OPERATIVNI PROGRAM SLOVENIJA-MADŽARSKA 2007-2013
GEOTERMIČNI KONCEPTUALNI MODEL v okviru projekta »Pregled rabe geotermalne energije, ocena podzemnih teles termalne vode in priprava skupnega načrta upravljanja vodonosnikov v Murskozalskem bazenu«
T-JAM
Projektni sodelavci v tem poročilu:
Geološki zavod Slovenije (GeoZS)
Magyar Állami Földtani Intézet (MÁFI)
Poročilo pripravili: dr. György Tóth (MÁFI) Judit Muráti (MÁFI) mag. Dušan Rajver (GeoZS)
Sodelavci v tem poročilu: mag. Andrej Lapanje (GeoZS) dr. Annamária Nádor (MÁFI)
Direktor GeoZS:
Direktor MAFI:
doc. dr. Marko Komac
Ljubljana, Budimpešta, 28.2.2011
Vsebina
1 2 3
Uvod ................................................................................................................................... 1 Izvor podatkov za geotermične modele ............................................................................. 3 Faktorji, ki vplivajo na toplotni tok in toplotno polje ........................................................ 5 3.1 Toplotna prevodnost .................................................................................................... 5 3.2 Radiogena produkcija toplote ...................................................................................... 8 3.3 Geotermični gradient ................................................................................................... 9 3.4 Tok podzemne vode................................................................................................... 10 3.5 Hitrost sedimentacije/erozije ..................................................................................... 12 3.6 Tektonski elementi .................................................................................................... 12 3.7 Vulkanska in post-vulkanska dejavnost .................................................................... 13 4 Pričakovani rezultati in učinki (numeričnega modeliranja) ............................................. 13 5 Geotermični pogoji projektnega območja T-JAM ........................................................... 14 5.2. Značilnosti toplotnega toka na območju .................................................................... 14 5.2.1. Madžarska .................................................................................................................. 15 5.2.2. Slovenija ................................................................................................................ 20 5.3. Začetna porazdelitev temperature .............................................................................. 28 5.4. Toplotni odvzem iz sistema ....................................................................................... 32 5.4.1. Naravni iztoki ................................................................................................................. 32 5.4.2. Izguba toplote skozi površje........................................................................................... 33 6 Povzetek ........................................................................................................................... 33 7. Literatura .......................................................................................................................... 34
1
Uvod
Cilj geotermičnih modelov je v splošnem zagotoviti trdno geoznanstveno osnovo za trajnostno izkoriščanje vseh vidikov geotermalne energije (proizvodnja električne energije in neposredna raba toplote) kakor tudi za upravljanje s termalno vodo za balneološke potrebe. Neizmerna količina Zemljine toplote (katere glavni izvor je razpad radioaktivnih izotopov v njeni skorji) je shranjena v različnih kamninah, kakor tudi v tekočinah, ki zapolnjujejo pore in razpoke v kamninah. Geotermični modeli torej pokrivajo procese toplotnega prenosa zaradi prevajanja (prenos toplote med delci kamnin, ki so med seboj v fizičnem stiku) in strujanja (konvekcije) (prenos toplote od enega mesta do drugega zavoljo gibanja tekočine, n.pr. tok podzemne vode). Geotermični modeli se močno opirajo na geološke modele (prostorska porazdelitev različnih kamnin z značilnimi parametri kot so poroznost, specifična toplota, toplotna prevodnost, gostota) in na hidrogeološke modele (tok podzemne vode lahko znatno spremeni podzemno razporeditev toplote, razen tega lahko zaradi različne gostote, ki izvira iz nehomogenega temperaturnega polja, vzgon sam od sebe sproži gibanje podzemne vode, ali pa spremeni obstoječe tokove). Geotermični modeli preskrbijo informacijo o začetnih ali dejanskih, navideznih stacionarnih pogojih temperaturnega režima, torej se lahko uporabijo za preveritev hidrogeološkega modela. Nadalje, če so podane količine odvzete termalne vode in – odvisno od izkoriščanja – vračane (reinjektirane) ohlajene vode, tedaj se lahko napove možen bodoči razvoj toplotne vsebnosti hidrogeotermalnega rezervoarja (nestacionarni modeli). To pomaga rezervoarskim inženirjem in upravljavcem, da predvidijo najboljši možen odvzem toplote iz danega rezervoarja. Izdelava geotermičnega modela poteka v dveh stopnjah. Najprej se postavi konceptualni model (predmet pričujočega poročila), kjer so določeni potrebni podatki in robni pogoji za numerični model (n.pr. karta gostote toplotnega toka, karte porazdelitve temperature v različnih globinah, parametri toplotne prevodnosti za litostratigrafske enote, nekaj značilnih profilov temperature z globino (T-z termogrami) iz vrtin). Ta model vsebuje tudi splošni opis geotermičnih pogojev projektnega območja. Združeni numerični model fluidnega toka in toplote bo v drugi stopnji pomagal očrtati konvekcijske sisteme, izboljšati karte temperaturnih porazdelitev in prikazati izračunane izoterme vzdolž geoloških profilov. Na splošno se T-JAM osredotoča na izkoriščanje naravno segretih podzemnih vod (nad 20 °C) (hidrogeotermalna raba). Čeprav je eden od glavnih ciljev T-JAM projekta pospeševati tehnologijo toplotnih črpalk, naši geotermični modeli ne preučujejo plitvega podzemlja, niti se ne ukvarjajo s potencialno petrotermično izrabo, kot sta vroča suha kamnina (angl. Hot Dry Rock) ali izboljšani geotermični sistem (angl. Enhanced Geothermal System). Obstajata dva glavna koncepta hidrogeotermalnega izkoriščanja: (a) izraba termalne vode s posamezno vrtino – značilno za balneološke namene, kjer vračanje izrabljene vode ni možno zaradi onesnaženja (in kemijskih reakcij) v rezervoarju, in (b) geotermalni dubleti (par vrtin) (ponovno vračanje termalne vode v isti rezervoar po energetski izrabi). Izraba termalne vode s posamezno vrtino z izpustom izkoriščene termalne vode v površinske iztoke ni trajnostna, če količina odvzete vode prekaša količino, ki se naravno obnavlja iz napajalnega zaledja, saj pelje k zniževanju količin termalne vode in tlaka v rezervoarju. Dubletni koncept – v teoriji – ohranja izravnano ravnotežje mase in tlaka. Ne glede na to pa lahko pride s časom do spremembe temperature na lokaciji črpanja vode (proizvodna vrtina) zaradi toplotnega preboja vračane ohlajene vode skozi ponikalno vrtino.
1
V splošnem obstaja 5 različnih tehničnih shem izkoriščanja s podrobno navedenimi nivoji proizvodne temperature (θout) in temperature vračane vode (θin) ter z obratovalnimi urami: 1. Splošna (referenčna shema): θ out > 30°C; θin = 25°C; obratovalne ure preko celega leta [posamezna vrtina; dublet, multipleks-več dubletov]. 2. Čista proizvodnja električne energije z upoštevanjem ORC (angl. Organic Rankine Cycle) shem: θout > 90°C; θin = 70°C; podrobno navedene obratovalne ure [dublet, multipleks]. 3. Kombinirana shema proizvodnje električne energije in lokalnega ogrevanja: θ out > 90°C; θin = 30°C; podrobno navedene obratovalne ure za proizvodnjo elektrike in ogrevanje [dublet, multipleks]. 4. Kombinirana shema ogrevanja in balneologije: θout > 50°C; θin = 20°C; podrobno navedene obratovalne ure za ogrevanje in celoletni masni odvzem za balneološko rabo [dublet, posamezna vrtina v smislu masnega primanjkljaja na ponikalni vrtini]. 5. Čista balneološka raba: θ out > 30°C; θin = 20°C (na površinskem izpustu) celoletne obratovalne ure [posamezna vrtina]. Glede na sedanje sheme izkoriščanja na območju T-JAM projekta, in glede na celotne geološke, hidrogeološke in geotermične pogoje, sta balneološka shema (5) izkoriščanja in kombinirana shema ogrevanja in balneologije (4) glavna cilja v naših raziskavah, kajti rezervoarji z visokimi temperaturami (>90°C) za čisto ali kombinirano shemo proizvodnje električne energije (2 in 3) na tem območju niso na razpolago (ali pa vsaj ne na stopnji ekonomičnosti po našem sedanjem poznavanju). Na območju projekta T-JAM je raziskava izkoriščanja (LAPANJE ET AL., 2010) pokazala, da se večina termalne vode izrablja za balneološke namene, posebno na Madžarskem. Čeprav je individualno ogrevanje prostorov v severovzhodni Sloveniji relativno pomembno, je večinoma vezano na termalne centre (toplice, zdravilišča). Trije obstoječi sistemi daljinskega ogrevanja (Murska Sobota in Lendava v Sloveniji ter Vasvár na Madžarskem) prav tako nimajo delujočih ponikalnih (reinjektirnih) vrtin. Tako v projektu T-JAM večinoma ocenjujemo sheme s posamezno vrtino, predvsem pa se osredotočamo na določitev učinkov sedanjega odvzemanja vode na obmejnem območju, na določitev količine vode/toplote, ki se naravno obnavlja, in se torej lahko odvzema. Na koncu projekta pa bomo izdelali priporočila za trajnostno skupno prekomejno izkoriščanje in monitoring. Geotermični model v projektu T-JAM zagotavlja informacijo o dejanskem temperaturnem polju, zasnovanem na 3D geološkem modelu in vzorcih toka podzemne vode, torej bo prispeval k potrditvi numeričnih hidrogeoloških modelov. Model se z opisovanjem naravne gostote toplotnega toka in porazdelitve temperatur osredotoča na postavitvi modelov stacionarnega stanja. Nestacionarni modeli, ki analizirajo sedanji toplotni odvzem, in modeli scenarija za bodoče trende izrabljanja, se ne bodo preiskovali zaradi pomanjkanja zadostnih podatkov o proizvodnji termalne vode. Drugi pomemben cilj geotermičnega modela, ki je prav tako močno vezan na hidrogeološki model, je prispevati k opredelitvi prekomejnega toka termalne vode. Nadalje bodo rezultati prispevali h omejitvi skupnega prekomejnega telesa termalne podzemne vode med Slovenijo in Madžarsko.
2
2
Izvor podatkov za geotermične modele
Najvažnejše informacije, ki so potrebne za postavitev geotermičnega modela, so naslednje:
Temperatura rezervoarja
Tlak v rezervoarju
Termične in hidravlične značilnosti rezervoarja
Geometrija in tip rezervoarja (porozen, razpokan), posebej geometrijska razporeditev por, ki vpliva na izmenjavo toplote med trdno kamninsko osnovo in krožečo porno tekočino. Značilnosti pornih tekočin: vsebnost plinov, mineralizacija.
