Correlation of bedrock outcrop structures with subsurface data - with emphasis on the needs of geoenergy research

Abstract

The demand of energy is constantly increasing in this rapidly developing world. At the same time, the transition of contaminant ways of energy production is more often replaced by production methods that are using renewable energy sources. One of these renewable sources is geothermal energy which inexhaustibly forms in the interior of the Earth. The use of geothermal energy is expanding year by year from the most suitable areas into such areas, where conditions are more challenging. The risk surveying and site selection related to the building of geothermal wells has mainly been utilizing subsurface methods that are certainly effective, however more expensive, and arduous to execute. This study compiles structural geological features made during comprehensive bedrock mapping on the area, where geothermal well, with target depth of 2,5 kilometers, was drilled by Helen Oy. The location of the geothermal well was selected before bedrock mapping of the area. The main goal was to understand the variation of fractures within the diverse lithologies, the relationship, the relationship between faults and fractures and the control of ductile structures to fracturing. The characteristics of these features are crucial with respect to the proper functioning of the well. Later, this data was compared with subsurface data, which gave an estimation of reliability and usefulness of bedrock mapping in the geoenergy projects. Possible reliability would justify the use of cheaper and more easily executed surface methods which would be a great step of development to production of geothermal energy. The study area in Ruskeasuo, Helsinki, consists of different types of gneisses and granites, where fracturing is widely observed. The main interest in the area is a prominent sub-vertical E-W trending fault, which is located on the northern side of the geothermal well. Multiple fracture measurements made in the field and by using 2D-and 3D-data indicates that the fault is dipping about 80o towards the geothermal well, located in the south. The drilling process of the well was not easy. The drilling stopped at the depth of 865 meters, when crucial fractures were encountered. It is possible to assume, that these fractures are related to the aforementioned fault, that is assumed to intersect the well at this depth. The studies made from the well indicated some temperature changes at the depth of about 800 meters that might be related to fractures. Geophysical measurements and visual imaging of the well failed completely and data from the orientations of the structures intersecting the well could not be collected. The E-W trending fault observed from surface was also detected from the reflection seismic data. Since subsurface studies did not produce beneficial data from the well, the correlation to the surface data was not fully proven in this case. However, this kind of structural geological mapping can reveal features that need to be taken into a consideration when selecting the suitable drilling site.

Energian tarve kasvaa jatkuvasti nopeasti kehittyvässä maailmassamme. Samanaikaisesti käynnissä on siirtymä, jonka aikana saastuttavat energiantuotantomuodot korvataan yhä useammin uusiutuvia energialähteitä käyttävillä tuotantomuodoilla. Maan sisuksissa ehtymättömästi syntyvä geoterminen energia on yksi näistä energialähteistä. Geotermistä energiaa hyödynnetään tehokkaasti jo sille luonnollisesti suotuisilla alueilla, ja sen käyttöä pyritään laajentamaan myös alueille, joilla olosuhteet voivat olla haastavammat. Geotermisten kaivojen rakennukseen liittyvien riskien kartoituksessa ja paikan valinnassa on tähän asti hyödynnetty lähes ainoastaan tehokkaita, mutta usein kalliita ja työläitä maanalaisia menetelmiä. Tässä tutkimuksessa kaivonrakennukselle keskeistä rakennegeologista dataa kerättiin kallioperäkartoituksessa alueelta, jonne Helen Oy porasi geotermisen kaivon. Kaivon tavoitesyvyys oli 2,5 kilometriä, ja sen paikka valittiin ennen kartoitusta. Tutkimuksen tavoite oli selvittää rakoilun vaihtelua eri litologioiden välillä, tutkia rakoilun luonnetta ja suhdetta siirroksiin sekä havainnoida duktiilien rakenteiden vaikutusta rakoiluun. Lopulta maanpäällistä dataa vertailtiin maanalaiseen dataan, jonka avulla saatiin arvio kallioperäkartoituksen tulosten käyttökelpoisuudesta geoenergiaprojekteissa. Tulosten hyödynnettävyys voisi lisätä edullisempien ja helpommin toteutettavien maanpäällisten tutkimusten käyttöä, joka olisi iso askel geotermisen energian tuotannon kehittämisessä. Tutkimusalue sijaitsee Ruskeasuolla Helsingissä. Alueelle tyypillisiä kivilajeja ovat erilaiset gneissit ja graniitit, joissa voi havaita tiheää rakoilua. Alueen kiinnostavin geologinen rakenne on merkittävä itä-länsisuuntainen siirros, joka sijaitsee geotermisen kaivon pohjoispuolella. Useiden kenttämittausten ja 2D-ja 3D-materiaalin perusteella on mahdollista havaita siirroksen kaatuvan noin 80o kohti etelässä sijaitsevaa geotermistä kaivoa. Kaivon porausprosessi oli vaikea. Poraus lopetettiin 865 metrin syvyydessä tiheän rakoilun takia. On mahdollista olettaa, että tämä rakoilu liittyy kaivon pohjoispuolella sijaitsevaan siirrokseen, joka läpäisee kaivon tällä syvyydellä. Kaivosta saatujen mittaustentulosten mukaan lämpötilassa tapahtuu muutos noin 800 metrin syvyydessä. Tämä muutos voi liittyä rakoiluun. Kaivon geofysikaaliset mittaukset ja reikäkuvaukset epäonnistuivat täysin, jonka vuoksi rakosuuntadataa ei saatu kerättyä. Maan päällä vaivattomasti havaittava itä-länsisuuntainen siirros on myös näkyvissä seimisessä datassa. Maanpäällisten menetelmien luotettavuutta ja niiden korreloitavuutta maanalaiseen dataan ei tässä tutkimuksessa pystytä täysin todistamaan geofysikaalisten mittausten epäonnistumisen takia. Tämän tutkimuksen mukaan geotermisten kaivojen sijainnin valitseminen ei voi täysin perustua rakennegeologiseen kartoitukseen. Kattava kallioperäkartoitus voi kuitenkin paljastaa oleellisia geologisia rakenteita, jotka tulee huomioida kaivon paikan valinnassa.