SZLOVÉNIA-MAGYARORSZÁG OPERATÍV PROGRAM 2007-2013
GEOTERMIKUS KONCEPCIONÁLIS MODELL a Geotermikus hasznosítások számbavétele, a hévízadók értékeklése és a közös hévízgazdálkodási terv előkészítése a Mura-Zala medencében
projekt keretében
T-JAM
A jelentést együttesen készítő partnerek:
Geološki zavod Slovenije (GeoZS)
Magyar Állami Földtani Intézet (MÁFI)
Készítették: Tóth György (MÁFI) Muráti Judit (MÁFI) Dusan Rajver (GeoZS)
Közreműködtek: Andrej Lapanje (GeoZS) Nádor Annamária (MÁFI)
GeoZS igazgatója: Doc. Marko Komac, Ph.D.
MÁFI igazgatója: Fancsik Tamás, Ph.D.
Budapest, Ljubljana 2011.02.28.
Tartalomjegyzék 1.
Bevezetés............................................................................................................................ 1
2.
A geotermikus modellek adatháttere.................................................................................. 4
3.
A hőáramot és a hőmérséklet eloszlást befolyásoló tényezők ........................................... 7 3.1
Hővezető-képesség ...................................................................................................... 7
3.2
Radioaktív hőtermelés ................................................................................................. 8
3.3
Geotermikus gradiens ................................................................................................ 10
3.4
Felszín alatti vízáramlás ............................................................................................ 12
3.5
Üledékképződés/erózió.............................................................................................. 13
3.6
Tektonikai szerkezetek .............................................................................................. 14
3.7
Vulkánizmus és utótevékenységei............................................................................. 14
4.
A numerikus modell várható eredményei ........................................................................ 15
5.
A T-JAM projekt terület geotermikus sajátosságai.......................................................... 16 5.1
A közvetlen hő-hasznosítás jelenlegi helyzete .......................................................... 16
5.2
A terület mélységi hőáram képe ................................................................................ 16
5.2.1
Magyarország ............................................................................................................ 17
5.2.2
Szlovénia ................................................................................................................... 22
5.3
Kezdeti hőmérséklet-eloszlás .................................................................................... 30
5.4
Hőkivétel a rendszerből ............................................................................................. 35
5.4.1
Természetes megcsapolások ..................................................................................... 35
5.4.2
A felszín hőleadása.................................................................................................... 35
6.
Összefoglalás.................................................................................................................... 36
7.
Irodalomjegyzék............................................................................................................... 37
Ábrajegyzék 1. ábra ÉK Szlovénia fúrásaiból származó kőzetek hővezető-képessége a főbb litológia szerint csoportosítva (a T-JAM projekt területén) ...................................................................................... 9 2. ábra Porózus üledékek esetében a telített zóna (kék sáv) vízvezető képessége nagyban függ az üledék szerkezetétől (szemcseméret, pórustérfogat), míg a hővezető képesség (barna sáv) az üledék szerkezetétől gyakorlatilag független. A kék, ill. barna sávok szélessége a paraméterek tartományszélességére is utal. (CONSTANTZ & STONESTORM 2003). ....................... 10 3. ábra A geotermikus gradiens szemléltetése .............................................................................. 10 4. ábra A mért hővezető képesség értékek terjedelme és középértéke a litológiai egységek kőzetei szerint, valamint a számított geotermikus gradiensek intervalluma és középértéke ÉK Szlovéniában. ................................................................................................................................ 11 5. ábra A vízáramlási rendszereket befolyásoló főbb tényezők .................................................... 13 6. ábra A vizsgált terület és környezete földi hőáram sűrűsége (Horváth et al. 2005).................. 17 7. ábra A Szombathely II-es fúrás rétegsora, a fúrásban korábban mért hővezető képességek, a fúrásban mért hőmérséklet eloszlás és hőmérsékleti gradiens görbék. ......................................... 19 8. ábra A projekt keretében mért kutak elhelyezkedése Magyarországon .................................... 20 9. ábra A Be-2-es benedikti fúrásban mért hőmérséklet értékek az egyszerűsített rétegsorral (KRALJIC ET AL., 2005 nyomán). ................................................................................................... 23 10. ábra A Ljtuj-1-es kút egyszerűsített geológiai szelvénye a mért hőmérséklet-profillal, a számolt geotermikus gradiens, hővezető-képesség, radioaktív hőtermelési értékek, és szakaszokra számolt hőáram-sűrűség értékek bemutatásával (GeoZS adatbázis). ....................... 24 11. ábra A Ljut-1/88-as kútban mért hőmérséklet értékek, egyszerűsített rétegsorral.................. 24 12. ábra Az Mt-2/61-es, Rimska čardai kút egyszerűsített geológiai szelvénye a mért hőmérsékletprofillal, a számolt geotermikus gradiens, hővezető-képesség, radioaktív hőtermelési értékek, és szakaszokra számolt hőáram-sűrűség értékek bemutatásával. ................ 25 13. ábra A Pg-7/88-as Petišovci-i kút egyszerűsített geológiai szelvénye az utolsó mért hőmérsékletprofillal, a számolt geotermikus gradiens, hővezető-képesség, radioaktív hőtermelési értékek, és szakaszokra számolt hőáram-sűrűség értékek bemutatásával. ................ 26 14. ábra A Peč-1/91-es Petišovci-i kút egyszerűsített geológiai szelvénye az utolsó mért hőmérsékletprofillal, a számolt geotermikus gradiens, hővezető-képesség, radioaktív hőtermelési értékek, és szakaszokra számolt hőáram-sűrűség értékek bemutatásával. ................ 27 15. ábra Az Mg-6 –os, Murski gozd-i kút egyszerűsített geológiai szelvénye az utolsó mért hőmérsékletprofillal, a számolt geotermikus gradiens, hővezető-képesség, radioaktív hőtermelési értékek, és szakaszokra számolt hőáram-sűrűség értékek bemutatásával. ................ 27 16. ábra A Be-1-es kútban mért hőmérséklet értékek, az egyszerűsített rétegoszloppal. ............. 28 17. ábra Az MB-1/90-es, maribori kút egyszerűsített geológiai szelvénye az utolsó mért hőmérsékletprofillal, a számolt geotermikus gradiens, hővezető-képesség, radioaktív hőtermelési értékek, és szakaszokra számolt hőáram-sűrűség értékek bemutatásával. ................ 29 18. ábra A SOB-2/88-as, muraszombati kút egyszerűsített geológiai szelvénye az utolsó mért hőmérsékletprofillal, a számolt geotermikus gradiens, hővezető-képesség, radioaktív hőtermelési értékek, és szakaszokra számolt hőáram-sűrűség értékek bemutatásával. ................ 30
19. ábra Hőmérséklet-eloszlás 500 méter mélységben a felszín alatt ........................................... 31 20. ábra Hőmérséklet-eloszlás 1000 méter mélységben a felszín alatt ......................................... 32 21. ábra Hőmérséklet-eloszlás 2000 méter mélységben a felszín alatt ......................................... 33 22. ábra Hőmérséklet-eloszlás 4000 méter mélységben a felszín alatt ......................................... 34
Táblázatjegyzék 1. Táblázat Jellemző hővezető-képesség értékek a magyarországi neogén üledékes kőzetek homokos és agyagos csoportjaiban (DÖVÉNYI & HORVÁTH, 1988 nyomán).................................. 8 2. Táblázat A Szombathely II-es fúrásban korábban mért hőmérséklet értékek és hőtani paraméterek ................................................................................................................................... 18 3. Táblázat A T-JAM projekt keretében mért kutak alapadatai .................................................... 18 4. Táblázat Korábbi mérésből származó hőmérséklet értékek és hőtani paraméterek a benedikti BS-2-es fúrásban. .......................................................................................................... 22
1. Bevezetés A geotermikus modellezés célja az, hogy szilárd földtudományi alapot biztosítson a fenntartható geotermikus energiahasznosítás, — legyen az elektromos áram termelése, avagy hőhasznosítási célú, — valamennyi aspektusa számára, valamint a balneológiai célú hasznosítások esetében is. A Föld belsejében hatalmas hőkészlet található, amely főként a kéregben lévő radioaktív elemek bomlásából származik, és részben a különféle kőzetek szilárd vázában, részben a bennük lévő pórusokat és repedéseket kitöltő fluidumokban tározódik. Mindebből következik az is, hogy a geotermikus modellekben mind a hővezetésből származó, (az egymással fizikai kapcsolatban lévő kőzetrészecskék közötti) hőszállítást, mind a konvekciót, (vagyis a fluidumok, és esetünkben a felszín alatti vizek áramlásából származó hőszállítást) vizsgáljuk. A geotermikus modellek szoros kapcsolatban vannak a földtani modellekkel és a hidrogeológiai modellekkel. A földtani modellek a különféle geotermikus szempontból lényeges paraméterekkel (mint amilyen a porozitás, fajlagos hőkapacitás, hővezető-képesség, sűrűség) rendelkező kőzettestek térbeli meghatározására irányulnak. A hidrogeológiai modell ebben az esetben egyrészt azokra a felszín alatti vízáramásokra vonatkozik, melyek módosítják a felszínalatti hőeloszlásokat, másrészt azokra, melyek az inhomogén hőmérsékleti tér következtében a víz sűrűség-különbségeiből adódnak. Vagyis ez utóbbi esetben, a felhajtóerő önmagában is képes vízáramlásokat beindítani vagy a meglévőket módosítani. A permanens geotermikus modellek a kezdeti, vagy aktuális, kvázi állandónak tekinthető hőmérsékleti teret adják meg, így a hidrogeológiai modellek ellenőrzésére is alkalmasak. Mindezek mellett, ha a későbbi termálvíz-termelésekről és — a hasznosítás típusától függően a hideg vizek visszasajtolásáról is szó van — akkor nempermanens/tranziens modellezéssel lehet előre jelezni a geotermikus rezervoárok hőtartalmának időbeli alakulásait. Ez segítheti a rezervoár mérnököket és a geotermikus energiagazdálkodókat abban, hogy optimalizálják az adott rezervoárból kitermelt hőkészletet. A geotermikus modell kialakítása két lépésben történik. Először a koncepcionális modell kerül kialakításra, (mely tárgya jelen tanulmányunknak), amikor a numerikus modell számára szükséges adatok és peremfeltételek körét határozzuk meg, (úgymint a hőáram-sűrűség térképet, a különböző mélységekhez tartozó hőmérséklet-eloszlásokat, a litosztratigráfiai egységekre vonatkoztatott hővezető-képesség értékeket, illetve néhány jellemző kútra a hőmérséklet/mélység profilt). A koncepcionális modellben jellemezzük a projekt-terület geotermikus viszonyait is. A második lépésben kialakításra kerülő, összekapcsolt numerikus áramlási és hőtranszport modell segítségével lehatárolásra kerülnek a konvektív rendszerek, majd finomításra kerülnek a hőmérsékleti teret bemutató mélységtérképek és a földtani szelvények hőmérséklet szelvényekké történő konvertálása történik meg. Általánosságban véve a T-JAM projekt a természetes körülmények között felfűtött, 20 °C-nál melegebb vizek hasznosításával foglalkozik. Bár a T-JAM projekt másik fő célja a hőszivattyús rendszerek terjesztésének elősegítése, a geotermikus modellben nem foglalkozunk a sekély rendszerekkel, és ugyancsak nem tárgya modellezésünknek a nagymélységű, forró, száraz kőzetek (HDR, vagy EGS rendszerek) értékelése sem. A hidrogeotermikus hasznosítások esetében két fő változat, koncepció létezik: (a) “egykutas”, pontosabban visszatáplálás nélküli hévíz-kivétel, ilyen a balneológiai hasznosítás például, amikor a felszín alatti tér szennyeződésének elkerülése miatt a visszatáplálás nem engedélyezett; és (b) a visszatáplálásos, vagy geotermikus kútpáros rendszer, amikor az 1
energetikai célú hasznosítás után a felhasznált termálvizet az eredeti tároló közegbe sajtolják vissza. Nem nevezhetjük fenntartható hasznosításnak azon kitermeléses eseteket, amikor a használt vizet a felszíni vizekbe vezetik, és a termelt víz mennyisége meghaladja a rendszer természetes utánpótlódását, mert ez a rétegnyomás és végső soron a vízhozam csökkenéséhez vezet. A visszatáplálásos esetben elvileg a vízmennyiség és nyomás egyensúlya a tározóban biztosított. Ez esetben is lehet azonban a hőmérséklet időbeli csökkenésével számolni, amennyiben a visszasajtolt hidegvíz a termelőkút irányában áramolva lehűti a kőzetkörnyezet. Általánosságban véve 5 különböző műszaki hasznosítási séma adható meg, különböző kitermeléshez (θout) és visszatápláláshoz (θin) tartozó hőmérsékleti értékekkel, és termeltetési időtartamokkal. 1.
