότητα στα εύθραυστα ανώτερα 10-15 km του φλοιού. Το μάγμα μπορεί επίσης να διασταλεί ελαφρώς, προκαλώντας αντίστοιχη διόγκωση της επιφάνειας της Γης. Όταν η πίεση υπερβεί μία κρίσιμη τιμή, το μάγμα διαρρηγνύει το φλοιό και εκχέεται στην επιφάνεια, εκκινώντας έτσι ένα ηφαιστειακό παροξυσμό. 4
ΥΔΡΟΘΕΡΜΙΚΑ ΜΕΤΑΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ I Χαρακτηρίζονται από φυσική κυκλοφορία του ενδιαμέσου ρευστού το πλείστο της θερμότητας μεταφέρεται από τα ρευστά και μικρό ποσοστό άγεται μέσω της μάζας των πετρωμάτων. Τα υδροθερμικά συστήματα εντός πετρωμάτων υψηλού πορώδους και διαπερατότητας περιλαμβάνουν σχεδόν όλα τα γεωθερμικά συστήματα υπό εκμετάλλευση για παραγωγή ενέργειας. Η πηγή θερμότητας αντιπροσωπεύεται από πρόσφατες μαγματικές διεισδύσεις με τυπικές θερμοκρασίες 700-1200 C και υπερθερμαίνουν τα περιβάλλοντα πετρώματα προκαλούντα και έξαρση της επιφανειακής θερμικής ροής. Λόγω προϊούσας ψύξης των μαγματικών διεισδύσεων, σημαντική υπερβάλλουσα θερμότης διατηρείται επί γεωλογικώς σύντομο χρονικό διάστημα (παροδική θέρμανση). Μόνον οι τεταρτογενείς διεισδύσεις (από 10 4-10 6 έτη) του ανωτέρου φλοιού (<10Km) είναι ακόμη θερμικώς ενεργές σήμερα. Γεωθερμικές ανωμαλίες μεγάλης διαρκείας μάλλον οφείλονται σε όξινες, παρά σε βασαλτικές διεισδύσεις: Τα ρευστά βασαλτικά μάγματα ανέρχονται ταχύτερα στην επιφάνεια, αποδεσμεύοντας μεγάλα ποσά θερμότητας. Αντιθέτως, τα ιξώδη όξινα μάγματα βραδύνουν και πολύ συχνά παγιδεύονται ώστε να δημιουργούν μακροβιότερες πηγές θερμότητος (μερικά Μέτη). Μόνον όπου η μαγματική δραστηριότητα είναι συνεχής, οι αβαθείς βασαλτικοί θάλαμοι δυνατόν να παρέχουν σημαντικό γεωθερμικό δυναμικό (π.χ. Ισλανδία). 5
ΥΔΡΟΘΕΡΜΙΚΑ ΜΕΤΑΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ II Απλοποιημένη εικόνα υδροθερμικού συστήματος,, (Krafla( Krafla, Ισλανδία). H ευρύτερη περιοχή της καλδέρας της Krafla. Απεικονίζονται τα ίχνη των ενεργών διαρρήξεων της Μεσατλαντικής Ράχης. Από τον K. Saemundson (Orkustofnun). Το υδροθερμικό σύστημα της Krafla. Από τους Gislason et al, (1978). 6
ΥΔΡΟΘΕΡΜΙΚΑ ΜΕΤΑΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ IIΙ Συνθήκες σε σύστημα ατμού Συνθήκες σε υγρό σύστημα Στα περισσότερα συστήματα η υγρή και αέριος φάση συνυπάρχουν (διφασικά συστήματα), και η διάκριση είναι σημαντική μόνον από την άποψη του τρόπου εκμετάλλευσης. Εικόνες από τον Fournier R.O., Application of water geochemistry to geothermal exploration and reservoir engineering, in L. Rybach and L.J.P. Muffler (eds), Geothermal systems, Wiley, 109-143, 1981. 7
