GEOLOGIJA 45/2, 519–524, Ljubljana 2002
Geotermi~na slika Slovenije-raz{irjena baza podatkov in izbolj{ane
geotermi~ne karte
Geothermal pattern of Slovenia-enlarged data base and improved geothermal
maps
Du{an RAJVER1 & Danilo RAVNIK2
1Geolo{ki zavod Slovenije, Dimi~eva 14, 1000 Ljubljana, Slovenija, E-mail: dusan.rajver@geo-zs.si 2Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehni{ka fakulteta, A{ker~eva 12, 1000 Ljubljana, Slovenija.
E-mail: danilo.ravnik@guest.arnes.si
Klju~ne besede: temperatura, toplotna prevodnost, gostota toplotnega toka, geotermi~na anomalija, Slovenija
Key words: temperature, thermal conductivity, heat flow density, geothermal anomaly, Slovenia
Kratka vsebina
Opisane so temperaturne karte za globine 500, 1000 in 2000 m na osnovi raz{irjene baze geotermi~nih podatkov iz 395 vrtin. Skupaj s karto gostote toplotnega toka poudarjajo geotermi~no anomalijo Panonskega bazena, kakor tudi nekatere druge anomalije kot je ^ate{ko polje. V osrednji Sloveniji in na obalnem obmo~ju prevladujejo popre~ne globinske temperature.
Abstract
Temperature maps for depths of 500, 1000 and 2000 m are described, based on enlarged data base of 395 boreholes with geothermal data. Together with heat flow density map they emphasize the Pannonian basin geothermal anomaly, and some other anomalies, such as the ^ate‘ field. In central Slovenia and coastal area average depth temperatures prevail.
Uvod
V zadnjih desetletjih je postala Zemljina toplota zanimiva tudi kot energetski vir. Za izkori{~anje mineralnih ali energetskih surovin ter za njihov {tudij je potrebno poznavanje toplotnega stanja in toplotnih procesov v Zemljini skorji. Temperaturne karte nekega o‘jega obmo~ja, ki je v fazi izkori{~anja geotermalne vode, so dober pokazatelj ~a-sovnih sprememb toplotnega polja, ~e je le gostota vrtin, v katerih se izvajajo meritve, zadosti velika. Koristne so ne samo za na-
~rtovanje bodo~ih raziskav pri iskanju geo-termalnih virov, temve~ so kot dopolnilo ostalim geofizikalnim kartam uporabne {e za hidrogeologijo podzemnih in pripovr{in-skih vod, ekonomsko geologijo, {tudij termalne evolucije sedimentnih bazenov, geodina-miko, geotermijo skorje in litosfere, ugotavljanje klimatskih sprememb v nekaj zadnjih stoletjih in tiso~letjih, na~rtovanje globokega znanstvenega vrtanja, itd.
Za izdelavo geotermi~nih kart Slovenije so uporabljeni podatki ve~ine od 395 vrtin iz baze geotermi~nih podatkov. Še najve~
520
Du{an Rajver & Danilo Ravnik
vrtin z geotermi~nimi podatki razli~ne kakovosti je lociranih v severovzhodni Sloveniji. Tam so tudi enakomerneje porazdeljene. Drugod so ve~inoma koncentrirane v posameznih bolj ravninskih obmo~jih, kot na primer v Velenjsko-Šo{tanjski kotlini, Ljubljanski kotlini, Kr{ki kotlini in tudi na obalnem obmo~ju. Zelo malo vrtin s temi podatki pa je v hribovitem obmo~ju zahodne Slovenije, ve~jem delu Dolenjske in Posavja, na Ko-ro{kem, medtem ko jih na Notranjskem, v Brkinih in na {ir{em obmo~ju Julijskih in Kamni{ko-Savinjskih Alp skorajda ni. V hribovskem obmo~ju pa~ ni bilo potrebe po globokem zajemu vode, pa tudi pri~akovana temperatura morebitne termalne vode je tam ni‘ja od tiste, ki bi jo pridobivali iz vrtin v dolini. Seveda je ponekod tam izvrtano precej globljih vrtin za raziskave mineralnih surovin (okolica Idrije, Krmelj na Dolenjskem, Me‘ica, itd.), vendar te vrtine ve~idel niso cevljene, zato so bile nedostopne, pa tudi nivo vode je v hribovitem delu v njih dokaj globoko, kar vse onemogo~a meritev temperature. V ve~jem delu Slovenije so to~-ni globinski termi~ni podatki zato {e vedno pomanjkljivi. Tu in tam so sicer bile izvrtane globoke vrtine, v katerih smo merili temperaturo, tudi v zahodni in osrednji Sloveniji, v ju‘ni Sloveniji razen v Primorju pa jih je zelo malo ali pa jih sploh ni.