Általános (viszonyítási) séma: θout > 30°C; θin = 25°C; egész évben folyamatos üzemeléssel [egy-kutas, kút-páros, és több-kutas változatokkal].
2. Tiszta elektromos energiatermelés, az ORC séma alapján: θout > 90°C; θin = 70°C; meghatározott üzemidőkkel [kútpáros és több-kutas változatokban]. 3. Kombinált elektromos energiatermelés és helyi fűtési rendszer: θout > 90°C; θin = 30°C; az elektromos energiatermelésre és a fűtésre meghatározott üzemidőkkel [kútpáros és több-kutas változatokban]. 4. Kombinált fűtési és balneológiai rendszer: θout > 50°C; θin = 20°C; a fűtést meghatározott időszakokban, a balneológiai hasznosításokat egész évben folyamatosan működtetve. [Kútpáros hasznosítás, de a visszatáplálás a balneológiai használattal csökkentett, ezért részben egy-kutas változatnak is nevezhetjük ezt az esetet.] 5. Tisztán balneológiai hasznosítás: θout > 30°C; θin = 20°C (felszíni befogadóba juttatva a kitermelt és lehűlt vizet), egész évi üzemelést feltételezve, [egy-kutas változat]. A T-JAM projekt területén a jelenlegi hasznosítások, (a geológiai, hidrogeológiai és geotermikus viszonyok alapján) a balneológiai (5) és a kombinált fűtési – balneológiai (4) eseteket ölelik fel. Vizsgálataink is elsősorban ezekre irányulnak, mivel az olyan magas (> 90°C) hőmérsékletű rezervoárok, amelyekből gazdaságosan tiszta vagy kombinált elektromos energiahasznosítás (2) és (3) megvalósítható lenne nem, illetve jelen tudásunk szerint még nem ismertek a területen. A T-JAM projekt területén a hasznosításokra vonatkozó felmérés (LAPANJE ET AL., 2010) szerint a hévizek hasznosításának döntő része balneológiai célú, különösen Magyarországon. Habár az egyedi fűtési rendszerek gyakoriak ÉK-Szlovéniában, azonban szorosan kapcsolódnak meglévő termálfürdőkhöz. A három távfűtéses rendszer (Muraszombat és Lendava Szlovéniában és Vasvár Magyarországon) esetében pedig nem üzemeltetnek visszasajtoló kutakat. Mindezekből következően a T-JAM projekt főként az egy-kutas sémát vizsgálva határozza meg a jelenlegi víztermelések által okozott, határokon átnyúló hatásokat, valamint a természetesen utánpótlódó és a kitermelhető víz- és hőmennyiségeket. Mindezen vizsgálatok alapján a projekt végén javaslat készül a közös határ menti hasznosításra és megfigyelő-rendszer kialakítására.
2
A geotermikus modell által szolgáltatott hőmérsékleti kép a 3D geológiai viszonyok és a felszín alatti vízáramlási rendszerek ismeretén alapul, egyúttal hozzájárul a numerikus hidrogeológiai modell verifikációjához. A modell permanens viszonyok között megadható természetes hőáram-sűrűség és hőmérséklet-eloszlás meghatározásra irányul. Megfelelő termelési idősorok hiányában, sem a nem-permanens viszonyok vizsgálatára, sem ilyen típusú jövőbeni szcenáriók elemzésére nem kerül sor. A geotermikus modellezés másik fontos célja az, hogy hozzájáruljon a határokon áthaladó felszín alatti termálvíz-áramlási pályák meghatározásához. Az eredmények hozzájárulhatnak továbbá a közös határral osztott felszín alatti termálvíztest kijelöléséhez (mindez idáig Szlovéniában nem, csak Magyarországon jelöltek ki hivatalosan termálvíztestet).
3
2. A geotermikus modellek adatháttere A geotermikus modell létrehozáshoz szükséges legfontosabb információk a következők:
A rezervoár hőmérséklete
A rezervoárokban, (vagy hévízadókban) lévő nyomás
A rezervoárok termikus és hidraulikus jellemzői
A rezervoárok geometriája, (térbeli helyzete és kiterjedése), típusa (porózus, repedezett), különös tekintettel a pórustér geometriájára, amely meghatározza a szilárd mátrix és a pórusokban mozgó fluidumok közötti hőcserét
A pórusokban lévő folyadékok jellemzői: a gáz-tartalom és a vízminőségi viszonyok
A geotermikus modell harmonizált adatokat tartalmazó adatbázison alapul. A leglényegesebb adatok a terület fúrásaiból és kútjaiból származnak. Ezeket a projekt első fázisában összegyűjtöttük és egy több-nyelvű adatbázisba töltöttük, (és amelynek egy része a WP 2 munkacsomag eredményeként nyilvános formában a projekt honlapján is hozzáférhető: www.t-jam.eu). Mindezek mellett meg kell említeni, hogy a modellezéshez szükséges rezervoár paraméterek túlnyomó többsége korábban készült geológiai és hidrogeológiai modellezésekből származik. A Szlovéniai Pomurje és Podravje közigazgatási területe megfelelően jellemezhető mind a kutak előfordulása, mind a belőlük származó geotermikus és hidrogeológai adatok tekintetében. Ezek a kutak a nyugati részeken Maribor és a Ptujska gora körzetében vannak, míg délen Ptuj, Bukovci és Ormož vidékén. A délkeleti részeken a Lendava és Petišovci térségében lévő kutak közel vannak a magyar és a horvát határokhoz, és a keleti részek fúrásai is a magyar határ mellett helyezkednek el. Az északon lévő kutak Goričko körzetében, de nem túl közel az osztrák határhoz találhatók, kivéve a Strukovci és Nuskova környékieket. A T-JAM Zala és Vas megyei tercier medenceterületein számos olyan működő hévízkút található, melyből megfelelő információk adhatók a geotermikus és hidrodinamikai értékelések részére. A szlovén-magyar határ mentén, vagy közel ahhoz találhatók ezek közül a Lenti, Szécsisziget, Bázakerettye és Letenye térségi kutak. Az alaphegység nagy (3-4-5 kmes) mélysége miatt az itteni vízadókra nincs működő termelő vagy monitoring-kút kiképezve. Részletes geotermikus adatokat (azaz hőmérsékleti karotázst és magokon mért hővezetőképesség adatokat együttesen) csak a Bárszentmihályfa-I (Bm-I) fúrásból ismerünk. Ebben a fúrásban a pretercier, (premiocén) aljzat 3070 méteres mélységben található, ez alatt a fúrás mezozoós kőzeteket harántolt az 5075 méteres talpmélységig, (3070-4460 m: triász képződmények, főként dolomit, ez alatt, 4460-5075 m: jura, főként mészkő). A geotermikus értékelésekhez szükséges adatok forrását a különféle archívumokban, katszterekben találjuk. Ezek a mélyfúrású (termál és hidegvizes) kutakra, a szénhidrogén kutató fúrásokra és néhány földtani alapfúrásra vonatkoznak. A geotermikus modellezések számára leghasznosabb adatokat a hévízkút kataszter tartalmazza.
4
A következő input paraméterek szükségesek a célul kitűzött permanens geotermikus modell kialakításához: Hőtani viszonyok: Kút hőmérsékletek Hővezető képesség adatok és fajlagos hőkapacitás értékek, mind a szilárd, mind a folyadék fázisra (anizotrópia) Sokéves átlagos középhőmérséklet a felszínen (mért és interpolált értékek) Hőáram sűrűség a felszínen (modellezett vagy átlagolt) Ezen adatok legtöbbje elérhető vagy az adatbázisból, vagy korábbi értékelésekből és modellezési munkákból. Mért hőmérsékleti adattal rendelkezik 154 szlovéniai fúrás, míg Magyarországon 284 fúrás 369 mért hőmérséleti adata áll rendelkezésünkre a projekt területére. A fúrások különböző céllal mélyültek, túlnyomó részük szénhidrogén kutatásból származik, ezt követik a geotermikus célú, vagy hévíz-kutak, végül kisebb számban a szerkezetkutató, vízkutató és egyéb fúrások vannak. Mindkét országban öt különböző módon mértek a hőmérsékleteket, melyekből az adott rezervoár hőmérsékletek megadhatók voltak. Ezek a mérési módok a következők, egyúttal említve az északkelet Szlovéniára vonatkozó információkat. Talphőmérséklet mérés A fúrások (és különösen a szénhidrogén kutató fúrások) mélyítése közben, vagy a fúrások befejezését követően közvetlenül, 83 kútban készült talphőmérséklet-mérés. Miután a mérések abban az időben történtek, amikor a fúrások okozta zavarok miatt a hőegyensúly még nem állt be, ezért ezen adatok korrekcióra szorulnak. Bizonyos esetekben, mikor a korrekcióhoz szükséges egyéb információk hiányoztak a korrekciókat nem tudták elvégezni. Szerencsére az elmúlt évtizedben már számos, (de nem valamennyi) szénhidrogén-kutató fúrásban elvégezték az állandósult állapotra vonatkozó hőmérséklet és nyomás-méréseket. Folyamatos hőmérsékleti karotázs-mérések 28 szlovéniai fúrásban végeztek folyamatos hőmérsékleti méréseket a karotázs-vizsgálatok során. Szintén vannak mérések a geotermikus termelő kutakból, de ezek csak a fúrások néhány pontjára vonatkoznak. Végül meg kell említeni, hogy a legjobb minőségű adatok azokból a kutakból származnak, melyek hosszabb ideig, gyakran több mint öt évig álltak. A fúrások bizonyos vizsgálati szakaszain mért hőmérséklet adatok (A DST - drill stem test) során mért adatok A potenciális olaj és gáztároló megismerésére irányuló rétegvizsgálatok során 10 fúrásban végeztek hőmérséklet-méréseket. Az ilyen DST mérések az extrapolált talphőmérsékleti adatoknál jobb minőségűek.
