Geoterminen voimala ja indusoidut maanjäristykset

Vedensyöttö kallioperään muuttaa kallioperän jännitystilaa, mikä saattaa aiheuttaa maanjäristyksiä. Maanjäristyksiä liittyy geotermisen voimalan toimintaan, jos toimintaa joudutaan tehostamaan. Myös syviin alaosastaan avoimiin lämpökaivoihin, jotka hyödyntävät kallioperän vettä johtavia rakenteita, liittyy maanjäristys riski.

Se, että geoterminen voimala on syvä, ei yksinään kerro siitä, että sen toimintaan liittyisi maanjäristyksiä. Maanjäristyksien syntyminen vaatii aina muutoksen kallioperän jännitystilaan.  Maanjäristyksiä voi sattua geotermisen voimalan rakennus- ja toimintavaiheessa sekä toiminnan lopettamisen jälkeen. Rakennusvaiheen stimulointi muuttaa kallioperän jännitystilaa, ja aiheuttaa maanjäristyksiä. Voimalan toimintavaiheen vedensyöttö syöttöreikään ja sen pumppaus takaisin ylös tuotantoreikää pitkin voivat aiheuttaa maanjäristyksiä, varsinkin jos vedensyöttö on paineistettua. Vedensyötön loputtua maanjäristyksien määrä vähenee, kunnes kallioperä saavuttaa normaalin jännitystilan ja seismisyys palaa luonnolliselle tasolleen. On syytä huomioida, että välitön veden syötön lopettaminen ei pysäytä seismisyyttä, vaan saattaa jopa indusoida sitä enemmän. Paineistettu vedensyöttö on turvallisempaa laskea alas vähitellen, tällöin kallioperän jännitystilaan ei aiheuteta äkillisiä muutoksia.

Ihmistoiminnan aiheuttamia maanjäristyksiä kutsutaan indusoiduiksi maanjäristyksiksi. Ne eivät syntytavaltaan juuri eroa luonnollisista maanjäristyksistä. Luonnollinen eli tektoninen maanjäristys syntyy, kun maankuoreen kertynyt jännitys jossakin pisteessä ylittää kiviaineksen lujuuden ja jännitysenergia purkautuu maanliikkeenä. Luonnollisia syitä jännityksen kertymiseen ovat mannerlaattojen liike ja esimerkiksi viimeisen jääkauden jälkeinen maankohoaminen. Indusoitu järistys syntyy, jos ihmistoiminnan aiheuttama jännityksen muutos on niin suurta, että se aiheuttaa siirtymän, vaikka kallioperä ei olisi alun perin kriittisessä jännitystilassa. Indusoituja maanjäristyksiä voi aiheuttaa geotermisen toiminnan lisäksi öljyn- ja kaasuntuotanto, maanalainen louhinta, vesimassat suurten patoaltaiden lähistöllä sekä jäteveden syöttö.

Suomi on maailman mittakaavassa hyvin matalan seismisyyden aluetta. Suomessa rekisteröidään vuosittain kuitenkin useita kymmeniä maanjäristyksiä. Maanjäristykset ovat suhteellisen heikkoja, voimakkuudeltaan noin 0-4. Indusoituja maanjäristyksiä Suomessa tapahtuu muutamia vuosittain, ja ne liittyvät yleensä kaivostoimintaan.  Espoon Otaniemen geotermisen voimalan ensimmäisen poranreiän stimuloinnin aikana rekisteröitiin tuhansia mikromaanjäristyksiä. Näistä magnitudin 1,0 ylittäviä järistyksiä oli 48. Voimakkaimmat järistykset ovat olleet magnitudiltaan 1,7–1,8.

Lue lisää: Perustietoa maanjäristyksistä

Geotermisen voimalan seismisen valvonnan tavoitteena on havaita ja paikantaa laitoksen läheisyydessä mahdollisesti syntyvien seismisten havaintojen ja vaurioiden aiheuttaja, erottaa indusoidut maanjäristykset muista tapauksista ja seurata seismisyystason kehitystä sekä seismisyyden mahdollista siirtymistä lämpölaitoksen toiminta-alueelta ympäröivään kallioperään. Indusoitu seismisyys keskittyy pääosin noin 500 metrin säteelle paineistetusta reiästä, mutta vedensyötön tiedetään laukaisseen järistyksiä myös kauempana tuotantoreiästä. Näiden järistysten todentaminen ihmistoiminnan aiheuttamiksi on vaikeaa: ne tapahtuvat yleensä kallioperän heikkousvyöhykkeissä, jotka aktivoituvat herkästi paikallisen jännityskentän vaikutuksesta.

Geotermisen voimalan toimintaa tulisi valvoa seismisesti koko sen elinkaaren aikana. Tämä tarkoittaa, että jo voimalan paikan valinnassa tulisi ottaa huomioon alueen taustaseismisyys eli alueella esiintyvät luonnolliset maanjäristykset. Seisminen valvonta toteutetaan tiheällä ja kattavalla seismisellä havaintoverkolla. Havaintoverkko rekisteröi seismisiä tapahtumia reaaliaikaisesti ja niitä analysoidaan sekä automaattisesti että manuaalisesti.