Osnove geotermi~nih predvsem temperaturnih meritev v Sloveniji je podal ‘e Ra v -n i k (1980). V letih 1987-1991 je potekalo enotno zbiranje geotermi~nih podatkov v nekdanji Jugoslaviji po navodilih »Mednarodne komisije za toplotni tok« v okviru IASPEI in Komisije Evropske skupnosti. Cilj je bil izdelava geotermi~nih kart Jugoslavije za Geo-termalni Atlas Evrope (Ravnik et al., 1992). Pri tem smo pridobivali podatke z meritvami v novih in starej{ih dostopnih vrtinah, jih ustrezno obdelovali in izdelali geo-termi~ne karte tudi za Slovenijo. Mnoge nove vrtine niso bile le geotermi~ne, temve~ ve~i-noma hidrolo{ke in torej namenjene vodo-oskrbi ali nadaljnjim hidrogeolo{kim raziskavam. Meritve geotermi~nih parametrov v vrtinah se nadaljujejo, vendar od leta 1995 v precej zmanj{anem obsegu, ker ni investicij v nova, predvsem globlja vrtanja.
Ve~ina kvalitetnih geotermi~nih podatkov je pridobljena v severovzhodni Sloveniji. Tam je bila temperatura merjena v {tevilnih globokih naftnih in hidrogeolo{kih termalnih
vrtinah. Predvsem so dobri podatki iz termalnih vrtin, v katerih je temperatura merjena to~kovno vzdol‘ posameznih vrtin. V naftnih vrtinah je merjena z metodami, ki so standardne v naftnih raziskavah, kot so BHT (angl. bottom hole temperature=temperatura na dnu vrtine) in DST (angl. drill stem test= testiranje odseka vrtine) meritve, ki so manj to~ne, saj so izvajane v nestabiliziranem toplotnem stanju vrtin. To so le posamezni globinski to~kovni podatki. V nekaterih vrtinah so izvajali tudi karota‘ne meritve temperature (T in dT) kmalu po vrtanju vzdol‘ dolo-~enih odsekov vrtine, prav tako v toplotno neustaljenem stanju vrtine.
Metodologija izdelave temperaturnih kart
Temperatura, gostota toplotnega toka (GTT), toplotna prevodnost kamnin, velikost geotermi~nih virov (resursov) in njihovih zalog (rezerv) so osnovni parametri, potrebni za poznavanje toplotnega stanja in procesov v Zemljini notranjosti. Prikazujemo jih v obliki kart in profilov. Za njihovo izdelavo je potrebno poznati kvantitativne vrednosti toplotnih, hidrogeolo{kih in geokemijskih lastnosti kamnin in fluidov v vrhnjem delu Zemljine skorje.