5
Pontról-pontra történő hőmérséklet mérések 28 szlovéniai kútban használták azt a módszert, amikor is 5 vagy 10 méterenként mértek hőmérsékletet. Amennyiben ezek a mérések hosszabb ideje álló kútban történtek, a legjobb minőségű adatok közé sorolhatók. Hőmérséklet-mérések egyedi pontokban. 89 szlovéniai fúrásban végeztek ilyen típusú méréseket. Gyakran több hőmérsékletmérés is történt egy-egy fúrásban, de nem olyan sűrűn, mint a pontról-pontra mérések során. (Pl. 25, 50 vagy 100 méterenként, de nem a teljes fúrás hosszában). Az ilyen típusú mérések is minőségi szempontból a jobbak közé sorolhatók. A már említett, nem korrigált talphőmérséklet mérések gyenge minőségű adatok. A legtöbb esetben a fúrás közben mért talphőmérsékletek egyszeriek és megismételhetetlenek, ami miatt lehetetlen extrapolálni ezekből a tényleges rezervoár hőmérsékleteket. A DST mérések jobb minőségűek. A folyamatosan mért karotázs hőmérsékletmérések jó minőségűek néhány fúrásban, különösen az utóbbi években használt karotázs technikák esetében. A korábban mért szlovéniai adatok, melyek interpretációját RAVNIK (1991) végezte, bekerültek az adatbázisba, melyet később RAJVER & RAVNIK (2002) tovább bővített. A Nafta Geoterm Co. (Lendava) 12 évvel ezelőtt megkezdte a szénhidrogén-kutató fúrások rendszeres karbantartását. Állandósult, permanens állapotban végzett hőmérsékletméréseik az utóbbi 11 évben jobb hőmérséklet gradiens értékeket szolgáltattak a kiválasztott fúrásokban és kutakban. Mindazonáltal még sok fúrás nem rendelkezik korszerű, utóbbi években mért hőmérséklet adattal. Néhány ezek közül, pedig olyan helyen van, ahol más fúrás a környezetben nincs. Az összegyűjtött geotermikus adatok azt jelzik, hogy megbízható adatokkal rendelkezünk ÉK Szlovénia számos olaj-kútjából, és úgyszintén néhány sekély fúrásból É-Szlovéniából (Maribor környékéről). Mindezekből az is következik, hogy hőáram sűrűség adatok azon sekély kutak esetében várhatók, ahol a geotermikus mérések megbízhatóak, vagyis ahol a hőmérsékletmérések a kút leállítását követő hosszabb idő eltelte után történtek. Magyarországon 3 fontosabb adatbázis képezi az alapot a geotermikus értékelések számára. Itt is a fentiekben felsorolt 5 fajta mérési mód az, amit figyelembe kellett venni. Az első, és mind mostanáig a legjelentősebb adatgyűjtemény 1983-ban került publikálásra, (DÖVÉNYI ET AL. 1983). Ez a katalógus a T-JAM területére 288 fúrást tartalmaz. A katalógus az OKGT a VITUKI és a MÁFI adatain alapul. A hőmérséklet adatok (1) állandósult állapotok melletti méréseken, (2) vízkutak vagy olajkutak rétegpróbái (DST tesztek) alkalmával végzett méréseken alapszanak, vagy (3) empirikus módszer segítségével a kifolyó vízhőmérséklet és vízhozam alapján számított értékeket tartalmazzák. A második adatbázis 149 mélyfúrású vízkút mélységi és kifolyó vízhőmérséklet adatát tartalmazza. A harmadik adatbázis 15 kút pontról-pontra végzett részletes hőmérséklet-méréseit tartalmazza, amelyet a GEOLOG Kft végzett. Ezek közül 5, régebb óta nem termelő figyelőkút igen részletes hőmérséklet-szelvényezésére a T-JAM projekt keretében került sor.
6
3. A hőáramot és a hőmérséklet eloszlást befolyásoló tényezők
3.1 Hővezető-képesség Adott felszín alatti test hővezető-képessége, adott hőáram-sűrűség mellett, meghatározza a hőmérséklet térbeli eloszlását, feltételezve, hogy tisztán csak hővezetési folyamattal kell számolnunk. A kőzetek hővezető-képességét részben meghatározhatjuk közvetlenül a termikus karotázsból, vagy közvetetten más lyukgeofizikai mérésekből, vagy a formációk kőzettani összetételéből irodalmi adatok felhasználásával. ÉK-Szlovéniában 24 fúrásból vett 129 kőzetmintán készültek laboratóriumi hővezető-képesség mérések. A 24 fúrás részben szénhidrogén-kutatás, részben hévízkutatás, részben földtani kutatás során mélyült. A közvetlen méréseket a Szlovéniában kifejlesztett tranziens forró-drót műszerrel mérték (Faculty of Physics and Mathematics of Ljubljana University; ld. RAVNIK, 1991; RAVNIK ET AL., 1995), mindössze egy fúrás egy mintája mérésénél használták az új, nem kontakt, optikai szkenning módszert. A magyarországi hővezető-képességi értékek az Eötvös Loránd Tudományegyetem Geofizikai Tanszékén végzett több száz laboratóriumi mérésen alapulnak (LENKEY, 1999). A vizsgált magminták eredeti víztartalmát viaszborítással őrizték meg a mérés pillanatáig, vagy vákuum segítségével telítették a mérés elvégzéséhez. Ezeket a méréseket háromszor ismételték meg a mérési hibák csökkentése érdekében. LAND & PAULL (2001) szerint a kőzetek hővezető-képessége (KT) 0,7 és 3,0 W/m/°C között változik. STONESTROM & BLASCH (2003) szerint telített porózus közegre vonatkoztatva a hővezető-képesség a következőképpen alakul: 2,2 W/m/°C homokok esetében, 1,4 W/m/°C agyagok esetében, és 2.9 W/m/°C talajok és agyagok esetében. A projekt terület szlovéniai oldalán a legfontosabb kőzetek hővezető-képességét a következő adatok mutatják (W/(m·K) egységben): a) Homok, laza homokkő: 1,4 és 2,96 között, (átlag: 1,93) b) Kompakt homokkő, homokos, meszes kőzetliszt, breccsás homokkő és márga: 1,49 és 4,44 között, (átlag: 2,78) c) Agyag, márga, agyagkő, márgás és agyagos kőzetliszt: 0,92 és 3,21 között, (átlag: 2,09) d) Metamorfitok: zöldpala, csillámpala, gneisz, filonit, eklogit: 2,09 és 4,6 között (átlag: 3,21) e) Karbonátos kőzetek, (dolomit, mészkő): 2,01 és 3,66 között, (átlag: 2,88) Magyarországon a neogén üledékes kőzeteken mért hővezető-képesség értékeket ‘homokkő’ és ‘agyag’ típusokba csoportosították. Az elsőbe a homokokat, homokköveket, az utóbbiba az agyagokat, kőzetliszteket és ezek enyhén konszolidált változatait sorolták, majd a csoportokra vonatkozó értékeket a mélység függvényében ábrázolták (DÖVÉNYI & HORVÁTH, 1988). A vizsgálatok alapján arra a következtetésre jutottak, hogy a neogén üledékes kőzetek hővezetőképesség értékei főként a porozitásuk függvényei, a fő litológiai csoportjukon (‘homokkő’ 7
illetve ‘agyag’) belül. Az 1. Táblázatban közöljük a porzitás-mélység trendeket és ezek kombinációját a mért hővezető-képesség értékekkel: 1. Táblázat Jellemző hővezető-képesség értékek a magyarországi neogén üledékes kőzetek homokos és agyagos csoportjaiban (DÖVÉNYI & HORVÁTH, 1988 nyomán) Hővezető-képesség érték, magmintákon mért adatok alapján (W/(m·K)
A magminta származási mélysége
Porozitás (%), a magminták litológiáját figyelembe véve
*Mélység (m terep alatt) 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
*Mélység (m Agyagok Homokkövek Agyagok terep alatt) 48 43 1,3 500 32 38 1,7 1000 19 30 2,1 1500 11 21 2,4 2000 5,0 14 2,6 2500 3,1 8 2,7 3000 2,9 6 2,8 3500 2,8 4 2,8 4000 2,7 3 2,8 4500 2,6 2 2,8 5000
A vertikálisan váltakozó homok/agyagrétegek átlagos hővezetőképesség értéke(W/(m·K) 4 homokréteg arány (% ) esetében *Mélység (m terep Agyagok Homokkövek Agyagok alatt) 48 43 1,3 500 32 38 1,7 1000 19 30 2,1 1500 11 21 2,4 2000 5,0 14 2,6 2500 3,1 8 2,7 3000 2,9 6 2,8 3500 2,8 4 2,8 4000 2,7 3 2,8 4500 2,6 2 2,8 5000
*Mélység alatt a medence folytonos üledékképződése során “elért” legnagyobb érték értendő, későbbi denudáció, erózió feltételezése nélkül. A T-JAM területen feltételezhető eróziós értékek 0-1000 méter közöttiek. Ez azt is jelenti, hogy a szeizmikus szelvényekből leolvasható időhorizontok felhasználásával a hővezetőképességi értékeket korrigálni szükséges a geotermikus modellezés megkezdése előtt.
A magyarországi laboratóriumi mérések alapján néhány konszolidált kőzetfajtára az alábbi hővezető-képességi értékek adhatók meg: mezozoós mészkövek: 2,7-3,1 W/(m·K), dolomitok: 4,4 W/(m·K); palák: 2,8 W/(m·K); paleozoós homokkövek: 2,7 W/(m·K); metamorf kőzetek: 3,1 W/(m·K). Ha a karbonátos formációként megadott egységben a dolomit uralkodó mennyiségű, akkor a hővezető-képessége is kissé magasabb. ÉK-Szlovénia fúrásaiban megismert figyelembevételével az 1. ábra mutatja be.
hővezető-képesség
adatokat
a
litológia
Itt érdemes megemlíteni, hogy míg a porózus kőzetek permeabilitása több nagyságrend tartományában változik, addig a hővezető-képesség értékek csaknem konstansok. Ennek az az oka, hogy míg a hő a teljes közegben, tehát a szilárd szemcsékben és a közöttük lévő fluidumban közvetlenül terjed, addig a fluid-áramlás csak az egymással kapcsolatban lévő pórusokon keresztül történik. A folyadék áramlását a transzmisszivitás és a hidraulikus potenciál gradiens (Darcy törvénye) szabályozza, a konduktív hőáramot pedig analóg módon a hővezető-képesség és a hőmérséklet gradiens (Fourier törvénye) (2. ábra). A hőt nyomjelzőként is lehet használni a különböző áramlási modellek kalibrációjánál.
3.2 Radioaktív hőtermelés A diffúz hőtermelés a földkéregben lévő radioaktív elemek bomlásából származik. A radiogén hőtermelést ÉK-Szlovénia 14 fúrásának 53 kőzetmintáján határozták meg. A minták U, Th és K40 tartalmát a ljubljanai Jožef Stefan Intézetben határozták meg, a kőzetek sűrűségét pedig a 8
GeoZS geomechanikai laboratóriumában (RAVNIK, 1991; RAVNIK ET AL., 1995). A hőtermelési paraméter bizonyosan kisebb hatással lehet a hőmérséklet-alakulásokra nagyobb (> 3-5 km) mélységek esetében, ahol a radioaktív elemek magasabb koncentrációjára számítani lehet. Fontos adat lehet viszont olyan területeken, ahol a hőmérséklet modellezéshez nincs egyéb megfelelő adat. Radiogén hőtermelésre vonatkozó mérés Magyarországról nem ismert.
