Discharge of liquids

Hitastig niðurdælingarvökvans er 80–100°C á yfirborði og er vökvanum veitt í niðurdælingarholurnar með 8 bar þrýstingi, sem samsvarar um 80 metra vatnssúlu við 5°C. Þrýstingurinn vex með dýpi niður holuna til samræmis við þyngd vatnssúlunnar. Niðurdælingarvökvinn fer út í jarðlögin á 800–2000 metra dýpi en þar er hitastig bergsins á bilinu 230–250°C. Vatnið í þessum jarðlögum er aðskilið frá efri grunnvatnslögum af þéttum berglögum á um 500–800 metra dýpi. Þrýstingurinn í þessum jarðlögum svarar til þess að vatnsborðið sé á um 200 metra dýpi undir yfirborði. Jarðhitakerfið er því undirþrýst um 20 bör miðað við kalt grunnvatnskerfið í kring. Fyrir ofan þéttu jarðlögin sem einangra jarðhitakerfið frá grunnvatnskerfinu liggur grunnvatnskerfi einungis á nokkurra tuga metra dýpi frá yfirborði. Þrýstingurinn er því samanlagt um 28 börum hærri í niðurdælingarholunni sjálfri en í jarðlögunum umhverfis þar sem vökvinn streymir út í jarðlögin. Þetta samsvarar um 280 metra vatnssúlu við 5°C.

Staðlar hafa verið notaðir við jarðskjálftahönnun íslenskra bygginga frá árinu 1976. Slík hönnun byggir annars vegar á áætluðum styrk jarðskjálftaálags á byggingarstað og hins vegar á þekkingu fræðimanna á hegðun bygginga í jarðskjálfta. Á báðum sviðum hafa orðið miklar framfarir frá því að jarðskjálftastaðallinn var fyrst innleiddur og nýir staðlar því tekið við sem byggðir eru á nýjum upplýsingum. Þótt íslensk hús séu í eðli sínu sterkbyggð gagnvart jarðskjálftaáraun má þó ætla að nýrri byggingar séu að jafnaði sterkari en þær eldri. Rannsóknir á jarðskjálftaskemmdum hafa jafnframt sýnt þetta. 

Fyrstu íslensku jarðskjálftastaðlarnir voru innleiddir árið 1976 og byggðu á kalifornískri fyrirmynd. Staðlinum fylgdi jarðskjálftakort þar sem Íslandi var skipt upp í þrjú álagssvæði og sérstakur álagsstuðull skilgreindur fyrir hvert þeirra. Árið 1989 var staðallinn betrumbættur og nýtt jarðskjálftakort innleitt með fjórum álagssvæðum. Þessi staðall var síðan í gildi fram til ársins 2002 þegar innleiddir voru evrópskir jarðskjálftastaðlar með sérstöku vákorti, þar sem grunngildi jarðskjálftaálagsins var lýst með hágildi láréttrar yfirborðshröðunar með tiltekin líkindi. Í lok árs 2010 var svo nýtt uppfært evrópskt byggingarstaðlasett innleitt af Staðlaráði Íslands. Vákortinu frá árinu 2002 var breytt á aðalupptakasvæðum jarðskjálfta á Suðurlandi og Norðurlandi en er óbreytt utan þeirra.   

