JEOTERMİK ve JEOTERMAL

JEOTERMAL
ARAŞTIRMALARDA
ELEKTRİK/EM YÖNTEMLER
Prof. Dr.O.Metin İlkışık
Anadolu Yerbilimleri Ltd.Şti
İstanbul 2013
JEOTERMİK
Yerin ısıl yapısının incelenmesi
JEOTERMAL ARAŞTIRMALAR
Yerdeki ısıl enerjinin kullanılması
JEOTERMİK
• Yerin İçinin Sıcaklığı
• Isı Akısı ve Ölçülmesi
• Dünyada Isı Akısı Değerleri
Sıcaklık ile uyarılmıs atomların ve moleküllerin bulundugu ortamda ısı, şu
üç ana yol ile yayılır.
1) Iletim (Ing.; conduction) yolu ile ısı akışı
2) Dolaşım (Ing.; convection) yolu ile ısı akışı
3) Işıma (Ing.; radiation) yolu ile ısı akışı
Bir ortamda ısı iletiminin genel denklemi
r c(T/t) = K T + K 2T + H
olup burada r yoğunluk, c özgül ısı, T mutlak sıcaklık, t zaman, K ısı
iletkenlik katsayısı ve H ise ısı üretimidir.
K sabit, T durağan ve yanal değişim yoksa bir integrasyon sonra
T/z = -(H/K)z + Sabit
olur. Öte yandan ısı akısı yogunluğu’nun (ısı iletimine ilişkin birinci
Fourier bağıntısına göre birim zamanda birim yüzeyden geçen ısı miktarı)
q0 = K (dT/dz)
olduğu dikkate alınarak; sabit terim yeryüzü için (z=0; H/K=>0)
Sabit (dT/dz)z=0 = q0 /K
olur, ve sonuçta sıcaklık gradyanı (dT/dz) ile K değerleri ölçülerek
yüzeydeki ısı akısını q belirlemek mümkün olur.
Gösterilebilir ki, sıcaklığın derinlikle değisimi ikinci bir integral işlemi
Uygulayarak
a) eger ortamda sabit bir ısı üretimi varsa
T = T0 + (q0 /K ) z - (H /2K ) z2
b) ısı üretimi derinlikle
H=H0exp(-z /D)
biçiminde üstel olarak değişiyorsa
T = T0 - (q0 /K + H0D/K) z - (H0D2/K ) [1-exp(-z/D)]
bağıntısını sağlar. Burada geçen D, yerkabuğu kalınlığının yaklaşık 1/3 ü
kadar olup radyojenik ısı üretiminin oluştuğu üst kısmın kalınlığını simgeler.
Eğer katmanlı bir ortamda bulunuyorsak bağıntı
Tn(z)= Tn-1 + (qn-1/K n)(z-zn-1) - (Hn-1/2Kn)(z-zn-1)2
biçimine dönüşür. Yeryüzündeki q0 ve T0 gibi bazı ısıl değerler biliniyorsa ve
her katmandaki Kn için bir yaklaşım yapılabiliyorsa sıcaklığın katmanlı
ortamda derinlikle değişimi yinelemeli olarak bulunabilir.
Sıcaklığın derinlikle ve yanal dağılımı yanı sıra ısı akısı yoğunluğunun
yerkabuğu ve manto içindeki değişimi de başka bir araştırma
konusudur. Burada ısının iletim yerine dolasım yolu ile aktarılması ve
radyojenik ısı üretimi (H) gibi olaylar önem kazanır. Yeryüzünde
ölçülen ısı akısı yoğunluğu
q0 = qc + q m
olup “qc=H.D” yeryüzünde ölçülen değere radyojenik kaynaklı kabuk
katkısı ve qm mantonun üst sınırındaki ısı akısı yoğunluğudur. qm
mantodaki ısı hücrelerinin incelenmesi açısından daha doğru bilgiler
içerir.
H - Radyoaktif Isı Üretimi
Kayaçların bünyesindeki doğal radyoaktif elementlerden üretilen ısı,
jeotermikte özellikle kıtasal ısı akısı verilerinin yorumlanması açısından
önemlidir. Kayaçlarda radyoaktif ısı üretimi (H) içerdikleri U, Th, ve K 'un
miktarına bağlıdır
H = 0.1325 r (0.718 U + 0.193 Th + 0.262 K)
Radyojenik ısı üretiminin derinlikle değişimi ise
H(z) = H0.exp(-z/D)
Biçimindedir ve H0 yeryüzündeki ısı üretimi olup
H0 = 0.4 q0 /D
bagıntısından tahmin edilebilir (Chapman, 1986). D ise kıtasal kabuktaki
Conrad süreksizliğinin derinliği (13-16 km) dir.