Geotermični modeli se opirajo na medsebojno (SLO-HU) usklajen niz podatkov. Odločilen vir podatkov predstavljajo vrtine in vodnjaki s projektnega območja, katerih podatki so bili zbrani in vneseni v skupno trojezično podatkovno bazo (rezultat delovnega sklopa 2). Javni del podatkovne baze je dostopen na spletni strani projekta (www.t-jam.eu). Razen tega je večina potrebnih rezervoarskih parametrov dostopnih iz obstoječih geoloških in hidroloških modelov. Glede na upravičena območja programa INTERREG SLO-HU Pomurje in Podravje v Sloveniji je projektno območje dobro omejeno z lokacijami vrtin z geotermičnimi in drugimi hidrogeološkimi podatki. Na zahodu so te vrtine v Mariboru in pri Ptujski gori, na jugu v Ptuju, pri Bukovcih in Ormožu. Na jugovzhodu so vrtine v Lendavi in Petišovcih skoraj na meji z Madžarsko in Hrvaško, na vzhodu je nekaj vrtin skoraj na meji z Madžarsko. Na severu imamo vrtine na Goričkem, čeprav ne povsem na meji z Avstrijo, z izjemo tistih v Strukovcih in Nuskovi. Na območju T-JAM projekta, ki pripada Zalski in Železni županiji na Madžarskem, obstaja več proizvodnih termalnih vrtin z dokaj ustreznimi informacijami za geotermično in hidrodinamično ovrednotenje neogenskih vodonosnih sistemov. Vzdolž ali blizu slovenskomadžarske meje so te vrtine v krajih Lenti, Szécsisziget, Bázakerettye in Letenye. Tu zaradi velike globine (3-5 km) nobena obstoječa proizvodna ali opazovalna vrtina ni dosegla vodonosnika v podlagi terciarja. Podrobne geotermične informacije (temperaturne meritve in meritve toplotne prevodnosti na jedrovanih vzorcih kamnin) so na voljo le iz vrtine Bárszentmihályfa-I (Bm-I). V njej je vrh pred-miocenske podlage dosežen v globini 3070 m, vrtina pa je pod neogenskimi sedimentnimi kamninami navrtala mezozojski paket kamnin do globine 5075 m (3070-4460 m: Trias, večinoma dolomit, 4460-5075 m: Jura, večinoma apnenec). Potrebni podatki za geotermično ovrednotenje izvirajo iz različnih arhivov in katastrov. To so: podatkovna baza izvrtanih vrtin za hladno in termalno vodo; vrtine za raziskave ogljikovodikov in nekaj geoloških jedrovanih vrtin. Najbolj uporabni geotermična in hidravlična informacija izvirata iz katastra termalnih vrtin. Za postavitev ciljanih geotermičnih modelov v stacionarnem stanju so potrebni naslednji vhodni parametri (termični pogoji): Temperature v vrtinah Toplotna prevodnost (anizotropija)
in
specifična
toplotna
kapaciteta:
kamnine,
tekočine
3
Srednja letna temperatura na površju (merjena in interpolirana) Površinske gostote toplotnega toka (modelirane, povprečene) Večina podatkov potrebnih za postavitev geotermičnega modela je dostopna iz podatkovne baze ali iz študijske literature. Na projektnem območju so na slovenski strani izmerjene temperature v 154 vrtinah (za število meritev glej dalje v besedilu), na madžarski strani pa je bilo zbranih 369 meritev temperature iz 284 vrtin. Namen teh vrtin je bil različen, toda prevladujejo naftne in plinske vrtine, sledijo proizvodne geotermalne vrtine, medtem ko je število strukturno-raziskovalnih, hidrogeoloških in drugih vrtin že manjše. V obeh državah je bilo uporabljenih pet različnih načinov meritev temperature, njihov končni cilj pa je bil pridobitev formacijskih temperatur. V nadaljnjem opisujemo te načine meritev s prikazom relevantnih podatkov za SV Slovenijo: Temperatura na dnu vrtine (angl. BHT-bottom hole temperature) Med vrtanjem ali takoj po vrtanju, posebno naftnih vrtin, se je izmerila t.i. temperatura na dnu vrtine (BHT) v 83 vrtinah. Ker je bila merjena v toplotno neuravnovešeni vrtini, je potrebna korekcija. Toda ta ni bila narejena zaradi pomanjkanja nekaterih pomembnih podatkov, ki so potrebni za korekcijo. Na srečo je bilo kasneje v zadnjem desetletju izvedenih veliko meritev stacionarne temperature in tlaka v številnih, toda ne vseh, naftno-plinskih vrtinah. Kontinuirana temperaturna karotaža Kontinuirano (zvezno) se je temperatura merila v 28 vrtinah v okviru karotažnih meritev. Tu so vključene tudi geotermalne proizvodne vrtine, v katerih je bila taka karotaža merjena le v nekaj točkah. Temperatura je bila na ta zvezni način merjena tudi v nekaterih vrtinah po daljšem času mirovanja, posebno v zadnjih petih letih; to so že meritve boljše kakovosti. Temperatura merjena med testiranjem določenega odseka vrtine – DST (angl. drill stem test) V okviru testiranja določenih odsekov naftnih vrtin za raziskave potencialnih skladišč (za skladiščenje nafte ali plina) se je temperatura merila v 10 vrtinah v okviru DST meritev. Če je DST opravljen uspešno, je takšna merjena temperatura boljše kakovosti kot pa je ekstrapolirana BHT vrednost. Točkovne temperature Temperatura se je merila v 28 vrtinah na točkovni način z enotnim korakom običajno po 5 ali 10 m. Te temperature so najboljše kakovosti, ker so bile večinoma izmerjene po daljšem času mirovanja vrtine. Temperatura izmerjena v posameznih točkah V 89 vrtinah je bila temperatura izmerjena v posameznih globinskih točkah. Tu so vključene tudi tiste vrtine, v katerih je bila temperatura merjena v več posamičnih globinah z večjim razmikom, na primer na vsakih 25, 50, 100 m ali več, toda ne vzdolž celotnega stolpca vrtine. Tudi te temperaturne vrednosti jemljemo kot zelo kakovostne. BHT vrednosti so nizke kakovosti, saj so to nepopravljene vrednosti. V večini primerov je bila BHT merjena in zabeležena le enkrat v določeni globini, tako jo je nemogoče ekstrapolirati v pravo formacijsko temperaturo. Temperature iz DST so višje kakovosti. Kontinuirano merjene temperature so dobre kakovosti iz nekaterih vrtin, posebno to velja za nedavne meritve z novo karotažno opremo. Podatki iz zgodnjega obdobja zbiranja temperaturnih podatkov so shranjeni v naši podatkovni bazi in njihovo tolmačenje je opisal RAVNIK (1991), medtem ko sta RAJVER & RAVNIK (2002) opisala kasnejšo povečano podatkovno bazo.
4
Temperaturne meritve v zadnjih ca 11 letih v stacionarnem stanju vrtin so podale izboljšane temperaturne gradiente v izbranih vrtinah. Seveda obstaja še precej vrtin, tudi naftnih, v katerih ni bilo izvedenih nobenih novejših meritev temperature. Nove meritve temperatur so še posebej zaželjene v tistih vrtinah, ki so precej oddaljene od vrtin s temperaturnimi podatki. Zbrani geotermični podatki kažejo, da imamo zanesljive podatke iz mnogih globokih naftnih vrtin na tem območju, in tudi iz nekaterih plitvejših vrtin v drugih krajih severne Slovenije (Maribor). Na voljo so tudi podatki o gostoti toplotnega toka iz nekaterih plitvih vrtin, v katerih so bile geotermične meritve dobre. Temperature v vrtinah so bile izmerjene večinoma po časovno daljšem mirovanju vrtin. Na Madžarskem so na voljo 3 glavni nizi podatkov za geotermično ovrednotenje, ki je zasnovano na zgoraj omenjenih petih načinih meritev. Prvi niz prestavlja do sedaj največji izbor geotermičnih podatkov iz leta 1983 (DÖVÉNYI ET AL. 1983). Ta katalog podatkov obsega tudi 288 vrtin s projektnega območja T-JAM. Katalog temelji na datotekah nekdanjega podjetja OKGT (National Oil and Gas Trust), vodnoraziskovalnega centra (VITUKI) in Madžarskega geološkega inštituta (MÁFI). Temperature v teh vrtinah so (1) merjene v stacionarnih pogojih; (2) merjene med proizvodnimi testiranji (DST testi) tako v hidroloških kot tudi v naftnih raziskovalnih vrtinah; in (3) izračunane iz temperatur in količin iztekajoče vode z uporabo empirične enačbe. Drugi niz podatkov obsega 149 izvrtanih vodnjakov z merjenimi temperaturami na dnu vrtin in temperaturami iztekajoče vode. Tretji niz podatkov vsebuje 15 vrtin z detajlnimi točkovnimi meritvami temperature, ki jih je opravilo podjetje GEOLOG Kft, pet od teh je bilo izmerjenih v okviru projekta T-JAM.
3 3.1
Faktorji, ki vplivajo na toplotni tok in toplotno polje Toplotna prevodnost
Toplotna prevodnost vpliva na razporeditev temperature v podzemnem volumnu pri dani gostoti toplotnega toka (GTT) ob predpostavki prenosa toplote s čistim prevajanjem (kondukcijo). Toplotna prevodnost kamnin je določena bodisi neposredno iz termične karotaže, posredno ugotovljena iz drugih geofizikalnih karotaž, ali pa je poiskana iz literature na osnovi litološke sestave. Toplotna prevodnost je bila izmerjena na 129 vzorcih kamnin iz SV Slovenije, ki so bili jedrovani v 24 vrtinah, kot so naftno-plinske vrtine, proizvodne geotermalne vrtine ali pa raziskovalne vrtine. Te direktne meritve so bile izvedene z nestacionarno metodo vroče žice z merilniki proizvedenimi v Sloveniji (Fakulteta za fiziko in matematiko Univerze v Ljubljani; glej RAVNIK, 1991; RAVNIK ET AL., 1995), le vzorci iz ene vrtine so bili nedavno izmerjeni z novo nekontaktno metodo optičnega skeniranja. Podatki o toplotni prevodnosti na Madžarskem izvirajo iz stotine laboratorijskih meritev izvedenih na Oddelku za geofiziko Univerze Lorand Eötvös (LENKEY, 1999). Prvotna vsebnost vode v jedrih kamnin se je ohranila z obdajanjem z voskom, ali pa so bili vzorci nasičeni z vodo pod vakuumom. Meritve so bile 3-krat ponovljene.