Širjenje toplote iz notranjosti Zemlje proti povr{ju se v trdnih kamninah Zemljine skorje odvija s kondukcijo, s konvekcijo pa le v obmo~jih cirkulacije vode in plinov. Zaradi pretakanja vode se toplotni tok spreminja, zato je njegov {tudij tako pomemben, saj karte GTT najbolje odra‘ajo geotermi~no obe-tavnej{a obmo~ja (Ravnik, 1991). Mo~na konvekcija termalne vode v razpokanih kamninah lahko precej povi{a GTT v vrhnjem slabo prepustnem sedimentnem paketu. Pri meritvah temperature v vrtinah je za dosego pravih temperatur potrebna toplotna stabilnost vrtine. Po pravilih »Mednarodne komisije za toplotni tok« se sme iz izmerjenih vrednosti v vrtini temperatura ekstrapolirati do najve~ 1,5-kratnika najve~je izmerjene globine, pa {e to le pri poznavanju globlje litolo{ke sestave. ^e pa ni podatkov iz vrtin, se temperature v ve~jih globinah pri upo-{tevanju konduktivnega prenosa toplote do-lo~ajo z re{itvijo Laplaceove ena~be. Tako smo pridobili nove to~kovne podatke (ocene globinskih temperatur) prakti~no povsod, kjer ni direktnih podatkov oziroma nobenih pri-
Geotermi~na slika Slovenije-raz{irjena baza podatkov in izbolj{ane geotermi~ne karte
521
mernih vrtin za meritve temperature, ali pa je premajhna gostota vrtin z geotermičnimi podatki, razen v Podravju in Pomurju. Če imamo n plasti kamnin s toplotno prevodnostjo Ki v posamezni plasti debeline zs, potem je splošna oblika Laplaceove enačbe (Haenel et al., 1988) za izračun temperature v poljubni globini:
n
T(z)= T o + 9 o y.  ------              (1)
t-l   Ki
z = globina do neke litološke plasti (m) To = povprečna letna temperatura na površini lokacije (°C) Dzi = debelina plasti (m) Dzi /Ki = termična globina (m2 • K/W) q0 = površinska gostota toplotnega toka (W/m2)
Povprečna letna temperatura površja T0 na različnih nadmorskih višinah je eden od robnih pogojev pri modeliranju toplotnega polja. Z enačbo (1) lahko izračunamo temperaturo na dnu vsake plasti v primeru obstoja več vodoravnih plasti z debelinami Dzi in toplotnimi prevodnostmi K. Enačba je uporabna le za zgornjih nekaj kilometrov Zemljine skorje. Koncentracija radiogenih elementov (U, Th, K40), predvsem v kislih magmatskih in nekaterih metamorfnih kamninah ter klastičnih sedimentih, nekoliko poveča izmerjeno vrednost GTT. Zato je bolj uporabna naslednja enačba (Haenel et al., 1988), pod pogojem, da ni vertikalne variacije v radiogeni produkciji toplote in v toplotni prevodnosti znotraj posameznih plasti:
T(z) = Tq +^z—^2z                (2)
Ao = radiogena produkcija toplote (W/m3)
Enačba (2) se uporablja za ekstrapolacijo temperature od 250 do 3000 metrov globine z upoštevanjem, da se toplota širi samo v navpični smeri, torej enodimenzionalno. Navadno pa je toplotna prevodnost kamnin spremenljiva tudi v vodoravni smeri, površje je lahko neravno, posebno velik vpliv pa ima migracija podzemne vode (Ravnik, 1991). Ekstrapolirane temperature so lahko obremenjene z napako, ki je odvisna od naštetih vzrokov. Verjetnost napačne ekstrapolacije tako lahko precej naraste pri večjih globinah.
Litolo{ka sestava posameznih plasti ali kamninskih skladov in njihove debeline so od~itane iz geolo{kih profilov na Osnovni geolo{ki karti (OGK) SFRJ iz vseh njenih listov razen listov Gori~ko, ^akovec, Nadj-kani‘a in Vara‘din. Na slednjih se nahaja zadostno {tevilo vrtin z globinskimi geoter-mi~nimi podatki. Glede na predvideno lito-lo{ko sestavo kamnin do ‘eljene globine pod posamezno lokacijo so privzete toplotne prevodnosti na izkustveni osnovi oziroma iz izmerjenih vrednosti na jedrovanih kamninah iz vrtin.