Rybach ve Buntebarth (1982) yerkabuğu içindeki sismik VP hızı ile ısı
üretimi arasında
ln H = a - b.VP
Bağıntısı olduğunu ileri sürmektedir. a ve b kayacın yaşına ve geçmişindeki
en yüksek basınca bağlı katsayılar olup sırasıyla 13.7-16.5 ve 2.17-2.74
arasında değişen değerlerdir.
K ısıl iletkenlik katsayısı bir maddenin ısıyı iletme kapasitesini simgeler.
Tek bir izotrop kristal için
KL = cv vA0 / (3av gTn)
bağıntısı ile verilir (Beck, 1988). Burada
cv belli bir hacimdeki ısıl kapasite,
v ortalama elastik dalga hızı,
A0 kristal sistemine baglı bir sabit,
av hacimsel genişleme katsayısı,
T mutlak sıcaklık ve
g malzeme ısındıgında oluşan basınç oranını yansıtan Grüneisen
değişkenidir.
Çok farklı kristallerden, çimentolardan, boşluklardan ve boşluk sıvılarından
oluşan kayaçlarda K değeri ise doğal olarak ortamı oluşturan alt-birimlerin
ağırlıklı bir ortalamasından oluşur.
Bölünmüs Çubuk Yöntemi:
QTM Yöntemi:
Çesitli kayaçların ısıl iletim katsayısı K (W.m-1K-1) değerlerinden örnekler
(Clark, 1966)
Kayaç
K (Islak örnek)
Kayaç
K (Islak örnek)
Tüf (Montana) 1.23
Granit
2.7 ± 0.6
Tüf (Colorado) 1.76
Granodiyorit
3.0 ± 0.5
Volkanik Breş 2.18
Gnays (paralel) 3.1 ± 0.6
Volkanik Kül
0.95
“
(dik)
2.7 ± 0.6
Hornblend Andezit 1.54
Kumtaşı
2.5 - 3.2
Bazalt
1.8 ± 0.3
Şeyl
1.4 ± 0.2
Diyabaz
2.2 ± 0.1
Kireçtaşı
2.5 ± 0.5
Gabro
2.15 ± 0.15
Kaya Tuzu
5.7 ± 1.0
Serpantinit
2.3 ± 0.5
Su
0.59
Dünit
3.7 ± 5.2
Buz
2.2
Okyanus tabanlarında 2 My dan
genç bölgeler kırmızı, 2-5 My
arasındakiler turuncu ve daha yaşlı
bölgeler sarı yeşil mavi ve mor
renkler ile gösterilmiştir.
Küresel ölçekte
Isı Akısı dağılımı
(IHFC, 2008)
http://www.geophysik.rwth-aachen.de/IHFC/heatflow.html
Pollack, Hunter ve Johnson, 1963
q değerleri ile tektonik olayların ve jeolojik birimlerin yası arasında kesin bir
ilişki vardır. Prekambriyen kalkanlarda ( t>600 my ) genellikle düşük,
Senozoyik yaslı ( t<70 my ) genç kıvrımlarda yüksek ısı akısı ölçülmektedir.
Okyanus tabanlarında ısı akısı dünya ortalamasından düşüktür. Yükselimler
civarında ise ısı akısı değerleri genelde yüksektir. Okyanus tabanında ölçülen
orta veya düsük ısı akısı, dalma çukurluğun tam üzerinde çok azalmakta ve
okyanus tabanının daldığı yönde oldukça yüksek değerlere ulaşmaktadır
(Ege Denizi / Girit gibi).
Yeryüzünde ısı akısının yatay gradyanın yüksek olduğu bölgeler genellikle
depremlerin yoğun olduğu alanlara karşı gelmektedir.
Değerler mWm-3 olarak, Fytikas, 1981
JEOTERMAL ARAŞTIRMALAR
•
•
•
•
Türkiye’de Jeotermal Kaynaklar
Silika Isı Akısı Değerleri
Türkiye Isı Akısı Haritası
Jeotermal Alanlarda Uygulamalar
Silika Isı Akısı (SiO2jeo-termometresinden)
TSiO2 = [1315 / (5.205 - logSiO2 )] - 273.15
bulunan hazne kaya sıcaklığı
q0 = (TSiO2 - b) / m
bağıntısında yerine konarak o bölgedeki ısı akısı değeri (q0) hesaplanabilir
(Swanberg ve Morgan,1978/79). b uzun dönem ortalama hava sıcaklığı,
m ise yer altı sularının dolasım yaptığı derinliğe karsı gelen termal dirençtir.
İlkışık, 1991
Silika jeotermometresi kullanılarak Batı Anadolu’da ortalama ısı
akısı değeri 107±45 mWm-2 hesaplanmıştır, (İlkışık, 1995).
En yüksek değer ise Gediz Grabeninde (Alaşehir) 247 mWm-2 dir.
Bu bölgede 2011 de 1000 m kuyuda 287 C0 sıcaklık elde
edilmiştir.
