Zemětřesení s geotermální příchutí

Rýnský prolom

Řeka Rýn využila k svému toku tektonický příkop (obrázek 1), a právě zde byla v minulosti zaznamenána četná zemětřesení s poměrně mělkými hypocentry (5 až 20 km). Svědčí to o tom, že byla vyvolána pohybem tektonických desek, při němž se uplatnily čelní i boční tlaky alpského masivu. Velké zemětřesení postihlo Basilej v roce 1356, město bylo tehdy úplně zničeno.

V blízkosti východního okraje tohoto příkopu geologové kreslí do map hluboký zlom zemské kůry, a když se ve třicátých letech 20. století stavěl železniční tunel Loretto ve Freiburgu im Breisgau, průzkum v tunelu tuto poruchovou strukturu odhalil. Ve stěně tunelu bylo ponecháno okno do skalní stěny, aby se případné pohyby daly měřit. Metoda však byla nepřesná a výsledky měření nejasné. Na další poruchovou strukturu narazili v devadesátých letech 20. století severně od Ettlingenu stavitelé tunelu Wattkopf (obrázek 2). Podobná struktura byla také nedávno nalezena uprostřed Darmstadtu, ve výkopu pro kongresové centrum.

V tunelu Wattkopf jsme začali měřit r. 1991, v tunelu Loretto r. 1995 a v Darmstadtu teprve loni, a to ve spolupráci s místními univerzitami, kde znali naše dlouhodobé výzkumy pohybů na aktivních tektonických strukturách. ¹⁾ Na struktury osazujeme měřidlo vyráběné podle našeho patentu, které poskytuje prostorové údaje o pohybech.

V železničním tunelu Loretto jsme měřidlo osadili přímo do starého výklenku na trubkový most napříč poruchou (obrázek 3). V silničním tunelu Wattkopf nebyl žádný výklenek, a proto měříme dilatační pohyby po koncích betonového pasu obezdívky, který kryje zlomovou strukturu tlačící na obezdívku. V Darmstadtu byla pro tento účel vybudována zvláštní komora. ²⁾ Z přístrojů získáváme interferenční obrazce, z nichž lze vypočítat výsledné posuny ve třech souřadnicích prostoru. Měřením – na základě dlouhodobých trendů vývoje – zde byly ověřeny levostranné horizontální posuny, což je v souladu s geologickým pohledem na současné trendy vývoje východního okraje Rýnského příkopu.

Náhlé výchylky v grafech

Na řadě míst v Českém masivu, v Polsku, na Slovensku i v Bulharsku jsme kromě dlouhodobých trendů pozorovali v grafech posunů náhlé výchylky. Období takových výchylek nastalo v minulosti zvláště v roce 1999, a to v zřejmé souvislosti s katastrofálními zemětřeseními v tureckém Izmitu. Ta byla tektonického původu, odpovídala pohybům na mohutném severoanatolském zlomu. A právě v roce 1999 se takové výchylky objevily i v tunelu Loretto. Bylo patrné, že při takovém rozsahu změn pozorovaných v celé Evropě nejde o přímé důsledky vzdáleného zemětřesení, ale o reakce na změny napětí v zemské kůře. Od té doby jsme sledovali i výskyt silnějších zemětřesení a jejich možnou souvislost s výchylkami v grafech pohybů zjištěných na tektonických strukturách.

Měření postupovalo, grafy se rok po roce prodlužovaly a vývoj posunů naznačoval, že se jejich průměrná rychlost v jednotlivých etapách značně mění a k změnám dochází často právě v době výjimečných výchylek. Tak jsme nalezli i dominantní události, které časově zapadaly do zlomových bodů vývoje v tunelu Loretto. Zjistili jsme, že na rozhraní etap a při extrémních výchylkách došlo i k silnějším zemětřesením. A nejen to, bylo zřetelně vidět, že situace už dlouho spěla k nějakému vážnějšímu rozuzlení. To naznačovaly i výchylky a zrychlování pohybů od léta 2004 na grafech z tunelu Wattkopf. Takový pohled nás před koncem roku 2006 přivedl k již zmíněné předpovědi zemětřesení.

Tento vývoj je zřetelný z grafu posunů registrovaných v tunelu Loretto (obrázek 4), kde je uveden i výskyt zmíněných zemětřesení v širší oblasti Rýnského příkopu. Vzniklá zemětřesení jsou naznačena červenými hvězdami, které se postupně blíží k hvězdě žluté – a ta právě značí naši uveřejněnou předpověď.

Po čase přišlo hlášení z Freiburgu o prosincovém zemětřesení v Basileji s magnitudem 3,5. To bylo sice nižší, než byl náš předpoklad, zato následovala celá série otřesů, vznikl tedy roj, který byl alternativou naší předpovědi.