1. ábra ÉK Szlovénia fúrásaiból származó kőzetek hővezető-képessége a főbb litológia szerint csoportosítva (a T-JAM projekt területén)
9
2. ábra Porózus üledékek esetében a telített zóna (kék sáv) vízvezető képessége nagyban függ az üledék szerkezetétől (szemcseméret, pórustérfogat), míg a hővezető képesség (barna sáv) az üledék szerkezetétől gyakorlatilag független. A kék, ill. barna sávok szélessége a paraméterek tartományszélességére is utal. (CONSTANTZ & STONESTORM 2003).
3.3 Geotermikus gradiens Vízáramlás nélküli és homogén közegben a hőmérséklet mélység szerinti eloszlása a geotermikus gradienssel jellemezhető (3. ábra).
3. ábra A geotermikus gradiens szemléltetése
Regionális léptékű modellek esetében T0 az adott területre jellemző éves felszíni átlaghőmérséklet, T1 adott mélységbeli állandó hőmérséklet, λ a hővezető képesség, q a hőáram, z a mélység. A hővezető-képesség és a geotermikus gradiens közötti korrelációt világosan jelzi, hogy minél kisebb a gradiens, annál jobb a hővezető képesség és fordítva. Az alacsonyabb hővezető-képesség az agyagos és márgás kőzeteknél jelentkezik. A dolomitos kőzetekben a
10
geotermikus gradiens a legalacsonyabb és jellemzően itt a legmagasabb a mért hővezetőképesség is a terület kőzetei tekintetében. A szlovéniai oldal geotermikus adatait, azaz a mért hővezető-képességeket és a hőmérséklet méréseket összekapcsolták és mint jellemző értékeket az egyes litosztratigráfiai, vagy litológiai egységek szerint mutatták be. A 4. ábrán minden egyes rétegtani egységen belüli litológiai leíráshoz egy jellemző mért hővezetőképesség-tartomány tartozik, az átlag-értékkel együtt. Ugyancsak feltüntették az ábrán a geotermikus gradiens értékeket és azok intervallumát. Nagyobb geotermikus gradiens értékek jellemzik a fiatal laza és alig konszolidálódott üledékeket, míg szűkebb tartományban mozognak a Špilje és Haloze formációk keményebb kőzetei és a pretercier kőzetek is. A 4. ábrából leolvashatók a geotermikus gradiens eloszlások a formációk kora szerint is: pliocén: 39-77, miocén: 28-103, mezozoikum: 22-34, és paleozoikum: 30-48 °C/km.
4. ábra A mért hővezető képesség értékek terjedelme és középértéke a litológiai egységek kőzetei szerint, valamint a számított geotermikus gradiensek intervalluma és középértéke ÉK Szlovéniában.
A geotermikus gradiens értékek hasonlóan részletes feldolgozása ez ideig nem készült a magyarországi területrészekre. Mindazonáltal a geotermikus gradiensek középértékei hasonlóképpen alakulnak a szlovéniai részekhez, a T-JAM projekt területén a mélység függvényében:
11
Magyarországi területrészeken a geotermikus gradiens értékei: 500 m: 49,8 °C/km; 1000 m: 47,4 °C/km; 2000 m: 45,6 °C/km; 4000 m: 42,4 °C/km. Szlovéniai területrészeken a geotermikus gradiens értékei: 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 Felszín alatti vízáramlás A kondukció mellett mind a függőleges, mind a vízszintes felszín alatti vízáramlások is befolyásolják a hőáramlást. A repedezett, de leginkább a karsztosodott karbonátos kőzetek nagy permeabilitással rendelkeznek, amely a csapadékvíz nagy százalékénak beszivárgását teszi lehetővé és így a lefelé áramló hideg víz hűti a környezetét. 3-4 km mélységben a víz felmelegszik és utána felfelé áramlik, majd a hévízforrásokban a felszínre lép. A feláramlás kis területekre koncentrálódik, míg a leszivárgás nagy területen megy végbe, ezért a fűtött területek nagysága jóval kisebb, mint a hűtött területeké. Ennél fogva a felszíni karsztos területek alacsony felszín alatti hőmérsékletekkel és hőárammal jellemezhetők. A medence-területek alatt található, közel vízszintesen rétegzett porózus üledékekben a függőleges irányú vízáramlási sebesség nagyságrendekkel kisebb, mint a vízszintes irányú, ezért ez a karsztos területekkel ellentétben ez nem befolyásolja jelentősen a hőmérsékleteloszlást. A felszíni és felszín alatti vizek rendszerének összetevőit és paramétereit az 5. ábra összegzi, ebben piros színnel emeltük ki a hőáramlást befolyásoló tényezőket. A rendszer belső működését meghatározó összetevők
Vízföldtanilag egységesen kezelhető összletek térbeli helyzete Vízföldtanilag egységesen kezelhető összletek vízföldtani tulaldonságai
Háromfázisú (telítetlen) zóna térbeli helyzete
Kétfázisú (telített) zóna térbeli helyzete
Háromfázisú (telítetlen) zóna vízföldtani jellemzői
Kétfázisú (telített) zóna vízföldtani jellemzői
Vízföldtani jelleg
Vízföldtani paraméterek modellekhez
Vízföldtani jelleg
Vízföldtani paraméterek modellekhez
12
domborzat és vízhálózat talajvíztükör tszf magassága és felszín alatti mélysége horizontális lehatárolás talajvízadó feküje egymás alatt következő vízadó rétegcsoportok vastagsága ill. feküje horizontális lehatárolás porózus kettős porozítású vagy repedezett homogén vagy inhomogén izotróp vagy anizotróp rétegzett vagy rétegzetlen járatos áramlási: pF, K(w) transzport: diszperziós tényező víz–kőzet kölcsönhatási: ásványos összetétel, adszorbciós tulajdonságok porózus kettős porozitású vagy repedezett homogén vagy inhomogén izotróp vagy anizotróp rétegzett vagy rétegzetlen járatos áramlási: k, n, S, anizotrópia tényező (λ) transzport: diszperzivitások
víz–kőzet kölcsönhatási: ásványos összetétel, adszorbciós tulajdonságok áttekintő nagytérségi modell vízháztartás vízhozam (base-flow Természetes beszivárgás mérések, archív adatok) vízszintidősorok (lefolyás, Utánpótlódási párolgás szimulációja) viszonyok vízminőség Mesterséges utánpótlódás települési szikkadások, elszivárgások, öntözések Eddigi és előrejelezhető változás (legvalószínűbb, legrosszabb, mértékadó): pl. időjárási, fedettségi, emberi tevékenységi helyzetek A rendszer vízelőrejelzése és források (hozam, szint) anyagforgalmát szabályozó forrásvízfolyások (hozam, külső hatások szint) (természetes Természetes megcsapolás párolgó állóvizek: folyamatok és mocsarak, lápok (szintek) beavatkozások) párolgó talajvizek Megcsapolás (értékelés) Mesterséges megcsapolás kutak, vízművek lecsapolások, melioráció, csatornázások Eddigi és az előre-jelezhető változások és hatások (legvalószínűbb, legrosszabb, mértékadó): pl. a talajvízpárolgás lecsökkenése éghajlati okból csapadék-minőség Transzporttermészetes és mesterséges alkotók, nyomjelzők: Cl, NO3, K, freon, folyamatok nehézfémek, izotópok anyagutánpótlása szennyezőforrásokból származó oldott anyagok talajnedvességi potenciál viszonyai Potenciálviszonok talajvízszint réteg- és repedésvízszint talajnedvesség zónája Vízminőségi, hidrogeokémiai, talajvíz zónája A rendszer környezeti izotóphidrológiai adatok, idősorok állapotát jellemző réteg- és egyéb mélyebb vizek zónája adatok (modellek felszíni vizek ellenőrzéséhez és Geotermikus jellemzők Mélységi hőmérsékleti, adatok, forrásigazolásához) hőmérsékleti idősorok kilúgozás Talajokban és kőzetekben a felhalmozódási jelenségek vízáramlási, transzport- és víz-kőzet kölcsönhatási folyamatok során kicsapódási jelenségek észlelhető változások megkötődési jelenségek 5. ábra A vízáramlási rendszereket befolyásoló főbb tényezők
3.5 Üledékképződés/erózió Az üledék-felhalmozódás hőtani hatásaira szintén figyelemmel kell lenni különösen olyan területeken (amilyen a Pannon medence is), ahol több ezer méter vastag, különböző hőtani paraméterekkel rendelkező üledék halmozódott fel. A terület DK-i határán csatlakozó Dráva medencében a neogén és kvarter üledékek vastagsága meghaladja a 4000 métert, az üledékfelhalmozódás okozta hőáram-deficit itt eléri a 20 mW/m2-t (LENKEY, 1999), a Zalai medence 13
esetében ez kevésbé számottevő tényező. A T-JAM területén azonban a medencebeli feltöltést követő kiemelkedés során számottevő, több-száz méteres erózió is bekövetkezett, melynek hőáram-növelő hatását a geotermikus modellezés során értékelni fogjuk.
3.6 Tektonikai szerkezetek A tektonikai szerkezetek vízáramlásra gyakorolt hatásuk miatt jelentősek a hőáramlás szempontjából (kényszerpályák). Ezek közül is kiemelkedő fontosságúak azok a vertikálisan több-száz méter hosszúságú jó vízvezető szerkezetek, csatornák, melyeken a magas hőmérsékletű víz kis hűlési gradiens mellett jut felszín közelébe. Az ilyen jelenséget hőliftnek nevezzük, melynek döntő szerepe van a regionális szabad, vagy részben gravitációsan vezérelt konvekciós áramlások létrejöttében. A Szlovénia ÉK-i részén található Benedikt és környéke ebbe a kategóriába sorolható. A metamorf kőzetekben zajló konvekcióra 2004-ben derült fény, amikor a Be-2-es kutató temelő kutat lemélyítették (KRALJIĆ ET AL., 2005). Egy másik fúrásban (BS-2) a harmadidőszaki rétegekben mért magas geotermikus gradiens (82 mK/m) már korábban sejteni engedte egy ilyen zóna létét. Ezen a területen nyilvánvaló a termálvíz nagy mélységű, akár 2 km mély áramlása, amely elegendő ahhoz, hogy a termálvíz elérje a 82-86°C hőmérsékletet. Ebben a szituációban Szükségtelen feltételezni egy mélybeli fiatal magmás test, mint hőforrás létezését. Magyarországon, Zalaegerszeg, Nagylengyel és Zalakaros térségében számos geotermikus anomália köthető függőleges vagy közel függőleges, nagy permeabilitású csatornákhoz, feltolódási zónákhoz. A vizek alacsony sótartalma szerkezetek menti konvekciót (pl. Zalaegerszeg), a nagy sótartalom szabad konvektív áramlási cellát (pl. Zalaegerszeg) mutat.
