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 - (H0D

2/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 + qm 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 gT

n) 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

http://www.geophysik.rwth-aachen.de/IHFC/heatflow.html

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)

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

İlkışık, 1991

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.

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.m-

2 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.

Başel ve diğ., 2010

500 m 1000 m

(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 …