Potom ještě došla další zpráva, tentokrát neočekávaná, totiž že prosincové zemětřesení v Basileji vzniklo následkem prací na stavbě basilejské geotermální elektrárny. Otřesy ve spojitosti se stavbou elektrárny vzbudily v místní veřejnosti značný rozruch, a proto byla stavba pozastavena. Pokud jde o výsledky našich měření, ty mají proto i souvislost s technickým zásahem na stavbě do přirozených geologických podmínek.

Geotermální elektrárna

Geotermální energie musí být získávána z hloubky, má-li být systém dostatečně účinný. Výhodné je to právě v místech, kde je zvýšený termální gradient, tedy tam, kde je to blíže k podzemnímu teplu. To jsou místa geologických poruch, jako je právě na Rýnu.

Princip je jednoduchý, vrtem se čerpá do podzemí pod tlakem studená voda, ta se zde ohřeje a dvěma zpětnými vrty se čerpá zpět a přejde v páru, jež pohání generátor elektřiny. Zbytkové teplo slouží k vytápění okolní oblasti. Tak je možno vytvořit vhodný koloběh vody pro čerpání tepelné energie z hloubky a využít k tomu i Rýn. Projekt názorně zveřejnil M. O. Häring r. 2004. Předkládáme rovněž situaci v řezu příkopem v blízkosti Basileje, jak ji předpokládal projekt (obrázek 5), a vlastní systém pro elektrárnu v Basileji (obrázek 6).

Horninový masiv zde nebyl prozkoumán až ke krystalinickému žulovému podloží. Proto byly navrženy průzkumné vrty. Ty prošly v místě poruchy mladší geologická souvrství až ke granitickému podloží, kde je možno v hloubce okolo 5000 m dosáhnout teploty 200 °C.

Prolom je znám seizmickou aktivitou. Hypocentra zemětřesení byla registrována z valné části v hloubkách okolo 15 až 20 km, avšak od 5 do 10 km jich bylo jen málo. Proto se předpokládalo, že hlavní okrajové zlomy odpovědné za zemětřesení vykliňují mnohem hlouběji, než kam zasáhnou provozní vrty elektrárny.

Úspěšný projekt vyžaduje také hlubinný vodní rezervoár, výměník tepla, kde se voda ohřeje. Ten musí být dostatečně propustný, aby umožnil koloběh vody. Přirozená propustnost žuly prostřednictvím poruch a trhlin nestačí, a proto je nutno horninu nakypřit. Toho lze dosáhnout tlakovou vodní injektáží, což je citlivý zásah do podzemí, neboť tlak vody musí porušit horninu a rozšířit pukliny. Tvůrce projektu měl k dispozici výsledky tlakového experimentu provedeného v roce 1997 u města Soultz při západním okraji Rýnského příkopu na území Francie. Vrt zde dosáhl hloubky 3,5 km a injekční tlak okolo 30 barů. Byl zkušebně vytvořen hlubinný rezervoár a během 126 dnů úspěšně zajištěn průtok 25 litrů za vteřinu. Projektanti basilejské geotermální elektrárny měli proto důvody předpokládat, že během stavby nevzniknou se seizmicitou závažné problémy.

Události

Máme-li porovnat posuny zjištěné pomocí našich měřidel v tunelech s událostmi při výstavbě elektrárny, musíme znát postup prací. O událostech při výstavbě elektrárny jsme se dovídali pouze z uveřejněných zpráv: V roce 2001 byl dokončen průzkumný vrt, který dosáhl hloubky 2755 m v žulovém podloží mladších sedimentů (z terciéru až permu). Byl určen k mikroseizmickému sledování. Dalších šest pozorovacích vrtů do hloubek 300 až 2750 m bylo vyvrtáno během roku 2005 v blízkém okolí Basileje. Práce skončily v dubnu 2006 a systém byl předán do provozu. Jeho hlavním úkolem bylo zjišťovat a lokalizovat mikroseizmické události přirozené, popřípadě vyvolané během výstavby hlubinného rezervoáru. Systém navazoval na pozemní pozorovací signální zařízení.

Hlavní vrt je jádrem stavby. Ten se hloubil od května do října 2006 a dosáhl hloubky 5009 m. Hloubkový rezervoár žádané propustnosti měl být vytvořen vodní tlakovou injektáží. Ta měla trvat 21 dní. Cílem bylo zvětšit propustnost rezervoáru na 50 litrů za vteřinu při provozním tlaku 50 barů. Po 5 dnech čerpání bylo dosaženo maximálního tlaku 296 barů při 3500 litrech za minutu. To bylo ovšem neporovnatelně více než u zkušebního vrtu v Soultz. Čerpání začalo 2. prosince a skončilo 8. prosince 2006, kdy se ukázalo, že seizmická aktivita příliš roste (viz obrázek 7). Průtok byl hned omezen, ale přesto došlo k otřesu s magnitudem 2,7. Vzdor dalšímu snižování průtoku seizmická aktivita neklesla, a proto bylo rozhodnuto injektáž úplně zastavit a vrt uzavřít.