ΓΕΩΦΥΣΙΚΑ ΙΧΝΗ ΥΔΡΟΘΕΡΜΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Επιφανειακές εκδηλώσεις ατμίδων, θερμών πηγών, ηφαιστείων ιλύος κ.λ.π. Γεωθερμικές βαθμίδες μέχρι και 200 C/Km, ιδίως στα αδιαπέρατα καλύμματα των ταμιευτήρων (όπου η θερμότητα μεταδίδεται δι αγωγής). Δυνατές και περιοχές χαμηλής θερμοβαθμίδας, συνήθως ενδεικτικές των ζωνών κατείσδυσης ψυχρού ύδατος προς τον ταμιευτήρα : Η κλίμακα τέτοιων οριζοντίων μεταβολών της θερμοβαθμίδα ενδεικτική της πλευρικής έκτασης των συστημάτων. Συνήθεις οι αρνητικές ανωμαλίες βαρύτητας λόγω ελλείμματος μάζης που συνεπάγεται το μεγάλο κλάσμα ατμού στον ταμιευτήρα, η σχετικά χαμηλή πυκνότητα των όξινων πετρωμάτων και η ελαττωμένη πυκνότητα εξ υψηλής θερμοκρασίας. Σπανιότερα φαινόμενα πυριτίωσης εξ αυτοσφραγισμού των διαπερατών ζωνών, που αυξάνουν την πυκνότητα και ενίοτε καλύπτουν τοπικές αρνητικές ανωμαλίες υπεράνω ζωνών μεταφοράς. Ταμιευτήρες και οι αγωγοί κυκλοφορίας παρουσιάζουν χαμηλές ειδικές αντιστάσεις λόγω υψηλής θερμοκρασίας / αλατότητας του γεωθερμικού ρευστού και υψηλού ποσοστού ορυκτών της αργίλου. Οι μαγματικές διεισδύσεις και η κυκλοφορία των ρευστών παράγουν μικροσεισμούς και νανοσεισμούς δια των οποίων εντοπίζονται με σεισμολογικές μεθόδους. Ανωμάλως χαμηλές ταχύτητες προκαλούν καθυστέρηση των τηλεσεισμικών κυμάτων Ρ και ανώμαλη απόσβεση των κυμάτων Ρ και κυρίως των S. 8
ΑΤΜΙΔΕΣ ΚΑΙ ΦΟΥΜΑΡΟΛΕΣ ΗΦΑΙΣΤΕΙΑ ΙΛΥΟΣ ΘΕΡΜΟΠΙΔΑΚΕΣ (ΓΚΑΫΖΕΡ) ΘΕΡΜΕΣ ΠΗΓΕΣ 9
ΜΕΡΙΚΑ ΓΕΩΦΥΣΙΚΑ ΠΕΔΙΑ ΣΤΗΝ KRAFLA Οριζοντιογραφική αποτύπωση της ειδικής αντίστασης σε βάθος 600m, στο γεωθερμικό πεδίο της Krafla. Από την R. Karlsdottir (Orkustofnun). Χάρτης βαρυτικών ανωμαλιών Bouguer της περιοχής Krafla. Από ton G. Johnsen (Orkustofnun). 10
ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΚΑ ΜΕΤΑΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Δυνατόν να συνδέονται με μαγματισμό, αλλά απαντώνται και σε περιοχές ελεύθερες προσφάτου μαγματικής δραστηριότητας, ως αποτέλεσμα βαθιάς κατείσδυσης και κυκλοφορίας μετεωρικού ύδατος σε περιοχές υψηλής περιφερειακής θερμικής ροής. Οι περιοχές υψηλής περιφερειακής ροής παρουσιάζουν γεωτεκτονικές ιδιαιτερότητες ως εξαρτώμενες από ανώμαλες θερμικές διεργασίες στην βάση της λιθόσφαιρας (εκτεταμένη λέπτυνση του φλοιού, ή εκτεταμένες βασικές μαγματικές διεισδύσεις λόγω επεκτατικού τεκτονισμού ηπειρωτικής κλίμακας, ή περιπτώσεις ηπειρωτικών θερμών κηλίδων). Προϋποτίθεται η παρουσία θραυσιγενών ζωνών (διαρρήξεις, διακλάσεις κ.