5
Kot navajata LAND & PAULL (2001), se toplotna prevodnost kamnin suče med 0,7 in 3,0 W/(m·K). Po STONESTROMU & BLASCHU (2003) so te vrednosti v nasičenih poroznih sredstvih naslednje: 2,2 W/(m·K) za peske, 1,4 W/(m·K) za gline, in 2,9 W/(m·K) za prsti in gline. Toplotna prevodnost nekaterih najpomembnejših vrst kamnin na slovenski strani projektnega območja se lahko predstavi z razponi vrednosti za naslednje skupine kamnin (v W/(m·K)): a) Pesek, nevezan peščenjak: 1,4 do 2,96 (povprečje: 1,93) b) Peščenjak (kompakten), meljevec (peščen, apnenčast), breče peščenjaka in laporja: 1,49 do 4,44 (povprečje: 2,78) c) Glina, lapor, glinovec, laporast in glinast meljevec: 0,92 do 3,21 (povprečje: 2,09) d) Metamorfne: zeleni skrilavec, blestnik, gnajs, filonit, eklogit: 2,09 do 4,6 (poprečje: 3,21) e) Karbonatne kamnine (dolomit, apnenec): 2,01 do 3,66 (poprečje: 2,88) Na Madžarskem so toplotne prevodnosti merjenih neogenskih ‘peščenjakov’, (peska) in ‘glinavcev’ (glina, glinavec, melj in meljevec) izrisane kot funkcija globine (DÖVÉNYI & HORVÁTH, 1988). Oba avtorja sta sklepala, da je toplotna prevodnost neogenskih sedimentov večinoma odvisna od njihove poroznosti, znotraj glavnih litoloških tipov (peščenjak ali glinavec). Trendi poroznosti z globino in njihova kombinacija z merjeno toplotno prevodnostjo neogenskih sedimentov so prikazani v preglednici 1. Preglednica 1. Značilne prevodnosti toplote neogenskih peskov in skrilavcev (po Dövényiju & Horváthu, 1988)
Izvor jedrovanega vzorca
Poroznost (%), glede na litologijo jeder
Toplotna prevodnost jeder (W/(m·K)
Poprečna toplotna prevodnost (W/(m∙K) navpično menjajoče se plasti peska in glinavca za štiri razmerja (% ) plasti peščenjaka v sestavljeni formaciji
*globina (m pod povr.) Glinavci Peščenjaki Glinavci Peščenjaki 5 20 40 80 500 48 43 1.3 2.0 1.3 1.4 1.6 1.9 1000 32 38 1.7 2.4 1.7 1.8 1.9 2.2 1500 19 30 2.1 2.7 2.1 2.2 2.3 2.6 2000 11 21 2.4 2.9 2.4 2.5 2.6 2.8 2500 5.0 14 2.6 3.2 2.6 2.7 2.8 3.1 3000 3.1 8 2.7 3.5 2.7 2.9 3.0 3.3 3500 2.9 6 2.8 3.8 2.8 3.0 3.2 3.6 4000 2.8 4 2.8 3.9 2.9 3.0 3.2 3.7 4500 2.7 3 2.8 4.1 2.9 3.1 3.3 3.8 5000 2.6 2 2.8 4.1 2.9 3.1 3.3 3.8 *Globina pomeni najglobljo vrednost med kontinuirano sedimentacijo bazena brez predpostavljene erozije. Na območju projekta T-JAM se izpeljane vrednosti za erozijo sučejo med 0 in 1000 metri. S pomočjo časovnih rezin, ki so očrtane na seizmičnih profilih, je pred pričetkom geotermičnega modeliranja potrebno opraviti določene globinske popravke na podatkih toplotne prevodnosti.
Glede na laboratorijske meritve na Madžarskem so nekatere dodatne vrednosti za toplotno prevodnost ostalih kamnin naslednje: mezozojski apnenci: 2,7-3,1 W/(m·K), dolomiti: 4,4 6
W/(m·K); glinavci: 2,8 W/(m∙K); paleozojski peščenjaki: 2,7 W/(m·K); metamorfne kamnine: 3,1 W/(m∙K). Če med karbonatnimi kamninami prevladuje dolomit, je lahko njihova poprečna toplotna prevodnost malce višja. Toplotna prevodnost kamnin iz vrtin v SV Sloveniji je glede na litološke skupine predstavljena na sliki 1.
Slika 1. Toplotna prevodnost kamnin, razvrščenih po litoloških skupinah, iz vrtin SV Slovenije (T-JAM projektno območje)
Vredno je omeniti, da je prepustnost poroznega medija lahko v nekaj redov velikosti širokem razponu vrednosti, v nasprotju z njihovo toplotno prevodnostjo, ki je prej kot ne nespremenljiva. Razlog je ta, da se toplota prenaša neposredno v celotni sredini (vključno z 7
zrni kamnin in vmesnimi porami zapolnjenimi s tekočinami), medtem ko se tok tekočine lahko odvija le vzdolž med seboj povezanih por. Tok fluida je rezultat transmisivnosti in gradienta hidravličnega potenciala (Darcyjev zakon), medtem ko je podobno konduktivni toplotni tok rezultat toplotne prevodnosti in geotermičnega gradienta (Fourierev zakon) (slika 2).
Slika 2. V poroznih nasičenih sredinah je transmisivnost (moder trak) predvsem odvisna od sedimentne teksture (velikost zrn, pore), medtem ko je toplotna prevodnost (rjav trak) praktično neodvisna od tega. Širina trakov se nanaša tudi na razpon vrednosti (CONSTANTZ & STONESTORM, 2003).
3.2
Radiogena produkcija toplote
Razpršena produkcija toplote izvira iz razpada radioaktivnih elementov v Zemljini skorji, kar proizvaja energijo. Radiogena produkcija toplote v kamninah je bila določena v 53 vzorcih kamnin iz 14 vrtin v SV Sloveniji. Vsebnost radioaktivnih elementov U, Th in K40 je bila določena na Institutu Jožef Stefan v Ljubljani, gostota kamnin pa v geomehanskem laboratoriju na Geološkem zavodu Slovenije (RAVNIK, 1991; RAVNIK ET AL., 1995). Ta parameter ima določen manjši vpliv na izračun temperature v večjih globinah (običajno >3-5 km), kjer se pričakujejo kamnine z višjo koncentracijo radioaktivnih elementov. Je pa pomemben za temperaturno modeliranje na območjih brez zanesljivih podatkov iz vrtin. Na Madžarskem rezultati meritev radiogene toplote niso na voljo.
8
3.3
Geotermični gradient
Porazdelitev temperature z globino v homogeni sredini brez toka podzemne vode se označi z geotermičnim gradientom (slika 3).
Slika. 3. Geotermični gradient
V regionalnih modelih je T0 srednja letna temperature kraja, T1 je temperatura v določeni globini, λ je toplotna prevodnost, q je gostota toplotnega toka in z je globina. Obratna sorazmernost toplotne prevodnosti in geotermičnega gradienta je jasno naznačena, saj je gradient višji v mlajših sedimentih z nižjimi prevodnostmi toplote in obratno. Nižja toplotna prevodnost je posledica povišane vsebnosti gline in morda tudi laporja. Geotermični gradient je najnižji v dolomitnih kamninah, ki imajo značilno najvišjo prevodnost toplote med kamninami območja. Geotermični podatki na slovenski strani, tj. merjene prevodnosti toplote in kakovostne meritve temperature so ustrezno urejene in predstavljene kot značilne vrednosti za posamezne litostratigrafske in litološke enote. Za vsak litološki opis znotraj posamezne stratigrafske enote je na sliki 4 naveden značilen razpon in srednje vrednosti izmerjenih toplotnih prevodnosti. Na isti sliki so izrisani razponi geotermičnega gradienta in njegove srednje vrednosti. Večji razponi geotermičnega gradienta veljajo za mlajše nesprijete in slabo sprijete sedimente, medtem ko ožji razponi držijo za trde kompaktne kamnine špiljske in haloške formacije in za predterciarne kamnine. Iz slike 4 lahko povzamemo naslednje razpone geotermičnega gradienta za geološke plasti različnih starosti: pliocen: 39-77, miocen: 28-103, mezozoik: 22-34, in paleozoik: 30-48 °C/km.
9
Slika 4. Razpon in srednje vrednosti merjene toplotne prevodnosti kamnin ter razpon s srednjimi vrednostmi izračunanega geotermičnega gradienta v SV Sloveniji. Pomen okrajšav: PF-ptujsko-grajska formacija, MF-murska formacija, LF-lendavska formacija, ŠF-špiljska formacija, HF-haloška formacija.
Tako podrobna analiza geotermičnega gradienta za različne litologije za madžarski del območja projekta ni na razpolago. Seveda pa so geotermični gradienti v različnih globinah območja T-JAM zelo podobni tako v Sloveniji kot na Madžarskem: Madžarsko območje: 500 m: 49,8 °C/km; 1000 m: 47,4 °C/km; 2000 m: 45,6 °C/km; 4000 m: 42,4 °C/km. Slovensko območje: 500 m: 50,1 °C/km; 1000 m: 46,8 °C/km; 2000 m: 42,8 °C/km; 4000 m: 38,1 °C/km. 3.4
Tok podzemne vode
Razen konduktivnega toplotnega pretoka lahko tudi navpični in vodoravni tok podzemne vode prikrojita celotni toplotni pretok. Razpokane, posebno pa zakrasele kamnine, imajo visoko prepustnost, kar omogoča tekoče pronicanje padavin, ki ohladijo svojo okolico na napajalnem območju. V globini 3-4 km se voda segreva in dviga ter izteka na površje kot termalni izviri. Dviganje proti površju je omejeno na majhna področja v nasprotju s procesom hlajenja na napajalnih območjih, torej so segreta območja mnogo manjša (omejena na 10
prelomne cone) od ohlajenih območij. Kot rezultat tega so razkrita kraška območja značilna po nizkih podzemnih temperaturah in gostoti toplotnega toka. Na območjih sedimentacijskih bazenov, kjer so porozni sedimenti odloženi skoraj vodoravno, je navpična hitrost toka podzemnih vod nekaj magnitud nižja od vodoravne komponente, in v nasprotju s kraškimi območji dejansko ne vpliva na toplotni pretok. Slika 5 povzema glavne sestavine sistemov podzemnega toka vode, kjer so tiste z vplivom na toplotni pretok označene z rdečo bravo.