Íslensk nútímahús eru í eðli sínu sterkbyggð gagnvart jarðskjálftaáraun. Í gegnum aldirnar þegar flest hús voru byggð úr torfi og grjóti var það hins vegar algengt að þau féllu saman í jarðskjálftum. Í Suðurlandsskjálftunum 1896 hrundu þannig rúmlega 1300 íbúðarhús og 2400 útihús. Þetta kemur fram í bók Þorvaldar Thoroddsen frá 1899 (Jarðskjálftar á Suðurlandi, Hið íslenska bókmenntafélag, Kaupmannahöfn). Til samanburðar má nefna að í Suðurlandsskjálftunum 2000 og 2008 hrundi ekkert íbúðarhús. Um fimmtíu hús skemmdust þó það mikið í þessum skjálftum að viðgerðir voru ekki taldar ráðlegar og þau flokkuð sem ónýt. Í nýlegri rannsókn á tjóni sem varð á lágreistum byggingum á Suðurlandi í Suðurlandsskjálftanum 29. maí 2008 kom í ljós að tjón, metið sem hlutfall viðgerðarkostnaðar og endurbyggingarverðs, var í flestum tilfellum lítið. Gagnasafnið innihélt um 4750 byggingar í Ölfusi og nágrenni og skemmdist um helmingur þeirra. Hús úr steinsteypu eða timbri byggð eftir 1980 stóðu sig marktækt betur en eldri byggingar. Þau sem voru staðsett næst upptökunum og urðu fyrir mestu árauninni höfðu ásættanlegt burðarþol, en um 90% þeirra fengu tjón sem var er innan við 10% af endurbyggingarverði. Ef einungis tjón á burðarvirki er skoðað var það innan við 1,5% fyrir báðar byggingargerðirnar. Þetta skýrist af því að metnar skemmdir á burðarvirki voru aðeins brot af heildartjóninu. Mesta tjónið tengist útlitsskemmdum, t.d. sprungur í skilveggjum sem þarf að endurmála og skemmdir á gólfefnum, flísum og þess háttar.  

Já, það eru gerðar mismunandi kröfur til nýbygginga eftir staðsetningu þeirra. Þessar ólíku kröfur eru settar fram í byggingarstöðlum sem verkfræðingar og tæknifræðingar styðjast við þegar þeir hanna ný mannvirki. Staðlana má nálgast hjá Staðlaráði Íslands (www.stadlar.is). 

Staðlaráð Íslands hefur umsjón með staðlagerð á Íslandi. Ráðið er aðili að ýmsum erlendum staðlasamtökum, þar á meðal þeim evrópsku, CEN (Comité Européen de Normalisation). Þeirri aðild fylgir sú skuldbinding að gera alla staðla sem frá samtökunum koma að íslenskum stöðlum. Meginhugsun og markmið er að samræma staðla í aðildarríkjum og auðvelda þannig mannvirkjagerð í víðum skilningi þvert á landamæri. Í desember 2010 voru innleiddir á Íslandi nýir byggingarstaðlar frá CEN, svokallaðir Evrópustaðlar (e. Eurocodes), með tilheyrandi þjóðarviðaukum. Staðlarnir eru tíu talsins og taka til meðferðar öryggismál, álag, mismunandi byggingarefni og grundun mannvirkja. Einn staðlanna í nýja staðalsettinu, Eurocode 8, fjallar sérstaklega um jarðskjálftaálag og jarðskjálftahönnun á byggingum. Í þjóðarviðaukunum sem fylgja þessum staðli er sérstakt vákort sem sýnir á hvaða svæðum á Íslandi megi búast við mestum jarðskjálftaáhrifum. Váin er skilgreind með svokölluðu hágildi yfirborðshröðunar á klöpp í jarðskjálfta sem hefur 10% líkindi á að verða yfirstigið á 50 árum, en það er árafjöldi sem venja er að miða líftíma byggingar við. Þessi líkindi svara til meðalendurkomutíma upp á 475 ár. Þetta hágildi yfirborðshröðunar er notað til að kvarða jarðskjálftaálag sem notað er við hönnun á nýjum mannvirkjum. Sögulegir og mældir jarðskjálftar, jarðfræðilegar upplýsingar og skráð hreyfing í jarðskjálftum skipta mestu máli þegar lagt er líkindafræðilegt mat á  jarðskjálftahættu og vákortin búin til. Mikilvæg gögn sem voru skráð í Suðurlandsskjálftunum 2000 og 2008 hafa vegið þungt í þessari vinnu. Aðrir þættir en grunngildi hröðunar skipta þó líka máli þegar jarðskjálftaálag er skilgreint. Hér má nefna jarðvegsaðstæður á byggingarreit, en það hefur áhrif á álagið hvort mannvirki sé reist á mjúk setlög eða stífa klöpp. Að lokum hefur mikilvægi byggingar sitt að segja, en eðlilegt er að gera meiri kröfur við þolhönnun á sjúkrahúsi en landbúnaðarbyggingum, svo dæmi sé tekið. 