3.7 Vulkánizmus és utótevékenységei A vulkáni aktivitás általában magas hőáramot eredményez, azonban a területen található – az elmúlt 10 millió évben inaktív – vulkánok mérete nem okoz megnövekedett hőáramot, mivel a magmakamrák ennyi idő alatt kihűltek (LENKEY, 1999). Ennek a tényezőnek ezért területünkön nincsen jelentősége.
14
4. A numerikus modell várható eredményei A geotermikus modell végső eredményeit az egyesített, vagy összekapcsolt numerikus áramlási és hőtranszport modell-futtatásokból kapjuk meg. Egyrészt a ModFlow (folyadék áramlás modellezés), másrészt a FeFlow szoftverek (folyadék áramlás és csatolt hőtranszport modellezés) eredményei alapján készített térképek a következők lesznek: •
Felszíni hőáram sűrűség térkép
•
Hő-anomália térkép (pl. HOCHSTEIN, 1988 nyomán), mely a kiemelkedő pozitív és negatív konduktív hőárammal rendelkező területeket mutatja, kombinálva a hidrogeotermikus rezervoárok típusaival.
•
Hőmérséklet és mélység térképek o Szintvonalas térképsorozatok néhány kiválasztott hőmérsékleti érték felszínét mutatva (pl. a 30°C, 50°C, 70°C és 90°C izotermák felszínei)
A numerikus modellek kiértékelése során táblázatok és grafikonok segítik az eredmények bemutatását. Fő eredményként várhajuk, hogy a numerikus modellek hozzájárulnak majd a regionális folyadék és hőáramlás megértéséhez. Mindezen eredmények alapján pontosabban tudjuk meghatározni az egyes geotermikus hasznosítások (a víztermelések, geotermikus termelővisszasajtoló kút párok, vagy ezek kombinációi - többszörös kutak) rendszerre gyakorolt lehetséges hatásait.
15
5. A T-JAM projekt terület geotermikus sajátosságai Magyarország területe – ezen belül vizsgált területünk a Mura-Zala medence – a Pannonmedence alatti különlegesen vékony, 60–100 km-es litoszféra miatt sorolható geotermikus adottságait tekintve Európa élvonalába. A földkéreg is vékonyabb a világátlagnál: mindössze 24-26 km vastag, vagyis mintegy 10 km-rel vékonyabb a szomszéd területekhez képest. A litoszféra kivékonyodása az alsó- és középső-miocénben lejátszódott geodinamikai események (a Pannon medence kialakulásának) következménye, amelynek során a forró asztenoszféra a felszínhez közelebb helyezkedik el (ROYDEN ET AL., 1983). A projektterület regionális geotermikus viszonyaival már a 90-es években foglalkoztak, például az Európa Geotermikus Atlasza keretei között (HURTIG ET AL., 1992).
5.1 A közvetlen hő-hasznosítás jelenlegi helyzete A T-JAM projekt által vizsgált területen a hőhasznosítás főként termálkutak segítségével történik, amelyet a hasznosítási felmérésünkben (LAPANJE ET AL. 2010) foglaltunk össze. A projekt magyarországi részterületén mindössze kétféle módja van a közvetlen hőhasznosításnak, míg Szlovéniában ötféle és a közeljövőben kiegészül még legalább két kategóriával (hó-olvasztás és haltenyésztés). Délnyugat Magyarországon feltehetően hasonló tervek vannak a direkt hőhasznosítás kiterjesztésére néhány további kategóriában. Északkelet Szlovéniában 13 felhasználó 25 termelőkútjának adata állt rendelkezésünkre (Benedikt kivételével). Délnyugat Magyarországon ez 29 hasznosítási helyet, (felhasználót) jelent 42 termálkúttal és egy jelentős termál forrással Hévízen. A földhős hőszivattyúk ÉK Szlovéniában jelenleg szélesebb körben elterjedtek, mint DNy Magyarországon. ÉK Szlovéniában az öt hasznosítási kategória (egyéni fűtés, távfűtés, légkondicionálás, üvegházak fűtése, fürdő-, uszodai és balneológiai hasznosításs) közvetlen hő-fogyasztása 38,83 MW, a hőszivattyúkat is beleszámolva 48,83 MW. DNy Magyarországon a két hasznosítási kategóriában (távfűtés, valamint fürdő és uszodai-balneológiai hasznosítás) felhasznált kapacitása 71,17 MW, a hőszivattyúkra nem rendelkezünk adatokkal. ÉK Szlovéniában az éves hő felhasználás az öt kategóriában 382 TJ/év, a hőszivattyúkkal együtt mintegy 432 TJ/év, míg ugyanezek Magyarországra a két kategóriában kb. 660 TJ/év, a hőszivattyúkkal együtt 678 TJ/év. Míg ÉK Szlovéniában a 600 hőszivattyús hasznosítás többsége nyitott rendszer, addig DNy Magyarországon főleg zárt rendszerű, függőleges kialakítású a 98 hőszivattyús felhasználás többsége.
5.2 A terület mélységi hőáram képe A vizsgált terület és környezetének földi hőáram sűrűségét a 6. ábra szemlélteti. A térkép Magyarországon 27 db hőáram-meghatározáson és mintegy 1500 hőáram becslésen alapszik, míg a határon kívüli részek a „Atlas of Geothermal Resources of Europe” (HURTER & SCHELLSCHMIDT, 2003) térképsorozatából származnak. A szintvonalakkal ábrázolt értékek pontossága ± 15 %. A térkép elkészítése óta (2005) Magyarországon nem történt újabb hőáram-meghatározás, és az újabb fúrásokban mért hőmérsékletek is összhangban vannak a korábbi mérésekkel, így a hőáram-térkép nem változott.
16
Szlovéniában a terület DNy-i részén (Ptuj) a hőáram-sűrűség 60-70 mW/m2 körül van, mely fokozatosan növekszik a magyar határ felé. A legmagasabb értékek – 120 mW/m2 felett – a muraszombati magaslaton Lénárttól Moravske Toplicéig és a Pečarovci-Dankovci telületen találhatók, mely az alacsony mélységben található pretercier aljzattal és a pretercier kőzetekben levő konvekciós zónákkal magyarázhatóak. Benediktnél ez már bizonyítást nyert, és Muraszombat és Moravske Toplice alatt is feltételezhető. Kisebb anomália – 110 mW/m2 feletti – található Lendaván, amelynek területe DNy Magyarországra is átnyúlik. A magyarországi oldalon szélesebb skálán mozognak az értékek (60-100 mW/m2). Legalacsonyabb értékei a Keszthelyi-hegység területén találhatóak, KÉK-en, ahol a lefelé áramló hideg karsztvíz hűti a környezetét. Az értékek fokozatosan nőnek DNy felé, ahol elérik a 90-100 mW/m2 értéket a szlovén határ közelében.
6. ábra A vizsgált terület és környezete földi hőáram sűrűsége (Horváth et al. 2005)
5.2.1 Magyarország A terület konvektív hőáramát a mélyfúrásokban korábban mért hőmérséklet-eloszlásból, (2. táblázat és 7. ábra.) és a terület földtani-vízföldtani ismeretessége alapján becsülhetjük. 2010 őszén további 5 szelvényezést végzett a Geo-Log Kft., mint a projekt alvállalkozója (3. táblázat, 8. ábra és I-V. mellékletek). A hőmérséklet-eloszlás vizsgálatára folytonos szelvényezést végeztek 5 kútban. A kútszerkezet ellenőrzésére kútátmérő és természetes gamma mérés történt. Ezen értékeket a numerikus hőtranszport modellbe illesztve tudjuk majd pontosítani, illetve meghatározni a konvektív hőáramlások irányát.
17
2. Táblázat A Szombathely II-es fúrásban korábban mért hőmérséklet értékek és hőtani paraméterek Hővezetőképesség (W/mK)
Mélység (m)
Korrigált Vastagság hővezetőképesség (m) (W/mK)
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
Hőmérséklet T (°C)
Hőáram (mW/m2)
33,7
71,9
55,7
108,7
93
90,2
0 - 2150 sh – agyag st – homokkő
3. Táblázat A T-JAM projekt keretében mért kutak alapadatai A kút neve
Fürdő-1
NG-1 MÁFI megfigyelőkút
Nádasd N-2
Kd-3
ZG-1
Település
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
?
Létesítés éve
1960
1972
1957
1964
1999
Talpmélység (m)
1498,6
1517
2112,6
3213,3
940
Szűrőzött szakasz teteje (m)
600
1192
1728
213,5
901
Szűrőzött (m)
937
1315
1736
222
925
Szűrők száma
7
1
1
1
3
Talphőmérséklet (°C)
83,5
?
73,9
?
44,8
Kifolyó víz hőmérséklete (°C)
37
?
64
44
27
Statikus vízszint (m)
-47,2
-23
-6,9
-9,0
-35,8
Maximális hozam (l/min)
600
?
?
42
?
18
szakasz
alja
7. ábra A Szombathely II-es fúrás rétegsora, a fúrásban korábban mért hővezető képességek, a fúrásban mért hőmérséklet eloszlás és hőmérsékleti gradiens görbék.