3D porazdelitev hidrostratigrafskih enot
Notranji faktorji, ki obvladujejo sistem Hidrogeološki parametri hidrostratigrafskih enot
Zunanji faktorji, ki obvladujejo vodno in masno bilanco sistema (naravni in umetni)
Napajanje
Iztok
relief in drenažna mreža nadmorska višina in globina do nivoja podzemne vode (odprti 3D porazdelitev nenasičene cone vodonosnik) obseg vodonosnika talninska plast odprtega vodonosnika 3D porazdelitev nasičene cone debelina in talninske plasti različnih vodonosnikov obseg vodonosnika poroznost dvojna poroznost / razpoklinska homogenost /nehomogenost Hidrogeološki značaj izotropnost / anizotropnost Hidrogeološke plastnatost / neplastnatost značilnosti kavernoznost nenasičene tok: pF, K(w) cone transport: disperzivnost Hidrogeološki medsebojni vpliv vodaparametri modela kamnina: mineraloška sestava, adsorbcijske lastnosti poroznost dvojna poroznost / razpoklinska homogenost /nehomogenost Hidrogeološki značaj izotropnost / anizotropnost plastnatost / neplastnatost Hidrogeološke kavernoznost značilnosti tok: k, n, S, koeficient nasičene cone anizotropije koeficient (λ) Hidrogeološki transport: disperzivnost parametri modela medsebojni vpliv vodakamnina: mineraloška sestava, adsorbcijske lastnosti regionalni model vodna bilanca meritve baznega toka, arhivski podatki Naravno napajanje (infiltracija) časovni nizi o gladini vode (simulacija odtoka, izhlapevanje) kakovost vode Umetno napajanje puščanje komunalnih vodov, namakanje Sedanje in predvidene spremembe (najboljši-najslabši in najverjetnejši scenariji), npr. vreme, vegetacijski pokrov, človeške dejavnosti izviri (iztok in vodna Naravni iztok gladina)
11
potoki (iztok, vodna gladina) Izhlapevajoča mirujoča vodna telesa: močvirja (vodna gladina) Izhlapevajoča podzemna voda Umetni iztok vrtine, vodovodi drenaže, melijoracijski jarki Sedanje in predvidene spremembe (najboljši-najslabši in najverjetnejši scenariji), n.pr. znižanje izhlapevanja podzemne vode zaradi klimatskih učinkov sestava deževnice naravne in umetne snovi, sledila: Cl, NO3, K, freon, težke kovine, Transportni procesi izotopi onesnaževala Potencial vlažnosti tal gladina odprtega vodonosnika Potenciali gladina zaprtega vodonosnika cona vlažnosti tal nenasičena cona Hidrogeokemijski, izotopski podatki, Podatki, ki označujejo časovni nizi nasičena cona okoljski status sistema površinske vode (za umerjanje in Geotermične lastnosti podzemni temperaturni podatki, potrditev modela) časovni nizi temperatur iz izvirov alkalna tla Različne spremembe v tleh in kamninah akumulacija zaradi toka podzemne vode, transportnih procesov in medsebojnih vplivov vodaobarjanje kamnina adsorbcija Slika 5. Glavne sestavine sistemov podzemnega toka vode.
3.5
Hitrost sedimentacije/erozije
Termični učinek sedimentacije se mora prav tako upoštevati, posebno na območjih kot je panonski bazen, kjer so se odložila nekaj tisoč metrov debela sedimentna zaporedja z različnimi toplotnimi lastnostmi. V sosednjem Dravskem bazenu, ki meji z jugovzhodne strani, je debelina neogenskih in kvartarnih sedimentov več kot 4000 m, zato je zaradi debelega sedimentnega pokrova primanjkljaj v gostoti toplotnega toka okrog 20 mW/m2 (LENKEY, 1999). To je manj pomembno za Mursko-zalski bazen, kjer sta po zapolnitvi bazena znatno dviganje ozemlja in erozija odstranila več sto metrov sedimentov, kar je povišalo gostoto toplotnega toka. To se bo upoštevalo med numeričnim modeliranjem. 3.6
Tektonski elementi
Različni tektonski elementi (n.pr. prelomi) lahko delujejo kot prednostne tokovne poti za termalno podzemno vodo. Najpomembnejši so tisti skoraj navpični, več sto metrov dolgi kanali, po katerih se termalne vode lahko dvigajo proti površju z majhnim gradientom ohlajanja. To imenujemo »termični vzgon«, in ima važno vlogo v ustvarjanju proste ali delno gravitacijsko vsiljene konvekcije. Lokacija Benedikt v SV Sloveniji lahko sodi v to kategorijo. Konvekcijska cona v metamorfnih kamninah je bila ugotovljena, ko je bila leta 2004 končana raziskovalno-proizvodna vrtina Be-2 (KRALJIĆ ET AL., 2005). Možnost obstoja take cone je bila nakazana že prej z vrtino BS-2, kjer je bil izmerjen visok temperaturni
12
gradient (82 mK/m) v terciarnih kamninah. Tam je torej očitna globoka cirkulacija termalne vode, morda tudi 2 km globoko, kar zadostuje, da temperatura vode doseže med 82-86°C. Za vir toplote torej ni potreben obstoj mladega globokega magmatskega telesa. Na Madžarskem je v regijah Zalaegerszeg, Nagylengyel in Zalakaros več geotermičnih anomalij lahko v povezavi z navpičnimi ali zelo strmimi visoko prepustnimi kanali, za katere sklepamo, da so prelomne cone. Nizka slanost voda označuje celice z vsiljeno konvekcijo (n.pr. Zalaegerszeg), visoka pa celice s prosto konvekcijo (n.pr. Zalakaros). 3.7
Vulkanska in post-vulkanska dejavnost
Vulkanska dejavnost se lahko odraža v visokem toplotnem pretoku, toda velikost starejših vulkanov na T-JAM območju (nedejavni v zadnjih ~10 milijonih letih) ne povzroča povišane gostote toplotnega toka, saj so se magmatske celice v tako dolgem času že ohladile (LENKEY, 1999). Ta faktor se lahko na območju T-JAM projekta torej zanemari.
4
Pričakovani rezultati in učinki (numeričnega modeliranja)
Končni rezultati geotermičnih modelov, ki bodo izšli iz skupnih numeričnih hidrogeoloških in geotermičnih modelov, izdelanih s programoma ModFlow ((fluid flow modelling) in FeFlow (fluid flow and coupled heat transport modelling), bodo različne vrste kart, kot so Površinska gostota toplotnega toka karta anomalij s prikazom območij s pomembnim (pozitivnim ali negativnim) konduktivnim toplotnim pretokom, kombiniranim s podrobno navedeno klasifikacijo tipov hidrogeotermalnih rezervoarjev (n.pr. po HOCHSTEIN, 1988). Karte porazdelitev temperatur v globini -
Niz konturnih kart, ki kažejo izopahe (globine enakih temperature) nekaterih temperaturnih nivojev (n.pr. 30°C, 50°C, 70°C in 90°C izotermalne površine).
Med ovrednotenjem rezultatov numeričnih modelov se bodo sestavile tabele in grafi kot beležke (notice) h kartam. Glavni izsledki numeričnih modelov regionalnega toka in toplote bodo prispevali k boljšemu razumevanju regionalnih sistemov toplotnega toka in toka fluidov. Na osnovi teh dosežkov bodo možne boljše napovedi učinkov različnih scenarijev geotermalnega izkoriščanja (n.pr. vplivov črpanja podzemne vode, izvedbe geotermalno proizvodno-injekcijskih dubletov ali multipletov).
13
5
Geotermični pogoji projektnega območja T-JAM
Panonski bazen – in znotraj njega raziskovani Mursko-zalski bazen – ima zaradi tanke (60100 km) litosfere eno od najboljših geotermičnih lastnosti v Evropi. Skorja (24-26 km) je tu prav tako tanjša od povprečja, in je okrog 10 km tanjša v primerjavi s sosednjimi območji. To je vse posledica tvorbe ekstenzijskega bazena tekom srednjega miocena, ko se je vroča astenosfera približala površini (ROYDEN ET AL., 1983). Regionalna geotermična slika projektnega območja je bila predstavljena v obliki geotermičnih kart v okviru Geotermičnega atlasa Evrope (HURTIG ET AL., 1992). 5.1. Povzetek sedanje direktne rabe geotermalne toplote Na območju T-JAM projekta se odvzem toplote večinoma odvija preko termalnih vrtin, kar je bilo povzeto v raziskavi o vidikih izkoriščanja (LAPANJE ET AL. 2010). Na Madžarskem geotermalno energiji izrabljajo direktno le v dveh kategorijah, medtem ko na slovenskem delu območja termalno vodo izrabljajo v 5 kategorijah direktne rabe, v pripravi pa je izraba vsaj še v eni ali dveh kategorijah (taljenje snega, gojenje rib). Verjetno tudi v jugozahodni Madžarski obstajajo podobni načrti za razširitev direktne rabe toplote še na druge kategorije. Podatki o direktni rabi geotermalne toplote so bili dostopni od 13 uporabnikov s 25 proizvodnimi vrtinami v SV Sloveniji (brez Benedikta) in iz 29 lokacij z izkoriščanjem termalne vode z 42 proizvodnimi vrtinami in iz enega močnega izvira v Hévízu na JZ Madžarskem. Geotermalne toplotne črpalke (GTČ) so trenutno bolj razširjene v SV Sloveniji kot pa v JZ Madžarski. Inštalirana kapaciteta za vseh pet kategorij v SV Sloveniji (posamezno ogrevanje prostorov, daljinsko ogrevanje, klimatizacija, ogrevanje rastlinjakov, kopanje & plavanje vključno z balneologijo) v direktni rabi toplote znaša 38.83 MWt, skupaj z enotami GTČ pa znese 48.83 MWt. V JZ Madžarski je instalirana kapaciteta za dve kategoriji (daljinsko ogrevanje, kopanje & plavanje vključno z balneologijo) 71.17 MWt, brez podatka o kapaciteti GTČ enot. Letna raba geotermalne energije za pet kategorij dosega v SV Sloveniji 382 TJ, skupaj z GTČ enotami pa okrog 432 TJ. Za obe kategoriji v JZ Madžarski pa je letna raba energije 660 TJ in skupaj z GTČ enotami okrog 678 TJ. Medtem ko v SV Sloveniji od skupno približno 600 enot prevladujejo GTČ voda-voda z odprtim krogotokom, pa imajo v JZ Madžarski od skupno 98 enot GTČ večinoma navpične toplotne izmenjevalce z zaprtim krogotokom. 5.2.
Značilnosti toplotnega toka na območju
Karta gostote toplotnega toka (GTT) projektnega območja in njegove okolice je prikazana na sliki 6. Karta temelji na 27 meritvah toplotnega toka in približno 1500 ocenah na Madžarskem, medtem ko je izven Madžarske vsebina karte osnovana na »Geotermičnem atlasu Evrope« (HURTER & SCHELLSCHMIDT 2003). Natančnost izolinij je ± 15 %. Od izdaje te karte (2005) se na Madžarskem niso izvajale nobene nove meritve toplotnega toka, še več, nove meritve temperature v vrtinah se ujemajo s prejšnjimi, tako da karta GTT ni bila spremenjena. Od JZ roba pri Ptuju s približno 60-70 mW/m2 se površinska GTT zvišuje proti madžarski meji. Povišane vrednosti GTT, nad 120 mW/m2, zasledimo na Murskosoboškem bloku, od Lenarta proti Moravskim Toplicam, ter na območju Pečarovci-Dankovci. To lahko pojasnimo s majhno globino do pred-terciarne podlage ter s conami konvekcije v pred-terciarnih 14
kamninah, kar je dokazano v Benediktu, ter je možno pod Mursko Soboto in Moravskimi Toplicami. Manjša anomalija, nad 110 mW/m2, se nahaja pri Lendavi, toda njen obseg bi se lahko navezal na razmere v JZ Madžarski. Madžarski del je značilen po širšem razponu površinske GTT. Najnižje vrednosti so v hribovju Keszthely na VSV projektnega območja, kjer pronicujoče hladne kraške vode hladijo okolico v podzemlju. Vrednosti kažejo postopen porast proti JZ in lahko dosežejo 90-100 mW/m2 blizu slovenske meje.