Kort sem sýna áhrif jarðskjálfta eru reiknuð sjálfvirkt á Veðurstofu Íslands. Þau byggja á rauntímaúrvinnsluferlum sem þróaðir hafa verið í rannsóknum starfsfólks Veðurstofunnar undanfarin ár. Við framsetningu niðurstaðna er notuð aðferðafræði og forrit frá Jarðfræðistofnun Bandaríkjanna (USGS) sem hafa verið aðlöguð að íslenskum aðstæðum. Vegna þeirrar umræðu sem nú er í gangi var reiknað kort til að líkja eftir áhrifum stærri skjálfta við Hellisheiðarvirkjun. Meðfylgjandi kort sýnir þessi reiknuðu áhrif sem yrðu af skjálfta upp á 6 á Richter við Húsmúla.

Sérfræðingar frá verkfræðistofunni Hönnun og Veðurstofu Íslands unnu árið 2002 kort sem sýnir mestu láréttu hröðun á Íslandi á 500 ára tímabili. Meðfylgjandi kort er endurbætt útgáfa frá árinu 2009, unnið fyrir staðlaráð af sömu aðilum.

Brotstyrkur jarðskorpunnar í nágrenni Hellisheiðarvirkjunar markast af nálægðinni við virkar eldstöðvar og stærð jarðskjálfta takmarkast af brotstyrknum. Byggt á sögulegum heimildum um jarðskjálfta, á lengd sprungna á yfirborði sem kortlagðar hafa verið af vísindafólki við Háskóla Íslands og á stærð virkra sprungna undir yfirborði sem kortlagðar hafa verið af vísindafólki á Veðurstofu Íslands er talið að jarðskjálftar í nágrenni Hellisheiðarvirkjunar verði ekki stærri en um 6 á Richterskvarða. Ekki er vitað hversu líklegt það er að slíkur skjálfti verði á næstu árum. Framkvæma þarf rannsóknir og taka saman upplýsingar um núverandi spennuástand til að svara þeirri spurningu. Meta þarf hvort uppsöfnuð spenna á svæðinu hefur þegar verið leyst út í skjálftunum árin 1998 og 2008, eða hvort þeir skjálftar hafi aukið líkur á skjálftum vestar á svæðinu.

Veðurstofa Íslands fylgist með jarðskjálftavirkni við Húsmúla á sama hátt og fylgst er með virkni annars staðar á landinu. Til þess rekur hún sjálfvirkt jarðskjálftamælakerfi. Næmni kerfisins fer eftir þéttleika mælanetsins, það er að segja hversu langt er á milli jarðskjálftamælistöðva. Þéttleiki mælanetsins er einna mestur á Suðurlandsundirlendinu og á Reykjanesskaga en Húsmúli og Hellisheiðarvirkjun eru innan þess svæðis. Þess vegna er hægt að fylgjast mjög vel með smáskjálftavirkni á svæðinu allt niður í skjálfta af stærð 1 á Richter. Samkvæmt Gutenberg-Richter lögmálinu verða fyrir hvern skjálfta af stærð 2 á Richter 10 af stærðinni 1–2 á Richter og um 100 af stærðinni  0–1 á Richter, þannig að með mikilli næmni margfaldast fjöldi skjálfta sem skráður er. Þegar 2000 jarðskjálftar höfðu verið skráðir á virkjunarsvæðinu höfðu um 60 þeirra mælst yfir 2 að stærð. 