Vrednosti povr{inske GTT so od~itane iz kart, izdelanih v prej{njih letih ( R a v n i k et al., 1992; Ravnik et al., 1995; Rajver et al., 2002). Vrednosti GTT so manj zanesljivo dolo~ene ravno na ob{irnih obmo~jih zahodne, ju‘ne, severne in delno tudi osrednje Slovenije. Zato je ta vrednost v ena~bi (2) {e najmanj zanesljiva. V izra~unih je upo{te-vanje parametra radiogene produkcije toplote vedno zni‘alo temperaturo za nekaj stopinj, posebej v napovedi za ve~je globine. To zni‘anje pa je upo{tevano le delno zaradi predvidenega rahlega porasta geotermi~nega gradienta globlje od 2 km, kjer konvekcija hladne meteorske vode verjetno ne vpliva ve~ tako mo~no.
Po opisanem na~inu je za bolj enakomerno pokritost Slovenije s to~kovnimi temperaturnimi podatki v razli~nih globinah pridobljeno 131 dodatnih lokacij. Seveda je skupno {tevilo uporabljenih to~kovnih podatkov za izris izoterm v globinah od 250 do 3000 m razli~no. Za vse karte do 2000 m je uporabljeno vseh 131 dodatnih lokacij, za karto v globini 3000 m pa 108 teh lokacij. Število vrtin, iz katerih so uporabljeni geotermi~ni podatki, je najve~je za karto temperatur v globini 250 m (286 vrtin) in seveda najmanj{e za karto temperatur v globini 3000 m (142 vrtin). Za izris najglobljih izoterm je razumljivo {e najmanj dobrih geotermi~nih podatkov iz vrtin. Za izris karte GTT so upo{tevani podatki iz 94 vrtin in vse dodatne to~ke.
Nove ugotovitve o globinskih temperaturah
Nove karte omogo~ajo bolj{i vpogled v geotermi~no polje Slovenije v ve~jih globinah. Lahko omenimo nekaj vzrokov za precej povi{ane temperature nad popre~jem za
522
Du{an Rajver & Danilo Ravnik
neko globino na nekaterih sicer geografsko omejenih obmo~jih. Izoterme so bolj povi-{ane v severovzhodni in ponekod v vzhodni Sloveniji. To je obrobje Panonskega bazena, ki je znana regionalna geotermi~na anomalija zaradi manj{e globine do Mohorovi~i}eve diskontinuitete. Tudi globina do predter-ciarne ve~idel metamorfne podlage zna{a tu ponekod manj kot 1 km. Vpra{anje pa je, ~e so te kamnine res {e nosilec toplote. Bolj verjetno so le delno, oziroma gre za cirkulacijo termalne vode skozi razpokane cone v podlagi ali pa nekje bolj bo~no oddaljeno. Tam in pa ponekod v Pomurju, predvsem na obmo~jih Murskosobo{kega masiva (Murske Sobote z okolico) in Ormo{ko-Selni{ke anti-forme oziroma njenega podalj{ka pri Lendavi, so visoke temperature, v globini 500 m nad 34°C, v globini 1000 m nad 55°C (slika 1) in v globini 2000 m ‘e nad 90°C. Vmes med obema antiformama nastopajo ni‘je temperature v Ptujsko-Ljutomerski sinfor-mi, opazne ‘e v globinah 500 in 1000 m. Tu se nahaja poglobitev do mezozojske karbonatne ali metamorfne podlage, kjer je mo‘na konvekcija termalne vode. Poleg tega mo‘-nega vzroka je podlaga s svojo vi{jo toplotno
prevodnostjo nosilec toplote in s tem vir po-vi{anih temperaturnih gradientov v terciarnem paketu plasti povsod, kjer je dvignjena proti povr{ini v obliki antiform.