19
8. ábra A projekt keretében mért kutak elhelyezkedése Magyarországon
A Szombathely Fürdő-1-es kútban (1A-B mellékletek) a hőmérséklet és természetes gamma szelvényezés 3,3 és 758,8 méter között történt, felső pannon homokos, aleuritos-agyagos rétegeket (Tihanyi Formáció) harántolva. A közelben található Szombathely Fürdő-3-as kútban hasonló földtani környezetben a hőmérséklet-szelvényezés 2,7 és 664,4 méter között, míg a természetes gamma szelvényezés 2,7 és 662,9 méter között történt. A kút teljes mélysége 1498,6 méter, ahol a korábbi talphőmérséklet mérés 83,5 °C-os értéket adott. A nyugalmi helyzetben mért hőmérséklet-mélység (T – z) profil 59 méteres mélységig 14,2 °C-os értéket mutat, majd többnyire állandó mértékű a hőmérséklet növekedése egészen a mért szakasz aljáig (758,8 m), ahol 42,89 °C a hőmérséklet. Kivétel ez alól a 770 méteres mélység, ahol a hőmérséklet adatok alapján meleg víz beáramlásra következtetünk a mélyebb rétegekből, mely felfelé áramlik a kútban és a 600 és 625 méter közötti szűrőzött szakaszban jelenik meg. Az átlagos geotermikus gradiens 59 métertől a mért szakasz aljáig 41 °C/km. Figyelembe véve, hogy 20 méteres mélységben 10,5 °C a hőmérséklet, mely az éves felszíni középhőmérséklet, az átlagos gradiens értéke 43,8 °C/km-nek adódik, melyet zöld vonallal jelöltünk a szelvényen. Mindez azt mutatja, hogy a T – z profil a legfelső szakaszon nem állandó. A kútban a litológiától való hőmérséklet függésre utaló jel nem látható. A Nagygörbő NG-1-es kút (2A-B mellékletek) a felső pannóniai rétegeket (Újfalui és Hansági Formációk) harántolta, majd alatta a felső miocén Tinnyei és Szilágyi Agyagmárga és a Rákosi Mészkő Formációkat. Ez alatt a középső miocén (Bádeni Agyag, Tari Dácittufa, Tekeri Slír) és alsó miocén (Budafai, Szászvári, Gyulakeszi Riolittufa) formációk települnek. A fúrás legalsó részén oligocén Csatkai Formációt tárt fel. A hőmérséklet 1,6 – 1106,9 méter, míg a természetes gamma szelvényezés 1,6 - 1105,4 méteres mélységekben történt, a kút eddig a mélységig volt szelvényezhető. 20
A fúrás teljes mélysége 1517 méter. Ebben a fúrásban nem mértek talphőmérsékletet. A nyugalmi körülmények között mért T-z profil 42 méterig állandó hőmérsékletet mutat, majd egy átlagosan 17,6 °C/km gradienssel emelkedik a mért szakasz végéig. A legmagasabb mért hőmérséklet 30,17 °C 1106,8 m-es mélységben. A profil némi változékonyságot mutat a gradiensben, amely valószínűleg a kőzettani változékonysággal hozható összefüggésbe. 380 méteres mélységig hidegebb, meteorikus vizek beszivárgása nyilvánvaló a T-z görbéről egy kisebb gradienssel, míg az ez alatti kevésbé permeábilis rétegekben magasabb gradienssel emelkedik a hőmérséklet. A számított átlagos gradiens érteke 18,1 °C/km. A Hegyháthodász Nádasd N-2-es (3A-B mellékletek) fúrás a felső pannon homokos agyagos aleuritos üledékeket (Tihanyi F.) harántolja 1146 méterig. Ez alatt az Algyői Formáció homokos, márgás, aleuritos rétegei következnek 1322 méterig. A Szolnoki Formáció agyagos márga, homokos márga, homok és agyagos homok rétegei az 1322 – 1832 méteres mélységek között találhatók. A szelvényezés 1832,3 méterig történt. A fúrás teljes mélysége 2395 méter, létesítésekor 1536 méteres mélységben 73,9 °C-os talphőmérsékletet mértek. A szelvényezés során a maximális hőmérséklet 91,8 °C-nak adódott 1832,2 méterben. A T-z profil nem mutat különösebb jellegzetességet, kivéve a főként litológiával és vízmozgással összefüggésbe hozható kis mértékű változatosságot. A 111832,2 méteres mélységekre számolt átlagos gradiens 44,1 °C/km. A Kehidakustány Kd-3-as kút (4A-B mellékletek) egy vékony kvarter fedő után a felső pannóniai Somlói Formáció homokos, aleuritos agyag rétegeit harántolta. A hőmérséklet 3 – 209,3 méter, míg a természetes gamma szelvényezés 3 – 207,8 méteres mélységekben történt. A fúrás teljes mélysége 3212,3 méter, létesítésekor 1498,6 méteres mélység elérésekor a kifolyó víz hőmérsékletét 44 °C-nak mérték. A T-z profil csekély litológiai változásokat mutat és/vagy valószínűleg a laterális vízmozgást a 110-125 méteres és a kb. 155 méteres mélységekben. A legmagasabb hőmérsékletet (53,83 °C) mindössze 209,2 m-ben mérték. Ebből adódóan a hőmérsékleti gradiens a 20-209,2 méteres mélységekre igen magas értéket ér el: 190 °C/km. Az interpolált hőmérséklet trendvonal 229 °C/km gradienst mutat. Ebből arra következtethetünk, hogy a T-z profil nem érte el a nyugalmi állapotát, legalábbis nem a felső 120 méterben. Egy ilyen magas hőmérsékleti gradiens arra utal, hogy a kút hőmérsékletét a felső 210 méterben a valószínűleg nagyobb mélységből (esetleg 1500 méterből vagy még mélyebbről) felfelé áramló termálvíz befolyásolja. A Zalaegerszeg ZG-1-es kút (5A-B mellékletek) egy vékony kvarter fedő alatt felső pannóniai homokos, aleuritos rétegeket harántolt. A hőmérséklet 3 – 937,6 méter, míg a természetes gamma szelvényezés 3 – 936,1 méteres mélységekben történt. A fúrás teljes mélysége 940 méter. A talphőmérséklet 46 °C-nak adódott. A szelvényezés során a maximális hőmérséklet 44,8 °C-nak adódott 937,6 méterben. A T-z görbe nagy változékonyságot mutat a felső 200 méterben, mely a litológiával hozható összefüggésbe. A homokosabb rétegekben a mért hőmérsékletet a hűvösebb rétegvíz áramlása befolyásolja. Mindemellett a T-z görbe mérés nem teljesen nyugalmi körülmények között történt. Ez egyértelműen látszik az interpolált hőmérséklet trendvonalból, melynek értéke 37,4 °C/km, míg a 200-937,6 méteres mélységek között a mért T-z görbéből számolt gradiens csupán 30,4 °C/km. A 764-937 méteres mélységek között 150 l/perc hozamú szivattyúzási teszt alatt mért T-z profil 840-857 méterben szűrőzött szakaszt tárt fel, ahol a víz belép a kútba.
21
5.2.2 Szlovénia Az átlagos hőáram-sűrűség 27 fúrásból lett meghatározva. Kőzetmintákon mért hővezetőképesség értékek 24 fúrásból állnak rendelkezésre. Három fúrásban megbízható hőmérsékletmélység szelvény áll rendelkezésünkre, amelyekben a hővezető-képesség az azonos földtani felépítéssel rendelkező rendelkező szomszédos kutakból lett meghatározva. Néhány helyszínen az extrapoláció nem volt lehetséges, ezért RYBACH (1981) módszere helyett az elméleti hőmérséklet-mélység profil számításhoz folyamodtunk. Csupán néhány ilyen egydimenziós konduktív modell alapján számított adattal dolgoztunk Szlovéniában a térkép megbízhatóságának javítása érdekében, azokon a helyeken, ahol kevés fúrási adat állt rendelkezésünkre. A számított felszíni hőáram sűrűségek többsége a 90 és 130 mW/m2 tartományba esnek. A legkisebb értéket (66 mW/m2) a Jan-1/04 jelű fúrásban Janežovciban, a legnagyobbat (155 mW/m2) a Pg-9/89 fúrásban a Lendava közeli Petišovciban kaptuk. Benedikt (ÉK Szlovénia) kiemelkedő terület, mivel itt a konvektív hőáramlás is jelen van a konduktív mellett. A korábban létesített 788 méter mély BS-2-es fúrásban 1976-ban a 635 méterig tartó hőmérséklet szelvényezés megemelkedett hőmérsékleti gradienst (82 °C/km) mutatott a harmadidőszaki rétegekben, melynek oka a metamorf aljzatban zajló konvektív áramlás. A metamorf kőzeteket csupán ez az első fúrás tárta fel 31 méter hosszan (RAVNIK ET AL., 1987). A konvekció csak később vált ismertté, mikor 877 méterrel távolabb 2004ben lemélyítették a Be-2-es fúrást (9. ábra., adatforrás KRALJIĆ ET AL., 2005). A fúrásban mért hőmérséklet adatokból meghatározták a hőáram-sűrűséget a mélység függvényében, melyet az egyes mélységekben ±20 méteres intervallumra átlagolt geotermikus gradiensből számoltak a hővezető-képesség meghatározásával együtt (4. táblázat.). A BS-2-es fúrásban az átlagos hőáram-sűrűség 145 mW/m2. A Be-2-es fúrás végig harántolta a harmadidőszaki rétegeket (agyag, homokos agyag, márga, kőzetliszt, mészkő-breccsa, homokkő) és elérte a paleozoós metamorf kőzeteket 760 méteres mélységben. Metamorf zöldpala fácies (fillit) következett 810 méterig, majd ezt követte muszkovitos biotitos csillámpala, váltakozva dolomitos márvánnyal, amfibolittal és kvarcittal a fúrás talpáig. A harmadidőszaki kőzetekben a geotermikus gradiens meglehetősen magas, eléri a 85 °C/km értéket. A maximális hőmérséklet 800 méteres mélységben 86 °C-nak mérték. 4. Táblázat Korábbi mérésből származó hőmérséklet értékek és hőtani paraméterek a benedikti BS-2-es fúrásban. Mélység (m)
Képződmény
155 230 405 420 465 772 781 átlagos q
homokkő kőzetlisztes márga homokos márga homokos márga homokkő zöldpala csillámpala, tufás
Geotermlis gradiens (mK/m) 70 100 70 70 70 40* 40*
Hővezető képesség (W/m·K) 3.00 1.59 1.90 1.59 2.77 2.41 2.77
Mért hőmérséklet (°C) 27.6 33.8 50.1 51.2 54.4
Származtatott hőáram-sűrűség q (mW/m2) 210 159 133 111 194 96 111 145
*772 és 781 m-ben becsült értékek jelentősebb vízáramlás feltételezett kizárásával a teljes fúrásra számolt konstans hőáram sűrűséggel (q) számolva
A mélybeli hőmérséklet-eloszlás jobb megismerése érdekében számos, hosszabb ideje lezárt szénhidrogén kútban mértek 100 vagy 200 méteres sűrűséggel hőmérséklet és nyomás értékeket. Északkelet Szlovénia a közelmúltban vizsgált néhány jellegzetes kútját mutatjuk be 22
a következőkben, melyek a geotermikus értelmezést elősegítik. Ezeken kívül számos más kút található, melyekben azonban többnyire termálisan nem egyensúlyi helyzetben mérték a hőmérsékletszelvényt, és esetleg a talphőmérséklet, a Drill Stem Test-et (DST - részletes fúrás közbeni rétegvizsgálat) és egyedi mélységekben mért hőmérséklet értékeket. Ilyen kutak találhatók Muraszombaton, Gabrnik, Radenci, Dankovci, Filovci térségében és több más helyszínen.
9. ábra A Be-2-es benedikti fúrásban mért hőmérséklet értékek az egyszerűsített rétegsorral (KRALJIC ET AL., 2005 nyomán).
Szlovénia legmélyebb szénhidrogén-kutató fúrásában, a ljutomeri Ljut-1-es kútban több alkalommal végeztek hőmérsékletmérést. Közvetlenül a fúrás után 3 különböző mélységben végeztek DST méréseket. Az első pontszerű, 5-10 méterenként végzett hőmérsékletmérés 4 éves pihentetés után 1992 októberében történt a 10-1965 méteres mélységközben. A második, 100 méteres sűrűséggel végzett pontszerű hőmérsékletmérés 2 éves pihentetés után 1997 júniusában történt a 0-4026 méteres mélységközben. A 4026 méteres mélységben a maximális hőmérséklet 173,4 °C-nak adódott. A T-z profilokon (10. és 11. ábrák) nem található egyedi jellegzetesség, egyedül az első profil mutat némi jégkorszaki hatást. A fúrás pleisztocén és pliocén üledékeket harántolt, majd vastag miocén üledékes szekvenciákat (felső pontusitól a kárpátiig) főként márga, homokkő és kőzetliszt váltakozását, majd felső triász kovás breccsás dolomitos mészkövet, végül ordovícium előtti gneiszt. A harmadidőszaki rétegekben az 23
átlagos hőmérséklet gradiens 40,3 °C/km, és az ebből valamint a hővezető képességből számolt hőáram sűrűség 116 mW/m2–nek adódott.
10. ábra A Ljtuj-1-es kút egyszerűsített geológiai szelvénye a mért hőmérséklet-profillal, a számolt geotermikus gradiens, hővezető-képesség, radioaktív hőtermelési értékek, és szakaszokra számolt hőáram-sűrűség értékek bemutatásával (GeoZS adatbázis).
11. ábra A Ljut-1/88-as kútban mért hőmérséklet értékek, egyszerűsített rétegsorral.