Jarðskjálftar minni en um 2 á Richter finnast að jafnaði ekki. Fyrir flesta skjálfta stærri en 2 á Richter eru sjálfvirkt búin til kort sem sýna áhrif þeirra. Meðfylgjandi er kort sem sýnir reiknuð áhrif skjálfta af stærð 2,5 þann 8. október 2011. 

Ef stórfelld bilun á sér stað í búnaði Hellisheiðarvirkjunar kann að vera nauðsynlegt að geta fargað affallsvökvanum á yfirborði. Slík losun nefnist neyðarlosun í virkjunarleyfi Hellisheiðarvirkjunar. 

Eigi sér stað slík stórfelld bilun ber að tilkynna Orkustofnun um stöðuna og hvernig Orkuveita Reykjavíkur hyggst bregðast við þannig að neyðarlosun vari ekki lengur en að hámarki í þrjá mánuði, eins og tilgreint er í matsskýrslu framkvæmdarinnar. Förgun skilju- og þéttivökva á yfirborði er því óheimil við hefðbundinn rekstur virkjunarinnar. 

Ef bilunin dregur verulega úr niðurdælingunni þarf að huga að því hvaða áhrif það gæti haft á skjálftavirkni á svæðinu og þá sérstaklega þegar niðurdælingin hefst að nýju. Þá þarf jafnvel að auka niðurdælinguna í þrepum til að draga úr hugsanlegum áhrifum af snöggum og miklum breytingum í niðurdælingu á spennu í berginu. 

Með einhverjum hætti þarf að farga 650 l/s af affallsvökva út í umhverfið. Þegar farga þarf slíku magni af vökva verður streymið að vera stöðugt frá virkjun til losunarstaðar. Spurningin er því hvar má losa slíkt magn af vökva út í umhverfið? Vegna þess hve mikilvæg grunnvatnsauðlindin er á svæðinu má ekki farga vökvanum í miklu magni og til lengri tíma á yfirborði. Af þeim kostum sem greindir hafa verið var talið best að dæla jarðhitavökvanum aftur inn í það kerfi sem vökvinn er tekinn úr, jarðhitakerfinu, enda stuðlar það að lengri endingu þess. Niðurdælingarholurnar eru því fóðraðar niður á 800 metra dýpi.

Frá Hellisheiðarvirkjun koma nú um 650 l/s af affallsvökva. Á einni klukkustund þarf því að farga 2.340 tonnum af affallsvökva. Til samanburðar er Smáralindin í heild sinni 400.000 rúmmetrar og því tæki það um eina viku að fylla Smáralindina frá gólfi og upp í þak verslunarmiðstöðvarinnar. Einnig má benda á að meðalrennsli Elliðaánna er tæplega 5000 l/s eða um nífalt flæði affallsvökva.

Til að framleiða raforku í Hellisheiðarvirkjun þarf að taka talsvert magn af vökva úr iðrum jarðar. Hverflar virkjunarinnar ganga fyrir gufu og því þarf að aðgreina gufuna frá vökvanum sem kemur upp við ákveðinn þrýsting, 8bör fyrir Hellisheiðarvirkjun. Vökvinn sem skilst frá nefnist skiljuvökvi. Hluti gufunnar sem hefur farið í gegnum virkjunina þéttist og nefnist þéttivökvi. Hluta þéttivökvans, um 30%, er blandað saman við skiljuvökva til þess að forðast útfellingar í niðurdælingarholum. Þessum affallsvökva er svo dælt niður um slíkar holur.