Slika 6. Karta gostote toplotnega toka projektnega območja in njegove okolice (HORVÁTH ET AL. 2005)
5.2.1. Madžarska Konvektiven toplotni tok območja se lahko oceni iz arhivske porazdelitve temperature, merjene v vrtinah (Preglednica 2, slika 7) in iz geološkega-hidrogeološkega poznavanja območja. Podjetje Geo-Log je jeseni 2010 kot podizvajalec v projektu izvedlo 5 novih meritev (Preglednica 3, slika 8, dodatki I-V). S ciljem določiti porazdelitev temperature je bila opravljena zvezna temperaturna karotaža v teh 5 vrtinah. Za preveritev cevitve vrtin sta bila merjena tudi premer vrtine in vrednost naravne gama aktivnosti. Te vrednosti se bodo dodale k numeričnim modelom toplotnega prenosa zaradi izboljšave natančnosti toplotnega toka.
15
Preglednica 2. Temperaturne vrednosti in ostali prej izmerjeni toplotni parametri v vrtini Szombathely II. popravljena gostota toplotna globina toplotna debelina temperatura toplotnega prevodnost (m) prevodnost (m) T (°C) toka (W/mK) (W/mK) (mW/m2) 0 - 1003
ksh = 1.83 kst = 2.6
" "
821 182
1003 - 1062
k = 2.54
"
59
1062 - 1810
ksh = 1.99 kst = 3.28
" 2.93
728 20
1010 - 1913
k = 2.66
2.46
103
1913 - 2064
k = 3.61
3.18
151
2064 - 2085
k = 2.84
2.56
21
2085 - 2150
k = 3.42
2.97
65
33.7
71.9
55.7
108.7
93
90.2
0 - 2150
sh – glinavec (shale) st – peščenjak (sandstone) Preglednica 3. Osnovni podatki izmerjenih vrtin v okviru projekta T-JAM Ime vrtine
Fürdő-1
NG-1 MÁFI opazovalna vrtina
Nádasd N-2
Kd-3
ZG-1
Naselje
Szombathely
Nagygörbő
Hegyháthodász
Kehidakustány
Zalaegerszeg
EOV_Y
465000
507825
467794
500844
480493
EOV_X
212500
179478
179117
167577
171473
Z
211,6
168,46
209,7
124,3
?
Leto izdelave
1960
1972
1957
1964
1999
dno (m)
1498,6
1517
2112,6
3213,3
940
Vrh filtrov (m)
600
1192
1728
213,5
901
Dno filtrov (m)
937
1315
1736
222
925
Število filtrov
7
1
1
1
3
83,5
?
73,9
?
44,8
37
?
64
44
27
Statični nivo vode (m)
-47,2
-23
-6,9
-9,0
-35,8
Najvišji iztok (l/min)
600
?
?
42
?
Temperatura (°C)
dna
vrtine-BHT
Temperatura (°C)
iztekajoče
vode
16
Slika. 7. Geološki profil vrtine Szombathely II z merjeno toplotno prevodnostjo, temperaturo in temperaturnim gradientom.
17
Slika 8. Lokacija izmerjenih vrtin na Madžarskem.
V vrtini Szombathely Fürdő-1 (dodatek 1A-B) se je izvedla karotaža temperature in naravnega gama v odseku 3,3–758,8 m. Prevrtane so zgornje 'panonijske' peščene, alevrolitsko-glinaste plasti (Tihany F.). Sosednja vrtina Szombathely Fürdő-3 ima enak geološki profil, kjer je bila karotaža temperature opravljena v odseku 2,7–664,4 m in naravni gama v odseku 2,7–662,9 m. Vrtina Szombathely Fürdő-1 je bila globoka 1498,6 m, BHT izmerjena na dnu znaša 83,5°C. Profil temperature z globino (T-z profil) izmerjen v stacionarnih pogojih kaže v zgornjem delu izotermalne vrednosti okrog 14,2°C do globine 59 m, nato večinoma stalen porast temperature od 58 m do končne globine meritev 758,8 m s temperaturo 42,89°C. Edina izjema je, kjer izmerjene temperature kažejo, da vstopa voda v vrtino iz nižjih vodnih nivojev (globlje od 770 m), se dviga po vrtini in izhaja iz nje v kamninsko formacijo v filterskem odseku 600-625 m. Povprečni temperaturni gradient v odseku 59-758,8 m doseže 41 °C/km. Ob upoštevanju 10,5 °C v globini 20 m kot privzeto vrednost za srednjo letno temperaturo površja, je interpolirani potek temperature (zeleno) od najgloblje merjene karotažne temperature predstavljen z gradientom 43,8 °C/km. To namiguje na to, da merjeni T-z profil v svojem najvišjem delu ni stabiliziran. Ni opazne neke posebne litološke odvisnosti. Vrtina Nagygörbő NG-1 (dodatek 2A-B) je prevrtala zgornje ‘panonijske’ plasti (Újfalu in Hanság F.), pod katerimi so bili navrtani zgornje miocenski Tinnye in Szilágy glinasti laporji ter formacija apnenca Rákosa ter srednje miocenske (Badenska glina, Tari dacitni tuf, Tekeres Schlier) in spodnje miocenske (Budafa, Szászvár, Gyulakeszi riolitni tuf) formacije. Najnižje ležeči del vrtine je navrtal oligocensko Csatka formacijo. Temperaturna karotaža je bila izvedena v odseku 1,6–1106,9 m, naravni gama karotaža pa v odseku 1,6–1105,4 m. 18
Končna globina vrtine Nagygörbő NG-1 je 1517 m brez BHT meritve na dnu. Izmerjen T-z profil v pogojih toplotnega ravnotežja kaže izotermične vrednosti v zgornjem delu (do globine 42 m), nato trend porasta s povprečnim temperaturnim gradientom 17,6 °C/km v globinskem odseku 42,5-1106,9 m. Najvišja temperatura 30,17°C je izmerjena v globini 1106,8 m. Profil kaže nekaj spremenljivosti v gradientu, ki so verjetno v korelaciji z litološkimi spremembami. Do globine 380 m je v T-z profilu opazno pronicanje hladne meteorne vode s temperaturnim gradientom precej nižjim tam in višjim v globljem manj prepustnem litološkem odseku. Interpolirani potek temperature kaže na gradient 18,1 °C/km. T-z profil je bil izmerjen v skoraj toplotno ravnovesnih pogojih. Vrtina Hegyháthodász Nádasd N-2 (dodatek 3A-B) je prevrtala zgornje 'panonijske' peščene, glinaste, alevrolitske sedimente (Tihany formacija) do 1146,0 m. Pod njimi ležijo peščene, lapornate, alevrolitske usedline Algyő formacije do 1322,0 m. V odseku 1322,0-1832,0 m nastopajo glinasti laporji, peščeni laporji, ter plasti peska in glinastega peska Szolnok formacije. Karotaža je bila merjena do globine 1832,3 m. Končna globina vrtine Hegyháthodász Nádasd N-2 je 2395 m. BHT v globini 1536 m je dosegla 73,9 °C. Med temperaturno karotažo je bila najvišja izmerjena temperatura 91,8°C v globini 1832,2 m. T-z profil ne kaže nobenih posebnosti razen manjših odstopanj zaradi litoloških sprememb in/ali slabotnih migracij vode. V odseku 11-1832,2 m je poprečen temperaturni gradient 44,1 °C/km. Interpolirani potek temperature kaže gradient 44,9 °C/km, kar nam pove, da je bil T-z profil izmerjen v praktično toplotno stacionarnih pogojih. Vrtina Kehidakustány, Kd-3 (dodatek 4A-B) je presekala zgornje ‘panonijske’ peščene, alevrolitske plasti Somló formacije pod tankim kvartarnim pokrovom. Temperaturna karotaža je izvedena v odseku 3,0–209,3 m, karotaža naravne gama pa v odseku 3,0–207,8 m. Končna globina vrtine Kehidakustány, Kd-3 je 3212,3 m. Ko je vrtina dosegla globino 1498,6 m, je bila temperatura iztekajoče vode 44 °C. T-z profil kaže na majhne litološke spremembe in/ali možna bočna pronicanja vode v odseku 110-125 m ter tudi v globini 155 m. Najvišja temperatura v karotiranem odseku je bila 53,83°C v globini le 209,2 m. zato povprečni temperaturni gradient v odseku 20-209,2 m doseže zelo visoko vrednost 190 °C/km. Interpolirani temperaturni potek kaže na gradient 229 °C/km, kar nam pove, da T-z profil ni stabiliziran, vsaj ne v zgornjih 120 m. Tako visok temperaturni gradient nakazuje, da je vrtina zelo verjetno dosegla nivoje termalne vode v večjih globinah (morda globlje od 1500 m?) od koder se termalna voda dviga in vpliva na T-z profil v zgornjih 210 m. Vrtina Zalaegerszeg, ZG-1 (dodatek 5A-B) je prevrtala zgornje ‘panonijske’ peščene, alevrolitske plasti pod tankim kvartarnim pokrovom. Temperaturna karotaža je izvedena v odseku 3,0–937,6 m, karotaža naravne gama pa v odseku 3,0–936,1 m. Vrtina Zalaegerszeg, ZG-1 je dosegla končno globino 940 m. BHT je bila izmerjena 46°C, verjetno na dnu vrtine. Med karotažo je bila najvišja izmerjena temperatura 44,8°C v globini 937,6 m. T-z profil kaže večje variacije v zgornjih 200 m, kar se lahko korelira z litologijo, saj v bolj peščenih plasteh advekcija hladnejše vode vpliva na merjene temperature. Poleg tega Tz profil ni bil izmerjen v povsem stacionarnih pogojih. To je očitno iz interpoliranega poteka temperature, ki kaže na temperaturni gradient 37,4 °C/km, medtem ko je temperaturni gradient iz merjenega T-z profila v odseku 200-937,6 m samo 30,4 °C/km. T-z profil,
19
izmerjen v globinskem odseku 764-937 m med črpalnim preizkusom z iztokom 150 l/min, kaže na filtersko cono (840-857 m), kjer voda vstopa v vrtino. 5.2.2. Slovenija