24
A szénhidrogén-kutatási céllal létesült Rimska čarda-i Mt-2-es kútban átfúrták a pliocéntől bádeniig az üledékes rétegsort (agyag, homok, homokos agyag és konszolidált homokkő, márgával), majd a fúrás a paleozoós enyhén metamorf kőzetekben (fillithez hasonló csillámpala) ért véget. Az első pontszerű, 10 méterenként végzett hőmérsékletmérés 1985 novemberében történt a 10-810 méteres mélységközben. A mérést hosszú pihentetési idő után végezték. A T-z görbe nem mutat vízáramlási jelenséget, vagy egyéb jellegzetességet, valójában meglehetősen lineáris a tendenciája (12. ábra.). A harmadidőszaki kőzetekben mért hőmérsékleti gradiensből (61 °C/km) és a közeli, moravske toplicei, hasonló litológiájú fúrásból átvett hővezető-képesség értékből meghatározott hőáram sűrűség 120 mW/m2-nek adódik.
12. ábra Az Mt-2/61-es, Rimska čardai kút egyszerűsített geológiai szelvénye a mért hőmérsékletprofillal, a számolt geotermikus gradiens, hővezető-képesség, radioaktív hőtermelési értékek, és szakaszokra számolt hőáram-sűrűség értékek bemutatásával.
A Petišovci Pg-7-es jelű szénhidrogén-termelő kút átfúrta a plesiztocéntől kárpátiig az üledékes rétegsort főként homokos agyagot és kevés kőszenet harántolva a pontusi (pontian) szakaszon, valamint a szelvény nagyobbik hányadában homokkövet és kőzetlisztet harántolva. A teljes szelvényezést a zágrábi INA Co. végezte. Az első hőmérsékletmérés még fúrás közben, 1988 októberében történt az 50-1790 méteres mélységközben 50 méteres szakaszonként. A második szelvényezés 6 nappal a fúrás befejezése után 1988 decemberében történt a 2500-2890 méteres szakaszon 20 méteres mérési sűrűséggel. Ez utóbbi esetben a T-z görbe termálisan jobban kiegyenlített (13. ábra.). A harmadidőszaki kőzetekben az átlagos geotermikus gradiens 48 °C/km és a hőáram-sűrűség 137 mW/m2. A maximális hőmérséklet a fúrás talpán (2782 méter) 146 °C-nak adódott.
25
13. ábra A Pg-7/88-as Petišovci-i kút egyszerűsített geológiai szelvénye az utolsó mért hőmérsékletprofillal, a számolt geotermikus gradiens, hővezető-képesség, radioaktív hőtermelési értékek, és szakaszokra számolt hőáram-sűrűség értékek bemutatásával.
A Pečarovci Peč-1-es kút átfúrta a pliocén és a vastag miocén rétegsort (főként agyag, homok, kőszén a felső részen, valamint homokkő, márga, kőzetliszt és konglomerátum a szelvény nagyobb hányadában). A fúrás talpához közeledve 115 méter vastagságban harántolta a mezozoós dolomitot és dolomitbreccsát, végül paleozoós metamorf kőzetekben (főként fillit) állt meg. Az első hőmérséklet-szelvényezést még a fúrás során végezték 1991 februárjában 300-1388 méteres mélységben (ábra nélkül). Ez alapján néhány gyenge vízáramlási zónát feltételezhetünk, nevezetesen a 680-690, a 740-750 és az 1060-1070 méteres mélységekben. Az 1991-től 2001-ig tartó időszakban négy alkalommal végeztek hőmérséklet mérést négy mélységben 1862 és 2098 méter között, melyek közül kettőt a továbbfúrás után 2001 és 2098 méteres mélységben. Ebben a fúrásban a maximális hőmérsékletet (104 °C-t) 2001 méter mélyen mérték (14. ábra.). A harmadidőszaki kőzetekben a hőmérséklet gradiens értéke a fenti mérésekből számolva 45 °C/km-nek adódott, a hővezető-képességeket felhasználva a számolt hőáram sűrűség 111 mW/m2.
26
14. ábra A Peč-1/91-es Petišovci-i kút egyszerűsített geológiai szelvénye az utolsó mért hőmérsékletprofillal, a számolt geotermikus gradiens, hővezető-képesség, radioaktív hőtermelési értékek, és szakaszokra számolt hőáram-sűrűség értékek bemutatásával.
A Murski gozd-i, Mg-6-os jelű kút átfúrta a pleisztocén (agyag, homok) és miocén üledékeket (agyag, homok, márga, márgás agyag, homokkő, márgás homokkő) a felső pontiusitól a kárpátiig egészen 3732 méterig, majd triász (esetleg perm) agyagos dolomitbreccsában állt meg. A hőmérsékletet 1985. február - márciusában mérték több alkalommal a mélyebb részen, mint talphőmérséklet és a DST mérés tekintetében Szlovénia legmagasabb mélységi hőmérsékletét – 202 °C – 3739 méteres mélységben. Egy hosszabb állásidő után, 2002 áprilisában pontszerű hőmérséklet mérést végeztek a 100 – 1570 méteres mélységekben. Mindezeket a 15. ábrán mutatjuk be. A harmadidőszaki kőzetekben a hőmérséklet gradiens értéke a fenti mérésekből számolva 51 °C/km-nek adódott, a hővezető-képességeket felhasználva a számolt hőáram sűrűség 124 mW/m2.
15. ábra Az Mg-6 –os, Murski gozd-i kút egyszerűsített geológiai szelvénye az utolsó mért hőmérsékletprofillal, a számolt geotermikus gradiens, hővezető-képesség, radioaktív hőtermelési értékek, és szakaszokra számolt hőáram-sűrűség értékek bemutatásával.
27
A Benicai Be-1-es kút plicocéntől bádeni korú üledékeket fúrt át, a felső szakaszán agyaggal és homokkal, mélyebben márga és homokkő váltakozásával. A 2001 márciusában végzett nem egyenközű (200 – 500 méterenkénti) pontszerű hőmérsékletmérésből magasabb gradiens értéket kapunk, mint az 1960-as létesítéskor és azt követően mért talphőmérséklet mérésekből (16. ábra.). A harmadidőszaki rétegekben a hőmérséklet gradiens 49 °C/km. A maximális hőmérsékletet (124 °C) a 2755 méteres mélységben mérték, mint talphőmérsékletet. A hőáram sűrűség ebben a fúrásban nem lett meghatározva.
16. ábra A Be-1-es kútban mért hőmérséklet értékek, az egyszerűsített rétegoszloppal.
A maribori MB-1-es kút átfúrta a miocén üledékes rétegeket, főként márgát, homokos márgát és homokkövet, majd a fúrásban 639 méteres mélységtől paleozoós metamorf kőzetek következnek: főként gneisz, kevés amfibolittal és eklogittal. Pontszerű hőmérsékletmérést többször végeztek. Az első mérés a fúrás 834 méteres akkori talpmélységénél a 10-657 méteres intervallumban, 1990. november 21-én történt. Az 1331 méteres végleges talpmélység elérése után a 200 – 1020 méteres intervallumban mértek hőmérsékleteket, a talphőmérséklet 56 °C-nak adódott közvetlenül a fúrás befejezése után. A következő pontszerű hőmérsékletmérést 40 – 1000 méter között végezték 1991. október 1-én, majd teljes hőmérsékletszelvényt vettek fel 1992. február 18-án a 0 – 970 méter közötti intervallumban, végül a legmegbízhatóbb pontszerű hőmérsékletmérés 1992. szeptember 19-én történt a 40 – 1330 méteres intervallumban. A legnagyobb hőmérsékletet, (60,4 °C-t) az 1330 méteres mélységben mérték. A T-z görbén (17. ábra.) néhány nulla geotermikus gradiensű szakasz látható (620-650 m, 680-740 m, 760-800 m), illetve mélyebben keskenyebb szakaszok (870880 m, 930-950 m) több, szűrőzött szakasszal hozhatók összefüggésbe, melyek gyenge vízáramlást eredményezhetnek. A harmadidőszaki rétegekben a hőmérsékleti gradiens 46 °C/km, míg mélyebben a metamorf kőzetekben ez csupán 30,4 °C/km. A hővezető-képesség adatokkal számolt felszíni hőáram sűrűség 112 mW/m2.
28
17. ábra Az MB-1/90-es, maribori kút egyszerűsített geológiai szelvénye az utolsó mért hőmérsékletprofillal, a számolt geotermikus gradiens, hővezető-képesség, radioaktív hőtermelési értékek, és szakaszokra számolt hőáram-sűrűség értékek bemutatásával.
A muraszombati SOB-2-es hévíz-termelő kutat 1988-ban mélyítették, teljes egészében pliocén (agyag, homok, kőzetliszt, kőzetlisztes és homokos agyag) és a felső pontusi (homok, kőzetliszt, homokos márga, puha homokkő) üledékekben 887 méteres mélységig. Hőmérsékletmérést számos alkalommal végeztek. Az első mérést 1988. április 17-18-án a fúráskihajtás félidejében végezték, amikor a fúrás 580 méter mélységű volt. Fúrás közben a talphőmérséklet 580 méterben 46,8 °C, 840 méterben 57 °C volt. A második pontszerű mérést közvetlenül a teljes mélység elérése után végezték 450-840 méteres mélységben 1988. május 16-17-én. Majd a kúttesztek elvégzése és 3 hónapnyi pihentetés után a harmadik pontszerű hőmérsékletmérést végezték el, 1988. szeptember 23-24-én. A legutolsó mérés T-z görbéjének (18. ábra.) legsajátosabb szakasza a 420-760 méteres mélységköz. Teljesen nyilvánvaló, hogy a termálvíz az alsó 750 mélységű permeábilisabb homokos és kőzetlisztes rétegekből felfelé áramlik egészen 450 méteres mélységig, ahonnan felfelé nem mutatható ki további áramlás. A legnagyobb hőmérsékletet (60,75 °C) 870 méteres mélységben mérték. A geotermikus gradiens átlagos értéke a fúrás teljes mélységére kb. 57 °C/km, míg a felszíni hőáram sűrűség 100 mW/m2-nek adódik.
29
18. ábra A SOB-2/88-as, muraszombati kút egyszerűsített geológiai szelvénye az utolsó mért hőmérsékletprofillal, a számolt geotermikus gradiens, hővezető-képesség, radioaktív hőtermelési értékek, és szakaszokra számolt hőáram-sűrűség értékek bemutatásával.
5.3 Kezdeti hőmérséklet-eloszlás A különböző forrásból származó hőmérséklet adatokat egy egységes geotermikus adatbázisba gyűjtöttük össze, amely segítségével a kiválasztott mélységekre inter- és exrapoláltuk az értékeket. Ezekből az adatokból kaptuk meg a felszín alatti hőmérséklet-eloszlást. A szlovén és a magyar partnerek együttesen választották ki a mélység értéket: 500, 1000, 2000, és 4000 méteres felszín alatti mélységre. Mindegy egyes mélységre a hozzá legközelebb eső mérési adatot választottuk, majd a számolt geotermikus gradiens segítségével ugyanazon függélyben inter- vagy extrapolációval kaptuk meg a keresett értéket. Az így kapott adatok képezték az alapját az egyes mélységekben az interpolációval kapott hőmérséklet-eloszlás térképnek.. A különböző hőmérséklet eloszlásokat a 19-22. ábrák mutatják.