Lokalno povi{ane temperature so tudi na {ir{em obmo~ju Rogatca, pri Roga{ki Slatini in Pod~etrtku (nad 45°C v globini 1000 m). Lokalno zelo povi{ane vrednosti, na primer v globini 500 m precej nad 46°C, nastopajo v omejenem delu Kr{ke kotline, to~neje na ^ate{kem polju, zaradi mo~ne konvekcije termalne vode v razpokani prelomni coni triasnih karbonatnih kamnin, ki tu prevladuje nad konduktivnim prenosom toplote. To se odra‘a v izmerjenih geotermah v tam-kaj{njih vrtinah. Sicer pa na ^ate{kem polju temperatura {e ni bila nikjer merjena do globine 1000 metrov, ker tam sploh ni tako globokih vrtin. Šir{e v Kr{ki kotlini pa nikjer ni merjena do globine 2000 metrov, saj je najgloblja vrtina pri Drnovem (globine 1252 m) izmerjena v toplotno stabilnem stanju vrtine le do 640 m. ^ate{ka anomalija je dobro vidna na kartah do globine 2000 m, v globini 3000 m pa ni ve~ opazna. Lahko torej sklepamo na kro‘enje termalne vode nekje do globine 2 do 3 km.
Sl. 1. Temperatura (°C) v globini 1000 m Fig. 1. Temperature (°C) at 1000 m depth
Geotermi~na slika Slovenije-raz{irjena baza podatkov in izbolj{ane geotermi~ne karte
523
Na severnem delu Kr{ke kotline ni znakov o kak{ni geotermalni anomaliji. V dosedaj izmerjenih vrtinah tam niso nikjer ugotovljeni povi{ani temperaturni gradienti, celo obratno, izmerjene so nizke temperature in s tem ni‘ji temperaturni gradienti od popre~-ja (30 mK/m). Najgloblje temperaturno izmerjene vrtine v severnem delu kotline so globoke le 400 m, nikjer pa temperaturne sonde nismo uspeli spustiti prav do dna teh vrtin.
Rahlo povi{ane temperature imamo {e v La{ko-zagorski sinklinali, na zahodnem robu Kr{ke kotline, predvsem pri Šmarje{kih Toplicah (npr. v globini 500 m nad 34°C), na severu pa v Velenjski kotlini, kjer se ka‘e mo~na anomalija pri Laj{ah (npr. v globini 250 m krepko nad 30°C). Ta anomalija je dobro opazna na temperaturnih kartah do globine 1000 m (slika 1). Sklepamo lahko na globino cirkulacije termalne vode okrog 1,5 km. V osrednji Sloveniji so ugotovljene rahlo povi{ane temperature samo v Ljubljanski kotlini na Ljubljanskem Barju ter severno proti Kranju in delno Kamniku. Vzhodno od Kamnika je pri Vasenem opazna manj{a ano-
malija na kartah do globine 500 m, v globini 1000 m se pa ‘e izgubi. V bistvu so v osrednji Sloveniji skoraj popre~ne temperature, ki veljajo za vrhnje plasti Zemljine skorje. Manj zanesljiv potek izoterm je na obmo~ju magmatskih in metamorfnih kamnin v Vzhodnih Alpah, torej na Pohorju in Kozjaku, ter na obmo~ju Kamni{ko-Savinjskih Alp in Karavank kot delu Ju‘nih Alp, saj tam z redkimi izjemami ni globokih vrtin z geoter-mi~nimi podatki.
