Při výběru lokality pro umístění hlubinného geotermálního vrtu nebo pro úložiště radioaktivního odpadu je nutné prozkoumat horninový masív, ve kterém se jmenované objekty budou nacházet. Zatímco pro hlubinné čerpání geotermální energie je vhodné, aby v okolí dna vrtů bylo co nejvíce trhlin, které umožní průtok vody a její ohřev okolní horninou, pro úložiště odpadu je naopak ideální neporušená a nepropustná hornina, která zabrání šíření nebezpečných látek. V Česku jsou pro takovéto účely vhodné masívy žul a jim podobné horniny.
Podrobný pohled na to, jaký vliv mají trhliny a v nich vysrážené druhotné minerály na propustnost žuly, přináší práce autorské dvojice Martin Staněk a Yves Géraud ve studii nedávno publikované v časopise Solid Earth. Kromě zjištění některých odborných geologických souvislostí je přínosem studie i návod, jak v žule rozpoznat různě propustné oblasti na základě snadno proveditelných pozorování např. na vzorcích horniny z průzkumných vrtů.
Zaměření studie na žulu z Melechovského masívu na Vysočině je zajímavé i tím, že tento masív byl vybrán Správou úložiště radioaktivního odpadu jako testovací lokalita metod užitných při výběru lokality pro úložiště. To nicméně v Melechovském masívu určitě nebude, vzhledem k blízkosti vodní nádrže zásobující přípravnu pitné vody.
Obr. 1 – Na výchoze nedaleko hradu v Lipnici nad Sázavou jsou patrné četné trhliny a také jejich uspořádání v sadách dle geografických směrů. Nejvýraznější jsou mírně ukloněné tzv. exfoliační pukliny, které jsou hojné při povrchu a kterých směrem do hloubky v horninovém masívu rychle ubývá. Tyto trhliny vznikají v důsledku snížení tlaku nadložních hornin, které po utuhnutí žuly v hloubce několika kilometrů v průběhu milionů let zvětraly a byly odneseny. V levé části snímku jsou vidět svislé trhliny přes celou výšku výchozu. Tyto trhliny vznikly v důsledku smršťování chladnoucího, byť už utuhlého, žulového masívu v hloubce několika kilometrů. Obdobný vznik přisuzujeme i trhlinám, které svým směrem odpovídají viditelné čelní stěně výchozu.
Vznik trhlin a jejich vliv na propustnost žuly
Žula je ve většině svého objemu velmi málo propustná, jelikož je málo porézní a volné prostory v ní jsou mikroskopických rozměrů. Její propustnost ale může řádově zvýšit přítomnost trhlin. Pro představu lze zjednodušeně říci, že v neporušené žule trvá vodě urazit jeden milimetr 30 let, zatímco v žule s hustou sítí propojených trhlin voda urazí stejnou vzdálenost za 1 den.
Trhliny v horninách jsou široce rozšířeným přírodním jevem. Vznikají působením napětí, které překročí mez pevnosti horniny. Příčiny zvýšení napětí v hornině mohou být různé, kromě těch geologických stojí za zmínku také působení člověka např. při hlubinném vrtání nebo ražbě podzemních prostor.
V lipnické žule Melechovského masívu se trhliny tvořily od doby před cca 300 miliony let, kdy v hloubce několika kilometrů žula utuhla z magmatu. Trhliny vznikaly postupně smršťováním horniny při chladnutí, v důsledku pohybu tektonických desek a také kvůli snížení tlaku nadložních hornin, které v průběhu milionů let zvětraly a byly odneseny. Pozorováním v terénu a ve vrtech jsme zjistili, že Melechovský masív je protkaný hustou sítí trhlin v délce od decimetrů po desítky metrů, které jsou orientovány v určitých směrech. Tuto síť doplňují sice méně časté, ale četností trhlin a velikostí výraznější zlomové zóny, které představují oblasti s vysokou propustností propojující místa až kilometry vzdálená.
Obr. 2 – Na vzorku vrtného jádra jsou vidět trhliny s výplní jílových minerálu. Z takovýchto vrtných jader byly připraveny vzorky velikosti cca 3 cm pro rozbory pórovitosti, chemického složení a pro mikroskopická pozorování.
Výše uvedené poznatky doplňuje studie o laboratorní měření pórovitosti, velikosti mikrotrhlin, chemického složení minerálů a o mikroskopická pozorování na vzorcích lipnické žuly v různě deformovaných a pozměněných podobách, které byly získány z jádrového vrtu hlubokého cca 150 m. Tato měření ukázala na paletu možností, jak se pórovitost a propustnost v blízkosti trhlin může měnit v závislosti na intenzitě porušení a typu druhotných minerálů vysrážených v trhlinách a v jejich bezprostředním okolí.
Mikrotrhliny, které se tvoří při šíření velkých trhlin, zvyšují pórovitost žuly z desetin procenta na zhruba jedno procento a zvyšují její propustnost zhruba desetkrát. V místech, kde je žula rozdrcena zlomovými pohyby, se množství trhlin i mikrotrhlin výrazně zvyšuje a vede k pórovitosti řádově 100x a propustnosti řádově 10 000x vyšší v porovnání s neporušenou horninou. Naopak jako těsnění působí druhotné minerály (především oxidy železa a jílové minerály), které se v trhlinách vysrážely z protékajících přírodních roztoků, což v důsledku trhliny vyplnilo a přehradilo. To platí zejména pro oxidy železa, které se ukázaly jako neporézní, zatímco shluky jílových minerálů obsahují velmi malé otvory velikosti řádově 1/10 000 milimetru. S nimi je hornina stále velmi málo propustná, zároveň ale hraje důležitou roli velký vnitřní povrch těchto shluků, který může adsorbovat a účinně znehybňovat nebezpečné látky, které by se podél trhlin mohly šířit. Další důležitou vlastností jílových minerálů je bobtnání při kontaktu s vodou, což dále zvyšuje jejich těsnicí vlastnosti. Tato pozorování tedy ukazují na protichůdné působení trhlin na jedné straně a jejich minerálních výplní na straně druhé.
Obr. 3 – Snímek horniny pod mikroskopem ukazuje v zelené barvě síť mikrotrhlin, z nichž většina je tenčí než lidský vlas. Nejvýraznější trhlina procházející celým snímkem zleva doprava vznikla propojením dřívějších menších trhlin a představuje propustnou cestu pro pohyb tekutin.
Výsledky studie rozšiřují dosavadní znalosti o stavbě a fyzikálních vlastnostech žuly, tedy horniny, se kterou se běžně počítá pro čerpání geotermální energie nebo hlubinná úložiště radioaktivního odpadu. Další oblasti, ve kterých lze výsledky využít, jsou podzemní skladování CO2, ukládání tepla či těžba ropy z nekonvenčních ložisek.
Ve všech těchto aplikacích hraje zásadní roli propustnost horniny, respektive množství, tvar a propojení otvorů v ní. Zejména v případě radioaktivního odpadu je zřejmý význam studie i pro ochranu životního prostředí.
Mgr. Martin Staněk, Ph.D.
oddělení geodynamiky