30
19. ábra Hőmérséklet-eloszlás 500 méter mélységben a felszín alatt
Hőmérséklet 500 méter mélységben A Maribor-Ptuj vonaltól keletre gyakorlatilag mindenütt magasabb a hőmérséklet, mint 30 °C. A legmagasabb hőmérsékletek Lenarttól Moravske Toplicéig a muraszombati magaslaton, illetve Benedikt és Radenci térségében találhatók, ez utóbbiban 46 °C-nál magasabb hőmérséklet is várható. Ezek a zónák a valóságban a térképen ábrázoltnál feltételezhetően keskenyebbek. Enyhe hőmérsékletanomália található még a Ljutomer árok felett Lendva és Murski gozd környékén. A muraszombati magaslat hőmérsékletanomáliáját az aljzat felszínközeli helyzete okozza, míg a Benedikt környéki anomáliát a metamorf aljzatban igazolt konvektív áramlás, mely valószínűleg a jelen van Moravske Toplice közelében és Muraszombattól északkeletre is. A magyarországi oldalon, bizonyos területeken a hőmérséklet magasabb, mint 45 °C: a Hévízi-tó és Sümeg térségében, mely anomálikus értékeket a feláramló termál-karsztvizek okozzák. A porózus medencében szintén találhatók pozitív hőmérséklet-anomáliával jellemzett területek: Szilágy és Csonkahegyhát, melyek a nagylengyeli olajmező nyugati részén találhatók. Ez a felszíni anomália feltehetően az 1800-2000 méter mély karsztos aljzatban lévő, regionális konvektív áramlás felszálló ágának következménye. Részletes, kisebb léptékű elemzés szükséges a jelenség megismerésére.
31
20. ábra Hőmérséklet-eloszlás 1000 méter mélységben a felszín alatt
Hőmérséklet 1000 méter mélységben A hőmérséklet-eloszlás ebben a mélységben közel hasonló az 500 méterben ismertetetthez, és 46 °C feletti a Maribor-Ptuj vonaltól keletre. A legnagyobb anomália a Lenarttól Benedikten át Moravske Toplicéig húzódó területen található. Az itt mért 66 °C-os hőmérséklet a Benedikt és Moravske Toplicei kutakban megbízható mérésekből származik. Lendavától délkeleti irányban (Murski gozd) 58 °C feletti érték várható. A benedikti és valószínűleg a murska sobotai és moravske toplicei anomália sávja keskenyebb a térképen ábrázoltnál, azonban egyelőre bizonytalan, hogy mely irányban és milyen mértékben elnyújtott. Az anomália oka néhány nagy elvetési magasságú vető és erős töredezettség a metamorf kőzetekben (Benediktnél legalább 1 km mélységben), amely lehetővé teszi a konvektív hőáramlást 1,9 km-es mélységből a vetők mentén, a harmadidőszaki rétegeken keresztül. Valószínűleg a hő egy, a metamorf kőzetek alatt elhelyezkedő bazaltos vagy intruzív magmás kőzettömeg lassú kihűléséből, származik. A magyarországi részeken a 65 °C feletti hőmérsékletek pozitív, míg a 45 °C alattiak negatív hőmérsékleti anomáliát jeleznek. A pozitív anomália oka az aljzatban található mély konvektív zóna felszálló ága lehet, ahogyan azt az 500 méteres mélységnél említettük. A pusztaszentlászlói anomália az aljzat magas topográfiai helyzetéhez köthető. Nem találtunk mindezidáig ésszerű magyarázatot a bajcsai és szécsi-szigeti anomáliákra. A nyugatnagylengyeli pozitív anomáliától nyugatra, északra és északkeletre található negatív anomáliák az 1800 méternél mélyebben található karsztrendszerben, lefelé irányuló vízáramlással magyarázhatók.
32
21. ábra Hőmérséklet-eloszlás 2000 méter mélységben a felszín alatt
Hőmérséklet 2000 méter mélységben A Maribor-Ptuj vonaltól keletre szinte mindenütt magasabb a hőmérséklet, mint 80 °C. Benediktnél nem túl nyilvánvaló az anomália, mivel itt a termálvízáramlás harmadidőszaki kőzetekben eredményez igen nagy geotermikus gradienst. Ez alapján feltételezhetjük, hogy a konvekciós áramlás zónája nem hatol 2 km-nél mélyebbre, bár az ezt meghaladó mélységekből nem rendelkezünk mérési adatokkal a Benedikt térségétől Muraszombaton át északkeleti irányba nyúló zónából. A Pečarovci és Dankovci mélyfúrásaiban mért adatokat kizárhatjuk, mivel ezek az előbbi területtől távolabb találhatók. Muraszombatnál és attól északkeletre a szlovén-magyar határ felé, Veržejnél és Lendava tágabb körzetében 100 °C feletti értékek várhatóak. Alacsonyabb hőmérsékletek találhatók a Ljutomer-Ptuj depresszióban (szinform), mint a környezetében. Magyarországon a 100 °C-nál magasabb hőmérsékleti anomáliák Nagylengyel-nyugat és Zalaegerszeg-észak térségében a termálkarsztbeli regionális konvektív áramlásnak a következményei. Hasonlóan, a 75 °C-nál alacsonyabb negatív anomáliák Zalalövőnél és Nagylengyel és Zalaegerszeg között ugyanennek a karsztos konvekciónak a leáramló zónáját jelzik.
33
22. ábra Hőmérséklet-eloszlás 4000 méter mélységben a felszín alatt
Hőmérséklet 4000 méter mélységben A Maribor-Ptuj vonaltól keletre szinte mindenütt magasabb a hőmérséklet, mint 140 °C. Muraszombat, Moravske Toplice, Veržej és Ljutomer térségében 160 °C-nál magasabb, a szlovén-magyar határ közelében 170 °C-os, míg Lendava tágabb térségében 185 °C-nál magasabb hőmérséklet található. A legmagasabb hőmérsékletet a Murski gozdi Mg-6 jelű kútban mérték (202 °C 3739 mélységben). Még érdekesebb eredménnyel szolgálna a térség mélyebb kútjaiban elvégzett mérés. Egy ilyen anomália Lendava térségében a vetőzónához kapcsolható, mely oka a mély pretercier aljzatban zajló konvekciós áramlás. A T-JAM terület magyarországi részén mindenütt magasabb a 4000 méterben mért hőmérséklet 160 °C-nál. A legmagasabb érték 200 °C-nál nagyobb, mely Budafa környezetében található. E mélységet megközelítő mérési adatok nem állnak rendelkezésünkre a magyarországi terület keleti-középső részén.
34
5.4 Hőkivétel a rendszerből 5.4.1 Természetes megcsapolások A terület legnagyobb pontszerű természetes hő-megcsapoló helye a Hévízi-tó. A forrás-tó éves hő-hozama a forrásbarlangból kilépő vízhőmérséklet (T2 = 37,95 ºC) és vízhozam értékekből becsülhető. A terület jellemző éves átlaghőmérséklete T1 = 10,5 ºC, így ∆T = 27,45 ºC. A tó jellemző hozama 400 l/s, így a tó hő-hozama 46 MW. Ez éves szinten 1,45 PJ energiát képvisel. A modellezési területre jellemző legkisebb földi hőáram értékkel számolva – 60 mW/m2 – ez 770 km2 hő-gyűjtő területet jelent alsó becslésként. Pontosabb értéket a vízminőségi adatokkal kalibrált vízáramlási numerikus modell és az azzal összekapcsolt hőtranszport modell tud szolgáltatni.
5.4.2 A felszín hőleadása A vízáramlással, konvekcióval és megcsapolásokkal (ld. fentebb) módosított hőáramlás iránya végső soron a Föld belsejéből a felszín felé irányul konduktív hőáramlással. A területre jellemző átlag hőárammal – 85 mW/m2 – felső becslés adható értékére. A projekt területének Magyarországra eső része mintegy 6800 km2, ami így mintegy 580 MW teljesítményt képvisel. A szlovén terület nagyságát (kb. 2800 km2) és jellemző hőáram sűrűséget (103 mW/m2) figyelembe véve ez 288 MW-nak adódik.
35
6. Összefoglalás A bemutatott geotermikus koncepcionális modell képet ad a jelenlegi hőmérséklet-eloszlásról, mely összhangban áll néhány lokális hatású hidrogeológiai jelenség által befolyásolt térbeli geológiai képpel. Mindkét országban összegyűjtöttük a fúrásokból és kutakból a hőmérséklet, a hőmérséklet gradiens, a különböző kőzetek hővezető-képesség adatait és a számított hőáram sűrűség értékeket. Az adatokat egységesen értékeltük ki, így vált megbízhatóbbá a hőmérséklettérképek megrajzolása. A kőzetek hővezető képessége a két területrészen egybevethető: szlovéniai fúrásokban 0,92 – 4,6 W/(m·K), átlagosan 1,93 - 3,21 W/(m·K) értékű, magyarországi részen 1,3 - 4,4 W/(m·K) tartományba esik. A szlovén és a magyar területen kissé eltérő adatok álltak rendelkezésünkre a hőmérséklettérképek készítésénél. Míg Magyarországon több talphőmérsékleti adat, addig szlovén területen inkább több permanens (steady-state) hőmérsékletmérési adat állt rendelkezésre. A projekt keretében, nyugalomban lévő kutak hőmérséklet profilméréseivel egészítettük ki az adatbázist, mindkét területre. Úgy találtuk, hogy a hőmérsékleti gradiens értékek a szlovén oldalon 27 (mezozoós) – 75 °C/km (miocén) adódnak, a magyarországihoz hasonlóan nagy változatosságot mutatva a fiatalabb üledékekben. Az eredményeket 4 mélységben hőmérséklet eloszlási (500, 1000, 2000 és 4000 m), és egy felszíni hőáram térképen mutattuk be. Minden esetre a különböző mélységekben a gradiensek hasonló értéket mutatnak mindkét oldalon. Magyar részen nagyjából 42 to 50 °C/km, és a szlovén oldalon 38 to 50 °C/km. A legmélyebb, 4 km-es szintben a geotermikus gradiensek alacsonyak az itt lehetségesen előforduló mezozoós-paleozoós kőzetek miatt a szlovéniai oldalon, valamint azért, mert ebben a mélységben a tercier üledékes kőzetek erősen kompaktálódtak. A hővezetőképesség ezekben tehát közel azonos az aljzatbeli mezozoós kőzetekével. Általában elmondható, hogy a térképek kevés jellegzetes, lokális hatásokhoz köthető anomáliát mutatnak kisebb mélységekben (500 – 2000 m), ilyenek a szlovén részen a vetőkkel szabdalt metamorf aljzat konvektív zónája és a magyarországi részen a termálvizek feláramlása. Közepes mélységekben (2 – 4 km) az anomáliák oka a pretercier aljazat mély vetői mentén a termális konvekció és a termálkarszt rendszer indukált (forced) konvekciója. Jelen geotermikus koncepcionális modell leírás bemutatta numerikus áramlási és hőtranszport modell építéséhez és futtatásához szükséges paramétereket. A modell eredményeit egy következő jelentésben mutatjuk be.
36
7. Irodalomjegyzék 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 Circlular 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 Horv´ath, 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, Phd 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). 37
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. 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.
38