Najmo~nej{e geotermalne anomalije izstopajo tudi na karti povr{inske GTT (slika 2) z vrednostmi lokalno tudi nad 100 mW/m2. Za vso ostalo Slovenijo so zna~ilne ve~inoma nizke temperature, marsikje v goratem ob-mo~ju Julijskih Alp in Zunanje cone Dina-ridov so ni‘je od popre~ja. Vzrok so ve~ja debelina Zemljine skorje, nad 35 km, marsikje tudi nad 40 km ( D r a g a { e v i } et al., 1989) in debela skladovnica karbonatnih kamnin, ki so marsikje dobro razpokane in zakrasele. S tem je omogo~ena globoka cirkulacija hladne meteorske vode, ki potisne iz-oterme v ve~jo globino. Prav tako ni nobenih znakov   za   kak{en   plitvej{i   magmatizem
Sl. 2. Povr{inska gostota toplotnega toka (mW/m2) Fig. 2. Surface heat flow density (mW/m2)
524
Du{an Rajver & Danilo Ravnik
(plutonizem) kot je to mo‘no v severovzhodni Sloveniji. Vpliv razhlajevanja je opazen na obmo~ju @irovskega vrha, kjer z meritvami v vrtinah nismo nikjer ugotovili vi{jega temperaturnega gradienta od 10 mK/m. Marsikje v zahodni in ju‘ni Sloveniji sploh ni geotermi~nih podatkov iz globokih vrtin. Izjema je obmo~je Istrske platforme z rahlo pozitivno anomalijo, ki se vle~e v {ir{em pasu od Izole proti Dragonji, vidna pa je predvsem do globine 2000 m. V globini 1000 m lahko tam pri~akujemo nad 35°C. Vzrok {e ni docela razjasnjen, domnevamo pa, da so ponekod v paleocenskem-eocenskem apnencu in pod njim v krednih karbonatih mo~nej{e razpoke s termalno vodo. Nedavno odkritje podmorskega termalnega izvira pri Izoli je v skladu z na{imi kartami. Drugi vzrok bi lahko bil, da so nekatere fli{ne plasti paleogenske in kredne starosti obogatene z bitumnom. Fli{ne plasti tu delujejo kot termoizolacijski pokrov, saj so laporji slab{e toplotno prevodni od karbonatov. Drugod so razmere razli~ne, odvisne so od mo‘ne konvekcije meteorske vode v karbonatnih masivih, ki so ponekod bolj razpokani in zakraseli.
Literatura
D r a g a { e v i } , T., A n d r i } , B., J o k s o v i } , P., 1989: SFR Jugoslavija. Strukturna karta Moho-rovi~i}eve diskontinuitete – 1:500.000. Prognozna karta globinskega polo‘aja geolo{kih elementov. Zvezni geolo{ki zavod, Beograd.
H a e n e l , R., R y b a c h , L., S t e g e n a , L. 1988: Fundamentals of geothermics. In: Haenel, R., Rybach, L. & Stegena, L. (Eds.): Handbook of terrestrial heat-flow density determination. Klu-wer Academic Publishers, 9-57, Dordrecht, Boston, London.
R a j v e r , D., R a v n i k , D., P r e m r u , U., M i o ~ , P., K r a l j , P., 2002: Slovenia. In: S. Hurter and R. Haenel (Editors), Atlas of Geothermal Resources in Europe. European Commission, Research Directorate-General. Publ. No. EUR 17811, Luxembourg.
R a v n i k , D., 1980: Geotermalna energija v Ljubljanski kotlini-III.faza. Geotermi~ne meritve I., Geolo{ki zavod Ljubljana, 75 p.
R a v n i k , D., 1991: Geotermi~ne raziskave v Sloveniji. Geologija 34, 265-303, Ljubljana.
R a v n i k , D., K o l b a h , S., J e l i } , K., M i l i -v o j e v i } , M., M i o { i } , N., T o n i } , S. and R a j -v e r , D., 1992: Yugoslavia. In: E. Hurtig, V. ^er-mak, R. Haenel and V. Zui (Editors), Geothermal Atlas of Europe. Geoforschungszentrum Potsdam Publ.,1:102-104, 152-153.
R a v n i k , D., R a j v e r , D., P o l j a k , M., @ i v -~ i } , M., 1995: Overview of the geothermal field between the Alps, the Dinarides and the Pan-nonian basin. Tectonophysics 250, 135-149.