Batı Anadolu’da H=3.7 mW.m-3 olup, D=14 km alınırsa qc = 52
mW.m-1 bulunur. Bu ise sonuçta bölgede üst manto sınırındaki ısı
akısının da yerküre ortalamasından %50 daha fazla ve 55 mW.m2 olduğuna dolayısı ile litosfer/astenosfer sınırının Batı Anadolu’nun
altında oldukça sığ olduğuna işaret eder (İlkışık, 1992).
Havadan manyetik haritalar kullanılarak, o bölgedeki Curie
sıcaklığı (580 0C) derinliklerinden, ortalama jeotermal gradyan ve
dolayısı ile ısı akısı hesaplanabilir.
Akın ve Çifçi, 2010
MTA
Isı Akısı; Pfister, 1995
Kuyu tabanı
(600-1000 m)
sıcaklıklar C0;
Güleç, 2006
TÜRKİYE ISI AKISI HARİTASI
MTA, 2008
(İlkışık ve diğ. 1995-2005 katkılarıyla)
TUZLA – JEOLOJİK VE TEKTONİK İNCELEME
JEOFİZİK YÖNTEMLER
Gravite ve Manyetik
Sismik
Mikro-Depremler
Sıcaklık Ölçümleri
Sondaj Jeofizik Logları
Kayaçların Elektrik Özdirenci ve Jeotermal Alan Modelleri
Elektrik ve Elektromanyetik Yöntemler Elektrik Özdirenç
Manyetotelürik ve Odyomanyetotelürik Yöntemler
Türkiye’den CSAMT ve MT Uygulama Örnekleri
CSAMT Ölçü Düzeneği
AYDIN, SALAVATLI JEOTERMAL SAHASI JEOLOJİSİ
Investigation of the Kızıldere Geothermal Field by Electrical
and Electromagnetic Methods
Murat BAYRAK 1, Ümran SERPEN 2 and O.Metin İLKIŞIK 3,
Prof. 1
Prof. 3
(c)
(c)
Prof. 6
Prof. 7
A dense grid of 125 magnetotelluric (MT) stations has been acquired
over the east flank of the Coso geothermal system, CA, USA
Resistivity (left) and Vp/Vs (rigth) at 500m below sea level; average
ground surface elevation is 1200m above sea level.
Resistivity cross-section PF4 at Northing 77,900 m. The locations of zones
major drilling mud losses (i.e. large open fractures) are shown by the
black solid diamonds. All mud-loss locations are in the transition zone
between high- and low-resistivity regions.
JEOTERMAL ENERJİ
•
•
•
•
Jeotermal Enerji Potansiyeli
Kaplıcalar
Enerji Santralleri
Sorunlar
MEGE
Salihli Alaşehir (287 0C)
(Göksu, 2011)
Kızıldere Santralı 20.4 MWe 1984
Aydın Salavatlı 8.5 MW 2006
Sarayköy Bereket 5.5 MW
Aydın Germencik 48 MW
CO2 Üretimi 120,000 t/yıl
• Türkiye’de ilk 3 km için jeotermal kaynak potansiyeli, 3±1x1023 J; ilk 10
km için jeotermal kaynak potansiyeli ise 4.5x1024 J olarak tahmin
edilmektedir.
• 277 jeotermal oluşumun %74 ünde görünür mevcut kapasite 5 MWt ve
altındadır.
• Referans sıcaklığının 15 oC olması durumunda tanımlanmış sahaların
toplam jeotermal görünür kapasitesi en az 4800 MWt dır (2009).
• Mevcut veriler kullanılarak 500 ve 1000 m derinlik için sıcaklık dağılımı
haritaları oluşturulmuştur.
500 m
1000 m
Başel ve diğ., 2010
(Göksu, 2011)
KAPLICA YÖNETMELİĞİ
24.07.2001 tarih ve 24472 sayılı resmi gazete
YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARININ ELEKTRİK ENERJİSİ
ÜRETİMİ AMAÇLI KULLANIMINA İLİŞKİN KANUN
Kanun No. 5346
Kabul Tarihi : 10.5.2005
JEOTERMAL KAYNAKLAR VE DOĞAL MİNERALLİ SULAR KANUNU
Kanun No. 5686
Kabul Tarihi: 3/6/2007
JEOTERMAL KAYNAKLAR VE DOĞAL MİNERALLİ SULAR KANUNU
UYGULAMA YÖNETMELİĞİ
11.11.2007
SORUNLAR
Araştırma Yetersizliği
Üretim Sürecinde Kabuklaşma
Re-ejeksiyon / Geri Basma
Yer, Etki alanı, Soğutma, Silika
Çevre Kirlenmesi
Ruhsat / Koruma-Etkilenme Alanı
Yasal+İdari Konular / İmar Planları
Sıcak ilginize teşekkürler ile …