λ.π.).) επαρκούς υδραυλικής διαπερατότητας, ώστε να διευκολύνεται η κυκλοφορία του ρευστού. Η εκφόρτιση των θερμών ρευστών είναι εντοπισμένη,, (διασταυρώσεις( ρηγμάτων και ρηξιγενών ζωνών), αλλά η τροφοδοσία γίνεται από εκτεταμένη περιοχή. Η θερμοκρασία του ρευστού εξαρτάται πρωτίστως από το μέγεθος της περιφερειακής θερμικής ροής και από το βάθος μέχρι το οποίο κυκλοφορεί. Ο χρόνος παραμονής του ρευστού εντός του συστήματος είναι της τάξης 10 2-10 3 ετών. Υπό κανονικές συνθήκες, οι μεγαλύτερες θερμοκρασίες συναντώνται σε μικρότερα βάθη, σε περιοχές υψηλότερης θερμικής ροής. Η υψηλή περιφερειακή ροή θερμότητας έχει την δυνατότητα να συντηρήσει κυκλοφορικά και υδροθερμικά συστήματα εφόσον τα ανώτερα χιλιόμετρα του φλοιού είναι διερρηγμένα σε βαθμό τέτοιο, ώστε να επιτρέπουν την κυκλοφορία ρευστών. Τέτοια γεωθερμικά συστήματα έχουν σχετικά περιορισμένο χρόνο ζωής (10 4-10 5 έτη). 11
ΜΕΤΑΔΟΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Χαρακτηρίζονται από θερμικό καθεστώς που οφείλεται σε αγωγή της θερμότητας μέσω των πετρωμάτων μόνον. Το ενδιάμεσο ρευστό, είτε είναι παρόν όπως στην περίπτωση των βαθέων υδροφόρων οριζόντων, είτε παρέχεται τεχνητώς, όπως στα Θερμά Ξηρά Πετρώματα. Η κυκλοφορία εμποδίζεται από τις χαμηλές αντιθέσεις θερμοκρασίας στην πρώτη περίπτωση και από την χαμηλή διαπερατότητα στην δεύτερη. Κοινό χαρακτηριστικό των μεγάλων ιζηματογενών λεκανών είναι η παρουσία εκτεταμένων υδροφόρων οριζόντων, πολλάκις σε αρκετά διαφορετικά επίπεδα, εντός στρωμάτων υψηλού πορώδους και διαπερατότητας. Αυτοί δυνατόν να περιέχουν παλαιά (στάσιμα) ρευστά ή να τροφοδοτούνται από γειτονικές ορεινές περιοχές. Οι θερμοκρασίες είναι, συνήθως, χαμηλότερες των 150 C C (χαμηλή( ενθαλπία). Οι γεωπεπιεσμένοι ταμιευτήρες είναι ειδική περίπτωση υδροφορέων παγιδευμένων μεταξύ στρωμάτων αδιαπέρατων αργιλικών σχιστόλιθων χαμηλής θερμικής αγωγιμότητας, με πίεση ενδοπορικών ρευστών υπερβαίνουσα την υδροστατική (τυπικώς της τάξης 100ΜΡ ΜΡa). Σε αντίθεση με τις "φυσιολογικές" ιζηματογενείς περιοχές όπου τα ενδοπορικά ρευστά αποβάλλονται κατά την διάρκεια της διαγενετικής συμπίεσης, οι γεωπεπιεσμένες ζώνες αποτελούν είδος παγίδων θερμότητας. Ευρίσκονται συνήθως σε μεγάλα βάθη (3-7Km) και περιέχουν σημαντικές ποσότητες φυσικού αερίου. 12