Tekin hafa verið sýni af skiljuvatni sem fer í gegnum virkjunina til efnagreininga. Niðurstöður mælinga í febrúar 2009 eru sýndar í töflunni hér fyrir neðan ásamt neysluvatnsviðmiðum skv. reglugerð um neysluvatn nr. 536/2001. Samkvæmt töflunni þarf niðurdælingarvökvinn að þynnast tífalt til að teljast drykkjarhæfur miðað við tvö tilgreind efni, ál og arsen. Hvað varðar t.d. súlfat má benda á að þekkt eru dæmi þess að Reykvíkingar og fleiri hafi notað jarðhitavatn sem neysluvatn án þess að það valdi neinum skaða. Niðurdælingarvökvinn er ekki neitt verulega ólíkur hverju öðru hveravatni.

Háhitakerfi á Íslandi eru almennt undirþrýst. Það merkir að þrýstingur innan háhitakerfisins er lægri á sama dýpi en utan þess í grunnvatnskerfi. 

Ef sprunga opnast milli háhitakerfis og grunnvatnskerfis mun vökvi því flæða úr grunnvatnskerfinu inn í háhitakerfið, en ekki öfugt. Sprungur eru taldar lokast fljótlega aftur vegna útfellinga við þrýstingslækkunina. Af þessum sökum eru háhitakerfi almennt frekar einangruð frá grunnvatnskerfum með tiltölulega þéttu þakbergi. Ef svo væri ekki kæmi það fram í gæðum grunnvatns í grennd við öflug háhitakerfi óháð nýtingu manna. 

Lághitakerfi landsins eru ólík háhitakerfum hvað þetta varðar því slík kerfi tengjast oftast staðbundnum brotakerfum eða brotum. Vatnið er regnvatn sem rennur niður á 1–4 km dýpi um sprungur og lek jarðlög, hitnar og leitar síðan upp til yfirborðs. Lághitakerfin eru því ekki einangruð frá grunnvatnskerfunum með sama hætti og háhitakerfin.  

Það er annars vegar gert til að halda uppi þrýstingi í jarðhitakerfinu þannig að það endist lengur en ella og hins vegar til að vernda grunnvatn nærri yfirborði. Vökvinn í jarðhitakerfinu hefur aðra efnasamsetningu en grunnvatnið og er talinn geta spillt því við langvarandi losun. Þetta er sérstaklega mikilvægt atriði þegar kemur að Hellisheiði því svæðið er talið eitt besta varasvæði höfuðborgarsvæðisins ef verulegt umhverfisslys ætti sér stað á vatnstökusvæðum þess í Heiðmörk.

Afleiðing jarðskjálftanna sem verða við niðurdælinguna er að spennusvið í nágrenni þeirra breytist. Það getur aukið eða minnkað álag á öðrum sprungum sem ekki verða fyrir beinum áhrifum niðurdælingarinnar og flýtt eða tafið fyrir náttúrulegum skjálftum á þeim.

Ekki er dælt niður með það miklum þrýstingi að berg brotni vegna þrýstingsaukningar vökvans í jarðskorpunni í grennd við borholur. Þess vegna myndast ekki nýjar sprungur heldur eru hreyfingar á eldri sprungum þar sem aukinn þrýstingur vökvans i sprungunum vinnur á móti bergþrýstingi við þær. Vatnið sem dælt er í holurnar hefur lægra hitastig en vatnið í berginu og gæti það í einhverjum mæli kælt það ogminkað bergþrýsting sem hefur svipuð áhrif og þrýstingsaukning vatns. Þessi áhrif losunar byggja því ekki upp spennu í jarðskorpunni sem leysist út í jarðskjálftum.

Þegar spenna í bergi er nálægt brotmörkum þarf litla viðbótarspennu til að hrinda jarðskjálfta af stað. Niðurdælingin lækkar brotmörkin og getur því flýtt fyrir jarðskjálftum. Í flestum tilvikum hefði þessi skjálfti komið hvort sem er vegna stöðugrar spennuupphleðslu í jarðskorpunni. Það er erfitt að segja til með vissu um hversu miklir fyrirburar skjálftarnir eru. Á Hellisheiði urðu þrjár meginjarðskjálftahrinur á síðustu öld eða á 30 ára fresti að meðaltali. Síðasta hrinan var á árunum 1993 til 1998. Það er því hugsanlegt að skjálftarnir í Húsmúla séu allt að 15 árum fyrr á ferðinni en ella hefði orðið. Sú staðreynd að jarðskjálftar urðu við örlitla þrýstiaukningu vegna vökvarennslis út í æðar bergsins.