Povprečna gostota toplotnega toka (GTT) je izračunana za lokacije 27 vrtin, ker pa so merjene prevodnosti toplote na vzorcih kamnin na voljo iz 24 vrtin, smo dodali 3 vrtine z dobrimi T-z profili, zanje pa smo privzeli toplotno prevodnost iz bližnjih vrtin z enako ali zelo podobno geološko sestavo. Za nekatere lokacije GTT ni bilo možno ekstrapolirati, zato smo se zatekli k teoretičnemu izračunu T-z profila po RYBACHU (1981). Na slovenskem območju je bilo dodano še nekaj točk s tem izračunom za 1-dimenzionalno modeliranje v konduktivnem režimu, zgolj zato, da se izboljšajo karte v predelih brez dobrih podatkov iz vrtin. Izračunana površinska GTT se suče med 66 in 155 mW/m2, najnižja vrednost je iz vrtine Jan-1/04 v Janežovcih, najvišja pa je določena na lokaciji vrtine Pg-9/89 v Petišovcih pri Lendavi. Vrednosti se večinoma gibljejo med 90 and 130 mW/m2. V Benediktu v Slovenskih goricah je bila izmerjena poleg konduktivne GTT tudi izrazita konvektivna anomalija. V starejši vrtini BS-2 (globine 788 m) je temperaturna karotaža do globine 635 m v letu 1976 pokazala povišan temperaturni gradient 82 °C/km v terciarnih plasteh. Razlog je obstoj konvekcijske cone v metamorfnih kamninah tik pod vrtino, ki so bile navrtane z vrtino BS-2 le v dolžini 31 m, v najglobljem delu vrtine (RAVNIK ET AL., 1987). Cona konvekcije je bila dokazana mnogo kasneje, ko je bila leta 2004 končana proizvodna vrtina Be-2/04 le 877 m stran (slika 9, podatki iz KRALJIĆ ET AL., 2005). Geotermični podatki iz vrtine BS-2 so se uporabili za določitev GTT. Za intervalni izračun GTT so se uporabili geotermični gradient za globinski odsek ±20 m v vsaki globini z določeno prevodnostjo toplote (Preglednica 4). Povprečna GTT vrednost za lokacijo BS-2 je določena na 145 mW/m2. Vrtina Be-2/04 je prevrtala skozi terciarne sedimente (glina, peščena glina, lapor, melj, apnenčeve breče, peščenjak) in dosegla paleozojske metamorfne kamnine v globini 760 m. Metamorfne kamnine faciesa zelenega skrilavca (filit) so bile prevrtane do globine 810 m, do dna pa muskovitno biotitni skrilavci v menjavanju z dolomitnim marmorjem, amfibolitom in kvarcitom. Temperaturni gradient je precej visok v terciarnih sedimentih, in dosega 85 °C/km. V globini 800 m je izmerjena najvišja temperatura 86 °C. Preglednica 4. Temperaturne vrednosti in ostali toplotni parametri iz starejše vrtine BS-2 v Benediktu. Globina (m)
Geologija
Geotermični gradient (mK/m)
155 230 405 420 465 772 781
peščenjak meljast lapor peščen lapor peščen lapor peščenjak zeleni skrilavec tuf sljudnatega skrilavca
70 100 70 70 70 40* 40*
povprečna q
Toplotna prevodnost K (W/m·K) 3.00 1.59 1.90 1.59 2.77 2.41 2.77
Izmerjena temperatura (°C) 27.6 33.8 50.1 51.2 54.4
Intervalna q (mW/m2) 210 159 133 111 194 96 111 145
* geotermična gradienta v globinah 772 in 781 m sta ocenjena s predpostavko konstantne gostote toplotnega toka (q) vzdolž celotne vrtine brez omembe vredne migracije vode.
20
Slika. 9. Izmerjene temperature v vrtini Be-2 v Benediktu (podatki po KRALJIĆ ET AL., 2005).
S ciljem izboljšati prikaz porazdelitve temperature z globino so bile izvedene točkovne meritve temperature (tipično s korakom 100 ali 200 m) in meritve tlaka v mnogih naftnih vrtinah, ki so bile že dalj časa zaprte. Tu prikazujemo nekaj značilnih vrtin iz različnih predelov severovzhodne Slovenije z bolj ali manj nedavno izmerjenimi temperaturami, ki so dovolj uporabne za geotermično interpretacijo. Precej je tudi drugih vrtin in proizvodnih geotermalnih vrtin s temperaturnimi meritvami, ki pa so večinoma BHT in DST vrednosti ter izmerjene temperature v posamičnih točkah. V nekaterih vrtinah je poleg teh vrednosti merjena še kontinuirana temperaturna karotaža, v nekaterih drugih pa le omenjena karotaža toplotno ne povsem stabiliziranih pogojih. Vse tovrstne vrtine se, na primer, nahajajo v Murski Soboti, Gabrniku, Radencih, Dankovcih, Filovcih in drugih krajih.
V najgloblji slovenski vrtini Ljut-1 pri Ljutomeru, izvrtani v naftnih raziskavah, je bila temperatura merjena večkrat. Kmalu po končanem vrtanju so bile opravljene DST meritve v 21
treh različnih globinah. Prve točkovne meritve (s korakom 5 ali 10 m) so bile izvedene v oktobru 1992 v globinskem odseku 10-1965 m po štirih letih mirovanja. Druge točkovne temperaturne meritve (s korakom 100 m) so bile izvedene v juniju 1997 v globinskem odseku 0-4026 m po več kot dveh letih mirovanja. Najvišja temperatura 173,4°C je bila izmerjena v globini 4026 m. V T-z profilih (sliki 10 in 11) ni videti nekih posebnosti, le prvi T-z profil kaže na vpliv zadnje ledene dobe. Vrtina je prevrtala pleistocenske in pliocenske sedimente, nato pa debel niz miocenskih sedimentov (zgornji pontij do karpatij), večinoma laporje, peščenjake in meljevce v menjavanju, nato zgornje triasni silikatni brečast dolomitni apnenec in se končala v gnajsu predordovicijske starosti. Poprečni temperaturni gradient v terciarnih plasteh je 40,3 °C/km, iz temperaturnega gradienta in merjenih toplotnih prevodnosti pa je določena površinska GTT za to lokacijo, ki znaša 116 mW/m2.
Slika. 10. Poenostavljen geološki profil vrtine Ljut-1 z merjenimi temperaturami, toplotno prevodnostjo, radiogeno produkcijo toplote in intervalnimi vrednostmi GTT (iz geotermične podatkovne baze GeoZS).
22
Slika 11. Merjene temperature v vrtini Ljut-1/88.
Tudi vrtina Mt-2 v Rimski Čardi je izdelana z namenom naftnih raziskav. Vrtana je bila skozi niz sedimentov in sedimentnih kamnin pliocenske do badenijske starosti, plitveje glino, pesek, peščeno glino, globlje pa peščenjak z laporjem, zaključila pa se je v paleozojskih kamninah nizke stopnje metamorfoze (blestnik podoben filitu). Prve točkovne meritve temperature (s korakom 10 m) so bile opravljene novembra 1985 v globinskem odseku 10-810 m po dolgem času mirovanja vrtine. T-z profil ne kaže nobenih posebnosti kot so cone migracije vode in podobno, dejansko je docela linearen (slika 12). Iz temperaturnega gradienta, ki dosega 61 °C/km v terciarnih kamninah, ter privzetih vrednosti za toplotno prevodnost iz bližnje vrtine v Moravskih Toplicah s skoraj istovetno litološko sestavo je določena površinska GTT na 120 mW/m2.
23
Slika 12. Poenostavljen geološki profil vrtine Mt-2/61 v Rimski Čardi z merjenimi temperaturami, izpeljanim temperaturnim gradientom (za prvo meritev) in izračunanimi vrednostmi intervalne GTT.
Naftna vrtina Pg-7 v Petišovcih je izvrtana skozi sedimente in sedimentne kamnine pleistocenske do karpatijske starosti, večinoma v peščeni glini z nekaj malega premoga v odseku pontijske starosti, ter v laporju, peščenjaku in meljevcu v ostalem daljšem globinskem odseku. Kompletno karotažo je izvedlo podjetje INA (Zagreb). Prvo karotažo temperature so opravili oktobra 1988 v odseku 50-1790 m (s korakom 50 m), ko je bila vrtina še v fazi vrtanja. Drugo temperaturno karotažo so izvedli 6 dni po končanem vrtanju decembra 1988 v globinskem odseku 2500–2890 m (s korakom 20 m), tako da je ta del T-z profila mogoče kaže nekoliko bolj toplotno stabilizirano stanje (slika 13). Povprečni temperaturni gradient je v terciarnih kamninah 48 °C/km in ugotovljena površinska GTT znaša 137 mW/m2. V bolj stacionarnih pogojih je bila kasneje izmerjena najvišja temperatura 146°C v globini 2782 m.
Slika 13. Poenostavljen geološki profil vrtine Pg-7/88 (Petišovci) z merjenimi temperaturami, toplotno prevodnostjo, radiogeno produkcijo toplote in določenimi vrednostmi intervalne GTT.
24
Vrtina Peč-1 v Pečarovcih je prevrtala skozi pliocenske sedimente in debel niz miocenskih sedimentih kamnin, večinoma glino, pesek, premog v zgornjem delu ter peščenjak, lapor, meljevec in konglomerat v ostalem daljšem globinskem odseku. Bližje dnu je vrtina prevrtala 115 m debel odsek mezozojskega dolomita in dolomitne breče ter se ustavila v paleozojskih metamorfnih kamninah, večinoma filitu. Prva karotaža temperature je izvedena še med vrtanjem v februarju 1991 v globinskem odseku 300-1388 m (kar tu ni prikazano). Pokazala je nekaj con slabše cirkulacije vode ali pa cone dotekanja vode, najbolj izrazito v globinah 690-690 m, 740-750 m in 1060-1070 m. V obdobju 1991-2001 so izmerjene štiri posamične temperature v štirih globinah od 1862 do 2098 m, dve med njimi po poglobitvi v globinah 2001 in 2098 m. Najvišja izmerjena temperatura v tej vrtini je 104 °C v globini 2001 m (slika 14). Uporabljene so bile za določitev temperaturnega gradienta v terciarnih kamninah te lokacije (45 °C/km). Skupaj z vrednostmi za toplotno prevodnost ugotovljena površinska GTT tako znaša 111 mW/m2.
Slika 14. Poenostavljen geološki profil vrtine Peč-1/91 (Pečarovci) z merjenimi temperaturami (samo tiste po februarju 1991), toplotno prevodnostjo, radiogeno produkcijo toplote in izračunanimi vrednostmi intervalne GTT.