Lue lisää: Seisminen asemaverkko

Liikennevalojärjestelmä (englanniksi Traffic Light System (TLS)) varoittaa seismisen aktiivisuuden lähestyessä seismisessä hasardiarviossa määriteltyjä raja-arvoja. Raja-arvot määritellään yhdessä viranomaisten ja toimintaa valvovan tahon kanssa, ja ne määritellään kullekin hankkeelle erikseen. TLS asettaa erilaiset raja-arvot maanjäristyksen magnitudille ja maanliikkeen maksiminopeudelle tai -kiihtyvyydelle ja näyttää toiminnalle liikennevalojen tapaan värivaloja. Liikennevalojärjestelmän raja-arvoina voidaan käyttää muitakin parametrejä, kuten pienten seismisten tapausten määrän voimakasta kasvua. Oheisessa kuvassa on esitetty TLS perusperiaate.

Geotermisen voimalan toimintaa voidaan jatkaa normaalisti niin kauan kuin valo on vihreällä. Keltainen valo tarkoittaa varotoimenpiteitä vaativan raja-arvon ylittymistä, jolloin otetaan käyttöön seismisen riskin lieventämistä ja tiedotusta koskeva ohjeistus. Jos tapauksesta ei aiheutunut vahinkoa eikä seismisyystaso jatka nousua, toimintaa voi jatkaa. Punainen valo tarkoittaa hälyttävän raja-arvon ylittymistä ja toiminnan välitöntä, turvallista pysäyttämistä. Tapauksen ja tarpeellisten toimenpiteiden raportointi on välttämätöntä eikä toimintaa saa jatkaa ennen valvovan tahon lupaa.

Lue lisää: Seisminen riski ja hasardi

Tyypillisesti suurin osa geotermisten voimaloiden indusoimista maanjäristyksistä on niin pieniä, että ihminen ei niitä havaitse. Geotermisen voimalan seismisen valvonnan ja TLS:n tarkoitus on pitää indusoitujen maanjäristyksien aiheuttamat haitat mahdollisimman pieninä. Jos voimala kuitenkin sijaitsee hyvin lähellä tiheää asutusta, voidaan mikrojäristyksien aiheuttamaa maan tärinää tai ääntä havaita. Esimerkiksi Espoon Otaniemen voimalan stimulointivaiheen suurimmista, noin magnitudin 1,7–1,8 järistyksistä, ilmoitettiin Seismologian instituutille useita ääni- ja tärinähavaintoja eri puolilta Espoota ja Helsinkiä. Oheisessa kuvassa on esitetty kartta 8.7.2018 tapahtuneen indusoidun maanjäristyksen (M 1,7) ääni- ja tärinähavainnoista.

Havainnot indusoiduista ja luonnollisista maanjäristyksistä voi ilmoittaa Seismologian instituutille täyttämällä havaintokaavakkeen tästä.

Lue lisää: Maanjäristyshavainnot

Seismologian instituutti on koonnut yhdessä Geologian tutkimuskeskuksen kanssa Ympäristö ministeriön tilaaman selvityksen geotermisen energian syväporaamisesta ja siihen liittyvistä ympäristönäkökohdista ja riskienhallinnasta. Selvitys on luettavissa täällä.

Alla on listaus erilaisista julkaisuista ja nettisivustoista geotermisestä energiasta ja niiden seismisestä valvonnasta

Espoon Otaniemen St1 pilottihankkeeseen liittyviä julkaisuja kesän 2018 indusoiduista mikromaanjäristyksistä (englanniksi):

Kwiatek, G., Saarno, T., Ader, T., Bluemle, F., Bohnhoff, M., Chendorain, M., Dresen, G., Heikkinen P., Kukkonen, I., Leary, P., Leonhardt, M., Malin, P., Martinez-Garzon, P., Passmore, K., Passmore, P., Valenzuela, S. ja Wollin, C. (2019). Controlling fluid-induced seismicity during a 6.1-km-deep geothermal stimulation in Finland. Science Advances, Volume 5 (5). DOI: 10.1126/sciadv.aav7224

Hillers, G., Vuorinen, T. A. T., Uski, M., Kortström, J., Mäntyniemi, P., Tiira, T., Malin, P. ja Saarno, T. (2020). The 2018 Geothermal Reservoir Stimulation in Espoo/Helsinki, Southern Finland: Seismic Network Anatomy and Data Features. Seismological Research Letters, 91(2), 770-786. https://doi.org/10.1785/0220190253

Artikkeli liikennevalojärjestelmän suunnittelusta ja käyttöönotosta Espoon Otaniemen St1 pilottihankkeessa (englanniksi):

Ader, T., Chendorain, M., Free, M., Saarno, T., Heikkinen, P., Malin, P. E., Leary, P., Kwiatek, G., Dresen, G., Bluemle, F. ja Vuorinen, T. (2019). Design and implementation of a traffic light system for deep geothermal well stimulation in Finland. Journal of Seismology. https://doi.org/10.1007/s10950-019-09853-y