Α. Σχηματισμός Η ΛΕΚΑΝΗ ΤΗΣ ΠΑΝΝΟΝΙΑΣ - ΟΥΓΓΑΡΙΑ Γ. Γεωισόθερμες στο βάθος των 1000 μέτρων μέτρων (Ottlik et al., 1981) Β. Δομή φλοιού και πηγές θερμότητας (Stegena et al., 1975) 13
ΘΕΡΜΑ ΞΗΡΑ ΠΕΤΡΩΜΑΤΑ (ΘΞΠ) Σε όλες τις «φυσιολογικές» περιοχές των ηπείρων υπάρχει άφθονη θερμική ενέργεια, σε αρκετά μεγάλα βάθη, προσπελάσιμα με την σημερινή τεχνολογία γεωτρήσεων. Στα βάθη αυτά τα φυσικά ενδιάμεσα ρευστά απουσιάζουν λόγω της πολύ μικρής διαπερατότητας και η εξαγωγή ενέργειας απαιτεί την δημιουργία τεχνητών συνθηκών κυκλοφορίας ενδιαμέσου ρευστού. Οι σπουδαιότερες αρχικές συνθήκες - προαπαιτούμενα για την παραγωγή ενέργειας είναι θερμοκρασία 200 C και διαπερατότητα 10-6 darcy. Ένα ΘΞΠ δυνατόν να χαρακτηρίζεται κυρίως από την φυσική (αρχική) του διαπερατότητα και την ενθαλπία. Ο προσδιορισμός της φυσικής διαπερατότητας συναρτήσει του βάθους από επιφανειακές μετρήσεις γίνεται με σεισμικές και βαθιές ηλεκτρικές και ηλεκτρομαγνητικές διασκοπήσεις (η ηλεκτρική αγωγιμότητα των στερεών πετρωμάτων εξαρτάται σχεδόν αποκλειστικά από το κλάσμα ύδατος που περιέχουν, οπότε η ανίχνευση ζωνών υψηλής ειδικής αντίστασης υποδεικνύει ύπαρξη χαμηλής υδραυλικής διαπερατότητας). Τοποθεσίες κατάλληλες για εκμετάλλευση ΘΞΠ Στην περιφέρεια περιοχών προσφάτων μαγματικών διεισδύσεων (και των πιθανών συμπαρομαρτούντων υδροθερμικών συστημάτων). Σε παλαιούς μεγάλους πλουτωνίτες, καλυμμένους με παχέα στρώματα θερμομονωτικών ιζημάτων. Εάν η ραδιενεργός παραγωγή θερμότητας στους (γρανιτικούς κυρίως) πλουτωνίτες είναι 4-8μW/m 3, η θερμοκρασία θα φθάσει τους 200 C σε βάθος 5-6Km, σε 14 περιοχές κανονικής θερμικής ροής.
ΕΚΜΕΤΑΛΛΕΥΣΗ ΘΞΠ Υδραυλική θραύση των θερμών πετρωμάτων, ώστε να δημιουργούνται οι επιφάνειες ανταλλαγής θερμότητας. 1. Ψυχρό ύδωρ εγχέεται δια των γεωτρήσεων. 2. Προκαλείται η δια συστολής θραύση των πετρωμάτων. 3. Συλλέγεται η θερμότητα και το ρευστό αντλείται από άλλες γεωτρήσεις. 15
ΕΥΡΩΠΑΪΚΟ ΚΕΝΤΡΟ ΕΡΕΥΝΩΝ ΘΞΠ : SOULTZ-SOUS SOUS- FORÉT, ΑΛΣΑΤΙΑ (http:// http://www.soultz.net/) 16
ΘΞΠ (συνέχεια) 17
ΘΞΠ (συνέχεια) 18