Í ljósi þekkingarinnar sem fæst við boranir og prófanir á borholum, og úr jarðskjálftasögunni, er unnt að meta líkur á að jarðskjálftar verði þegar borholur eru nýttar til niðurdælingar. Með aukinni þekkingu gefst meira svigrúm til að upplýsa þá sem málið snertir. Einnig væri unnt að vara við ef fyrirhugað væri að gera verulegar breytingar á tilhögun eða magni niðurdælingar á svæðum þar sem búist er við skjálftavirkni af hennar völdum.

Það er enginn eðlismunur á jarðskjálftunum sem verða við niðurdælingu við aðstæður þar sem spenna bergs er nærri brotmörkum hvort sem dæling er aukin, nýjar holur teknar í notkun eða önnur starfsemi í gangi sem eykur vökvaþrýsting í jarðskorpunni.

Heppilegast er að nota hugtakið manngerðir jarðskjálftar eingöngu um þá skjálfta sem beinlínis orsakast af mannlegum athöfum. Ef við notum þá skilgreiningu á hugtakinu er svarið við spurningunni nei. Þá væru aðeins örvunarskjálftar taldir manngerðir.

Jarðskjálftar sem verða við niðurdælingu geta verið af tvennum toga, annars vegar örvunarskjálftar (á ensku „induced earthquakes“) og hins vegar gikkskjálftar (á ensku „triggered earthquakes“). Þeir fyrrnefndu verða þegar vökva er dælt ofan í jörðina beinlínis í því markmiði að brjóta bergið til að mynda sprungur um heitt bergið svo unnt sé að vinna varmann úr jörðu. Til þess að gera það þarf að dæla vatni niður undir mjög háum þrýstingi þannig að hann yfirstígi brotþol bergins næst holunni. Þetta eru skjálftar sem ekki hefðu orðið nema fyrir tilverknað niðurdælingarinnar og eru því alfarið manngerðir. 

Gikkskjálftarnir verða hins vegar við smávægilega hækkun á vökvaþrýstingi í bergi sem er nærri brotmörkum. Þá virkar niðurdælingin eins og tekið sé í gikkinn og hleypt af stað skjálfta sem er í aðsigi hvort sem er. 

Skjálftarnir í Húsmúla eru dæmigerðir gikkskjálftar. Þeim er hleypt af stað við niðurdælinguna, það er að segja þeir eru framkallaðir. Þeir eru ekki manngerðir í þeim skilningi að losunin byggi upp þá orku sem losnar í skjálftanum. 

Ef losuninni er haldið sæmilega stöðugri má ætla að þrýsti- og hitajafnvægi náist að mestu á nokkrum mánuðum. Bein áhrif losunarinnar ná því til takmarkaðs svæðis og reikna má með að jafnvægi náist með tímanum. Eftir það hefur losunin lítil áhrif á losun spennu sem stöðugt er að byggjast upp vegna landreks og kvikuhreyfinga og losnar af og til í tímans rás. 

Skjálftahrinurnar eru því tímabundið ástand sem óvíst er hve lengi stendur yfir. Okkar mat er að bein áhrif losunar standi ekki lengur en fáeina mánuði og tæplega lengur en í eitt ár að því gefnu að ekki verði miklar breytingar á því magni vatns sem dælt er niður. Til langs tíma á losun ekki að hafa áhrif á losun spennu. Hafa verður í huga að erfitt er að greina hvort jarðskjálftar sem verða síðar séu að öllu leyti náttúrulegir eða hvort losunin flýti fyrir þeim.