Dne 8. prosince 2006 se dostavil opět otřes s magnitudem 2,7 a téhož dne večer otřes s magnitudem 3,4 (již po uzavření vrtu). Během 4 dnů byl vrt vypuštěn. Nejsilnější otřes vznikl v hloubce 5 km, další v hloubce 4 km. Otřesy pokračovaly až do května 2007.

Událost vyvolala diskusi o tom, co by se stalo, kdyby injektáž nebyla přerušena a hrozilo by zemětřesení s magnitudem větším než 4,5. Většina diskutujících se kloní k názoru, že takové nebezpečí nehrozilo, protože voda nevnikla do nebezpečné zlomové plochy. Zadána byla studie výpočtu rizika, a dokud nebude projednána, nebude projekt dokončen. Prostavěné investice již dosáhly 56 milionů švýcarských franků a z toho jen město Basilej vložilo do projektu 32 miliony.

Co vlastně zatřáslo masivem?

Technické dílo, které mělo být na základě rozhodnutí vybudováno v Basileji, závažně zasahuje do přírodního horninového prostředí. Jak ukazují naše pracovní grafy, toto prostředí má svůj pohyb. Odborníci byli překvapeni intenzitou i délkou vyvolaných reakcí. Kde jsou příčiny?

Porovnali jsme zveřejněné údaje o práci na budování tohoto jedinečného geotermálního díla s našimi grafy, které poskytují pohled na širší pohybové události přírodního prostředí. Tak jsme dospěli k několika závěrům. Týkají se jak stavby zmíněné geotermální elektrárny, tak přirozeného tektonického vývoje a mohou zajímat jak geology, tak zúčastněné techniky.

Zemětřesný roj v Basileji z konce roku 2006, který pak pokračoval roku 2007, spadá do ob dobí, kdy jsme zaznamenali zvýšenou pohy bovou aktivitu v tunelech a předvídali zemětřesení. Pohybová aktivita se však objevila už několik měsíců před kritickou událostí, jíž bylo tlakování hlavního vrtu elektrárny. Z toho plyne, že samo tlakování nebylo jedinou příčinou vzniklého zemětřesného roje.

Na druhé straně po tomto tlakovém zásahu do masivu byl v tunelech zaznamenán vznik výrazných pohybů. V tunelu Loretto následovala vůbec největší zaznamenaná výchylka, křivka v grafu prudce padala dolů a také v tunelu Wattkopf se znova zrychlil pohyb. Tyto výchylky byly nesporně reakcemi na události v Basileji.

Usuzujeme proto, že změny v tunelech, které nás vedly k předpovědi zemětřesení, měly příčinu v přirozeném tektonickém vývoji Rýnského příkopu s charakteristickým zvýšením napětí v masivu. Toto zvýšení přirozeně směřovalo k zemětřesení. Do tohoto přirozeného vývoje zasáhla stavba, a to v období pro stavbu nepříznivém, v době zvýšených tektonických napětí. Proto masiv reagoval tak silně. Umělý zásah pak částečně uvolnil deformační energii v zóně zlomu.

Tektonické pohyby nelze podceňovat, natož zastavit. Po basilejských událostech se grafy na našich přístrojích jen pomalu vracely k původní úrovni. Pokus vytvořit podzemní výměník tepla zřejmě přišel v nevhodnou dobu, kdy v masivu existovaly koncentrace napětí. Dílo však bylo ještě včas pozastaveno a napětí se do jisté míry uvolnilo. Dlouhodobý tektonický vývoj se tím však nezměnil.

Jako alternativu silného zemětřesení na Rýnském prolomu jsme předpověděli sérii menších zemětřesení. K té skutečně došlo, i když byla iniciována uměle. Odborníci nepředpokládali vážnější problémy se seizmicitou a byli překvapeni intenzitou i délkou vyvolaných reakcí. Kdyby tuto intenzitu předpokládali, stěží by podstoupili riziko stavby. Její neúspěch visí na vlásku. V sázce není jen prestiž všech zúčastněných, ale i nemalé investice a možné politické následky. Osud stavby je nejistý. Naše měření pokračují a nepochybujeme o tom, že nesou informaci užitečnou i pro pochopení tektonického deformačního procesu v Rýnském příkopu.