Vrtina Mg-6/85 v Murskem gozdu je prevrtala pleistocenske (glina, pesek) in miocenske sedimentne kamnine (glina, pesek, lapor, lapornata glina, peščenjak, lapornat peščenjak) od zgornjega pontija do karpatija, vse do globine 3732 m. Globlje do dna (3858 m) se je končala v dolomitni breči triasne (morda tudi permske) starosti. Temperature so bile od februarja do marca 1985 večkrat izmerjene v globljem odseku vrtine kot BHT vrednosti in med DST testiranji z najvišjo kadarkoli izmerjeno temperaturo, 202 °C v globini 3739 m (v sklopu DST). V aprilu 2002 so bile po daljšem mirovanju izmerjene točkovne temperature v globinskem odseku 100-1570 m. Vse so prikazane v sliki 15. Tako so te stabilizirane temperaturne vrednosti uporabljene skupaj z DST vrednostmi za določitev temperaturnega gradienta v terciarnih kamninah te lokacije (51 °C/km). Skupaj z vrednostmi za toplotno prevodnost ugotovljena površinska GTT tako znaša 124 mW/m2.
25
Slika 15. Poenostavljen geološki profil vrtine Mg-6/85 (Murski gozd) z merjenimi temperaturami, toplotno prevodnostjo, radiogeno produkcijo toplote in določenimi vrednostmi intervalne GTT.
Vrtina Be-1 (Benica) je bila izdelana v skozi sediment in sedimentne kamnine pliocenske do badenijske starosti z glino in peskom v najbolj zgornjem delu ter menjavanje laporja in peščenjaka globlje. Temperaturne točkovne meritve marca 2001 v globinskem odseku 2002000 m (v nepravilnih presledkih s koraki 200-500 m) so pokazale višji geotermični gradient kot pa BHT meritve med in takoj po vrtanju leta 1960 (slika 16). Temperaturni gradient v terciarnih sedimentnih kamninah znaša 49 °C/km. V globini 2755 m je izmerjena najvišja temperatura 124°C kot BHT meritev brez posebnosti. Na tej lokaciji površinska GTT ni bila določena.
Slika 16. Merjene temperature v vrtini Be-1 s poenostavljenim stratigrafskim stolpcem.
26
Vrtina MB-1 v Mariboru je bila izvrtana skozi miocenski lapor, peščeni lapor in peščenjak, globlje od 639 m pa v paleozojskih metamorfnih kamninah, kjer prevladuje gnajs, manj pa je amfibolita in eklogita. Temperature so bile merjene večkrat v točkovnem načinu. Prva taka meritev je bila izvedena 21. 11. 1990 v globinskem odseku 10-657 m, ko je bila vrtina globoka 834 m. Po poglobitvi do končne globine 1331 m je bila merjena v odseku 200-1020 m, kot BHT pa je bilo izmerjeno 56 °C v globini 1330 m kmalu po končanem vrtanju. Naslednje točkovne meritve temperature so bile opravljene 1. 10. 1991 v odseku 40-1000 m, nato pa je dne 18. 2. 1992 izvedena temperaturna zvezna karotaža v odseku 0-970 m. Končno so najboljše točkovne meritve temperature izvršene 17. 9. 1992 v odseku 40-1330 m. Najvišja temperatura 60,4 °C je bila izmerjena v globini 1330 m. T-z profil (slika 17) kaže nekaj odsekov z ničelnim temperaturnim gradientom (620-650 m, 680-740 m, 760-800 m), slabše izraženi so nekateri globlji odseki (n.pr. 870-880 m, 930-950 m), vsi pa se navezujejo na več filtrskih odsekov, ki omogočajo neke vrste slabotno kroženje vode. Povprečni temperaturni gradient v terciarnih plasteh je 46 °C/km, v metamorfnih kamninah pa je nižji, znaša namreč 30,4 °C/km. Skupaj z vrednostmi za toplotno prevodnost ugotovljena površinska GTT znaša tako na tej lokaciji 112 mW/m2.
Slika 17. Poenostavljen geološki profil vrtine MB-1/90 (Maribor) s poslednjimi točkovno merjenimi temperaturami, izvedenim temperaturnim gradientom, toplotno prevodnostjo, radiogeno produkcijo toplote in izračunanimi vrednostmi intervalne GTT.
Geotermalna proizvodna vrtina SOB-2 v Murski Soboti je bila izvrtana leta 1988 v celoti v pliocenskih (glina, pesek, melj, meljasta in peščena glina) in zgornje pontijskih sedimentih (pesek, melj, peščen lapor, rahlo vezan peščenjak) do globine 887 m. Temperature so bile merjene večkrat. Prve točkovne meritve, vendar ne vzdolž celotnega stolpca vrtine, so bile opravljene 17.-18.4.1988 še med vrtanjem, ko je bila vrtina globoka le 580 m. Meritve BHT so bile izvedene med vrtanjem in so pokazale 46,8°C v globini 580 m ter 57°C v globini 840 m. Druge po vrsti točkovne meritve so bile opravljene 16.-17.5.1988 v odseku 450-840 m takoj po dosegu končne globine. Nato je bila vrtina testirana do 20. 6. 1988. Tako so bile tretje točkovne meritve opravljene 23.-24.9.1988 po približno treh mesecih mirovanja. Najbolj opazna odlika zadnjega T-z profila (slika 18) je odsek 420-760 m z zelo očitno migracijo vode iz spodnjih prepustnih peščenih in meljastih plasti okrog globine 750 m navzgor do globin okrog 450 m, ker se termalna voda preneha pretakati proti površju. Najvišja temperatura 60,75°C je bila izmerjena v globini 870 m. Povprečni temperaturni
27
gradient vzdolž celotne vrtine znaša okrog 57 °C/km, površinska GTT je določena na 100 mW/m2 na tej lokaciji.
Slika 18. Poenostavljen geološki profil vrtine SOB-2/88 (Murska Sobota) s poslednjimi točkovno merjenimi temperaturami, izvedenim temperaturnim gradientom, merjeno toplotno prevodnostjo, radiogeno produkcijo toplote in izračunanimi vrednostmi intervalne GTT.
5.3.
Začetna porazdelitev temperature
Zbrani temperaturni podatki, popravljeni in vnešeni v ekspertno podatkovno bazo vrtin, so bili uporabljeni za prikaz 3-dimenzionalnega modela podzemnih temperatur na izbranih globinskih ravneh. Glede na dogovor med slovenskimi in madžarskimi partnerji so bile izbrane štiri globinske ravni: 500, 1000, 2000 in 4000 m pod površino tal. Za vsako globinsko raven so bile izbrane najbližje izmerjene temperature. S pomočjo izračunanega gradienta vzdolž istega navpičnega profila je bila izvedena ekstrapolacija na dano raven. Ti podatkovni nizi so služili kot osnova za interpolacijo za vsako raven. Slike 19-22 prikazujejo porazdelitve temperature v izbranih globinah.
28
Slika 19. Temperaturna porazdelitev v globini 500 m pod površjem.
Temperatura v globini 500 m Vzhodno od črte Maribor-Ptuj so temperature praktično povsod višje od 30°C. Najvišje temperature najdemo na območju murskosoboškega hrbta od Lenarta do Moravskih Toplic, pri Benediktu in Radencih lahko pričakujemo celo nad 45°C, toda te cone visokih temperatur so lahko ožje od prikazanega na temperaturni karti. Malce povišane temperature nastopajo tudi pri Lendavi in Murskem gozdu glede na bližino obdajajočih predelov kot je vzdolž ljutomerskega jarka. Visoke temperature na murskosoboškem hrbtu so posledica plitvosti predterciarne podlage in konvekcijskih con v metamorfnih kamninah, kar je dokazano v Benediktu, medtem ko se naprej proti severovzhodu pod Mursko Soboto in Moravskimi Toplicami takšne cone morda lahko le pričakujejo. Na madžarski strani je nekaj območij s temperaturo višjo od 45°C: blizu jezera Hévíz in v okrožju Sümeg, ki kažeta na dviganje termalne kraške vode. V poroznem sedimentnem bazenu je tudi nekaj pozitivnih temperaturnih anomalij, tik nad zahodnim delom okrožja naftnega polja Nagylengyel, pri krajih Szilágy in Csonkahegyhát. Morda je ta anomalija posledica velike anomalije v globinah 1800-2100 m v kraški podlagi, katero pa povzroča razvejano dviganje termalne vode kot regionalnega sistema vsiljene konvekcije. Ta fenomen je potrebno raziskati v manjšem merilu.
29
Slika 20. Temperaturna porazdelitev v globini 1000 m pod površjem.
Temperatura v globini 1000 m Vzhodno od črte Maribor-Ptuj lahko pričakujemo temperature nad 46 °C, vzorec je skoraj isti kot za globino 500 m. Najvišja anomalija se nahaja na območju od Lenarta preko Benedikta proti Moravskim Toplicam z vrednostmi nad 66°C, ki je do sedaj potrjena ali vsaj skoraj zanesljivo dokazana s temperaturnimi meritvami v vrtinah v Benediktu, Murski Soboti in Moravskih Toplicah. Nad 58°C lahko pričakujemo od Lendave proti jugovzhodu (Murski gozd). Anomalija pri Benediktu in morda v Murski Soboti in Moravskih Toplicah je nemara ožja od prikaza na karti, dejansko ni gotovo kako in v kateri smeri je anomalija raztegnjena. Obstaja zaradi nekakšne globoke razpokanosti v metamorfnih kamninah (pri Benediktu vsaj 1 km globoko), kar omogoča prenos toplote s konvekcijo iz globin prek 1,9 km skozi razpoke proti terciarnim plastem. Temperature nad 65°C kažejo na pozitivno in pod 45°C na negativno anomalijo. Pozitivna anomalija je lahko v zvezi z globokim sistemom konvektivnega toka v predterciarni podlagi, kot je že omenjeno za karto izoterm v globini 500 metrov. Anomalija Pusztaszentlászló je lahko povezana z dvigom podlage. Trenutno ni razumne razlage za anomaliji Bajcsa in Szécsi-sziget. Negativne anomalije v zahodni, severni in severovzhodni smeri od omenjene pozitivne anomalije Nagylengyel-W lahko obrazložimo z gibanjem podzemne vode navzdol v globlje kraške sisteme niže od 1800 metrov.
30
Slika 21. Temperaturna porazdelitev v globini 2000 m pod površjem.
Temperatura v globini 2000 m Vzhodno od črte Maribor-Ptuj so temperature skoraj povsod višje od 80°C. Anomalija pri Benediktu skoraj ni več opazna, saj kroženje termalne vode v podlagi povzroča zelo visok geotermični gradient le v terciarnih sedimentnih kamninah. Zaradi pomanjkanja globokih temperaturnih meritev v vrtinah od Benedikta preko Murske Sobote proti severovzhodu, s katerimi bi lahko globinsko omejili cono konvekcije, lahko le predvidevamo, da ta ni globlja od 2 km. Vrtine v Pečarovcih in Dankovcih so izločene, ker se nahajajo bočno od omenjene smeri. Nad 100°C se lahko pričakuje pri Murski Soboti, in od tam proti severovzhodu proti slovensko-madžarski meji, pri Veržeju in na širšem območju Lendave. Nižje temperature so pričakovane v Ptujsko-ljutomerskem subbazenu. Na Madžarskem sta temperaturni anomaliji (>100 °C) zahodno od Nagylengyel in severno od Zalaegerszega posledica regionalne konvekcije v termičnem krasu. Podobno so negativne anomalije (< 75 °C) pri kraju Zalalövő ter med krajema Nagylengyel in Zalaegerszeg v povezavi s konvektivnimi kraškimi sistemi, le da tam kažejo na pronicanje hladnejše vode v globino.
31
Slika 22. Temperature distribution at a depth of 4000 m below the surface
Temperatura v globini 4000 m Na temperature nad 140 °C v tej globini naletimo skoraj povsod vzhodno od črte MariborPtuj. Na območju Murske Sobote, Moravskih Toplic, Veržeja in Ljutomera so višje od 160°C, bližje slovensko-madžarski meji se lahko pričakujejo temperature okrog 170°C ter v širšem območju Lendave celo okrog 185°C. V Murskem gozdu bila izmerjena najvišja temperatura v vrtini Mg-6 (202 °C v globini 3739 m). Zanimivo bi bilo ponoviti tako globoke meritve v nekaterih drugih najglobljih vrtinah tega območja. Razlog za takšno anomalijo v okolici Lendave je verjetno globoka termalna cirkulacija v prelomni coni v kamninah predterciarne podlage. V južnem delu madžarskega območja T-JAM projekta naletimo na temperature > 160 °C praktično povsod. Najvišja vrednost nad 200°C nastopa v okrožju Budafa. V vzhodnem delu madžarske strani merjenih podatkov blizu te globine ni na razpolago. 5.4.
Toplotni odvzem iz sistema
5.4.1. Naravni iztoki Jezero Hévíz je največji naravni točkovni toplotni iztok celotnega območja. Letni toplotni iztok jezerskega izvira se lahko oceni iz vodnega iztoka in temperature iztekajoče vode (T2 = 37,95 ºC). Srednja letna temperatura na površju je T1 = 10,5 ºC, tako da je ΔT = 27,45 ºC. Iztok iz jezera je 400 l/s, tako da skupni toplotni iztok znaša 46 MW. To se nanaša na letno količino energije v iznosu 1,45 PJ. Ob upoštevanju, da podzemna voda pri kroženju po podlagi terciarja pobira toploto iz toplotnega pretoka (gostote toplotnega toka), 60 mW/m2,
32
potem se lahko oceni površina na kateri voda pobira toploto na približno770 km2. Točnejši rezultat se lahko izračuna s pomočjo regionalnega numeričnega modela toplotnega prenosa in primerjavo z rezultati tokovnega sistema, ki upošteva tudi hidrogeokemijske in hidrogeološke podatke. 5.4.2. Izguba toplote skozi površje Konduktivni toplotni pretok, spremenjen s konvektivnimi tokovi podzemne vode in drugimi naravnimi in umetnimi iztoki (glej zgoraj) je končno usmerjen iz Zemljine notranjosti proti površju. Izračunan iz poprečnega toplotnega pretoka (85 mW/m2) ter velikosti madžarskega območja projekta (okrog 6800 km2), predstavlja konduktivni tok 580 MW. Ob upoštevanju velikosti slovenskega območja (okrog 2800 km2) in s poprečno gostoto toplotnega toka 103 mW/m2 ta konduktivni toplotni pretok za slovensko stran znese 288 MW.
6
Povzetek
Predstavljeni geotermični konceptualni model podaja sliko dejanskega temperaturnega polja, ki se odseva iz 3-dimenzionalne geološke porazdelitve in nekaterih omejenih hidrogeoloških učinkov. V obeh državah so bili zbrani potrebni podatki, kot so temperature in temperaturni gradient, toplotne prevodnosti litološko različnih kamnin, iz vrtin in vodnjakov. Na osnovi teh podatkov je izračunana gostota toplotnega toka. Vsi ti zbrani podatki so omogočili izris temperaturnih kart. Vrednosti toplotne prevodnosti kamnin so dovolj primerljive, tiste iz slovenskih vrtin so v razponu 0,92 do 4,6 W/(m·K) s srednjimi vrednostmi med 1,93 in 3,21 W/(m·K), medtem ko so vrednosti iz madžarskega dela v razponu 1,3 do 4,4 W/(m·K). Podatkovni nizi temperatur za izdelavo temperaturnih kart se na Madžarskem in v Sloveniji malenkostno razlikujejo. Na madžarski strani je v splošnem na razpolago več BHT vrednosti v vrtinah, na slovenski strani pa je več temperaturnih vrednosti stacionarnega stanja. Podatkovni nizi so se nedavno izboljševali na obeh straneh z meritvami temperature v stacionarnem stanju vrtin. Srednji geotermični gradienti na slovenski strani so v razponu od 27 °C/km (mezozoik) do 75 °C/km (miocen), pri tem pa kažejo na posebej širok razpon v mlajših sedimentih, kar je podobno tudi v madžarskem delu. Seveda so srednji geotermični gradienti zelo podobni v različnih specifičnih globinah (500, 1000, 2000 in 4000 m) na obeh straneh; za madžarski del približno 42 do 50 °C/km in za slovenski del 38 do 50 °C/km. Na najgloblji ravni (4 km) so geotermični gradienti, zaradi možnega nastopanja mezozojskihpaleozojskih kamnin in/ali visoko kompaktnih terciarnih kamnin z viisoko toplotno prevodnostjo, nizki. Rezultati so predstavljeni kot karte porazdelitev temperature v različnih globinah (500 do 4000 m) in karto gostote toplotnega toka. Skupne značilnosti temperaturnih kart so nekaj razločnih anomalij v plitvejših globinah (500 do 2000 m), ki so povezane z lokalnimi pojavi, kot so cone konvekcije v prelomni metamorfni podlagi (Slovenija) in dvigajoča se termalna kraška voda (Madžarska). V srednjih globinah (2 do 4 km) bi razlogi anomalij lahko bili termalna konvekcija vzdolž globokih prelomov v predterciarni podlagi in regionalna vsiljena konvekcija v termičnem krasu. Rezultati geotermičnega modela predstavljajo vhodne parametre za numerično modeliranje toplote in toka podzemne vode.
33
7.
Literatura
CONSTANTZ, J. & STONESTROM, D.A., 2003. Heat as a tracer of water movement near streams. In: D.A. Stonestorm, D.A.& Constantz, J.: Heat as a tool for studying the movement of groundwater near streams, U.S. Geological Survey Circular 1260: 1-6. DÖVÉNYI, P., DRAHOS, D., LENKEY, L., 2001. Magyarország geotermikus energiapotenciáljának feltérképezése a felhasználás növelése érdekében, Hőmérsékleti viszonyok. Jelentés a Környezetvédelmi Alap Célelőirányzat részére, Kézirat DÖVÉNYI, P., HORVÁTH, F., LIEBE, P., GÁLFI, J., ERKI, I., 1983. Geothermal conditions of Hungary, Geophysical Transactions, 29/1, 3–114. DÖVÉNYI, P., HORVÁTH, 1988: A review of temperature, thermal conductivity,and heat flow data from the Pannonian Basin, in: Royden,L. H. and Horvath, F. (Eds.): The Pannonian Basin, a Study in Basin Evolution, Amer. Assoc. Petr. Geol. Mem., 45, 195–233. HOCHSTEIN, M.P., 1988. Assessment and modeling of geothermal reservoirs (small utilization schemes): Geothermics 17, 15-49. HURTER, S., SCHELLSCHMIDT, R., 2003. Atlas of geothermal resources in Europe. Geothermics 32, 779-787. HURTIG, E., ČERMAK, V., HAENEL, R., ZUI, V. (editors), 1992. Geothermal Atlas of Europe. – GeoForschungsZentrum Potsdam, Publ. 1, 156 pp., 25 maps. KRALJIĆ, M. et al., 2005. Poročilo o izgradnji vrtine Benedikt-2 (Be-2). Technical report, Nafta Geoterm, Lendava. LAND, L. A. & PAULL, C. K., 2001. Thermal gradients as a tool for estimating groundwater advective rates in a coastal estuary: White Oak River, North Carolina, USA. Journal Of Hydrology, 248, 198-215. LAPANJE, A., RAJVER, D., SZÉKELY, E., NÉMETH, J., KUMELJ, Š., MOZETIČ, S., 2010. Review of geothermal energy utilization in north-eastern Slovenia and south-western Hungary. TJAM, INTERREG IIIA – Operational Programme Slovenia – Hungary 2007-2013. Ljubljana, Szombathely, 18 p. LENKEY, L., 1999. Geothermics of the Pannonian basin and its bearing on the tectonics of basin evolution, Ph.d. thesis, Vrije Universiteit, Amsterdam, ISBN 90-9012388-1, 215 p. LENKEY, L., DÖVÉNYI, P., HORVÁTH, F., CLOETINGH, S., 2002: Geothermics of the Pannonian basin and its bearing on the neotectonics: EGU Stephan Mueller Special Publication Series, 3, 29–40 RAJVER, D., RAVNIK, D., 2002. Geotermična slika Slovenije-razširjena baza podatkov in izboljšane geotermične karte = Geothermal pattern of Slovenia-enlarged data base and improved geothermal maps. Geologija, 45, 2, 519-524. RAVNIK, D., 1991. Geotermične raziskave v Sloveniji; Geothermal investigations in Slovenia. Geologija 34, 265-303 (in Slovenian, with English summary). RAVNIK, D., RAJVER, D., URAN, B., 1987. Geotermične raziskave v vrtini BS-2/76 (Benedikt). Geotermalne karte Slovenije. Internal report, GeoZS, Ljubljana. RAVNIK, D., RAJVER, D., POLJAK, M., ŽIVČIĆ, M., 1995. Overview of the geothermal field between the Alps, the Dinarides and the Pannonian basin. Tectonophysics 250, 135-149.
34
ROYDEN, L.H., HORVÁTH, F., NAGYMAROSY, A., STEGENA, L. 1983: Evolution of the Pannonian basin system: 2. Subsidence and thermal history, Tectonics, 2, 91–137, 1983. RYBACH, L., 1981. Geothermal systems, conductive heat flow, geothermal anomalies. V: L. Rybach, L.J.P. Muffler (ed.), Geothermal Systems: Principles and Case Histories. John Wiley & Sons Ltd., Chichester, etc., 3-36. STONESTROM, D.A. & BLASCH, K.W., 2003. Determining temperature and thermal properties for heat-based studies of surface-water ground-water interactions. In: Stonestrom, D.A. & Constantz, J., Heat as a tool for studying the movement of groundwater near streams, U.S. Geological Survey Circlular 1260: 81-89.
35