St1 Oy suunnitteli rakentavansa Espoon Otaniemeen maailman syvimmän geotermisen lämpövoimalaitoksen. Heidän tavoitteenaan oli tuottaa 20–40 MW lämpöenergiaa kaukolämpökäyttöön. Saavuttaakseen tavoitteen, yhtiö porasi kaksi maailman syvimpiin kuuluvaa reikää n. 6 kilometrin syvyyteen, joiden välille he suunnittelivat vesikiertoa. Vesikierron ja energiantuotannon ylläpitoon tarvittavan vesivarannon aikaansaamiseksi St1 totetutti kaksi hydraulista stimulaatiota, eli pumppasivat kilometrien syvyyteen korkeapaineista (makeaa) vettä tarkoituksena säröttää porareikiä ympäröivää kalliomassaa. Tällä tekniikalla toteutettavaa voimalaitosta kutsutaan tehostetuksi geotermiseksi järjestelmäksi (Enhanced Geothermal System, EGS). Otaniemen tapauksessa stimulaatiota tehtiin kaksi kappaletta: Suurempi, 49 päivää kestänyt päästimulaatio kesä–heinäkuussa 2018, ja pienempi 16-päiväinen vastastimulaatio toukokuussa 2020. Molemmat stimulaatiot toteutettiin useammassa pumppausvaiheessa muunmuassa maanjäristysriskin hallitsemiseksi. Jos lukijaa kiinnostaa Otaniemessä tehdyt käytännön mittakuset ja esim. asemaverkon geometria ja voimalaitoksen tarkempi paikka, niin aihetta sivuttiin Amir Sadeghi-Bagherabadin aikaisemmassa seismoblogauksessa.
Stimulaatiot aiheuttivat kymmeniä tuhansia indusoituneita maanjäristyksiä. Näistä valtaosa tapahtui vuoden 2018 päästimulaation aikana ja välittömästi sen jälkeen johtuen päästimulaation noin 6 kertaa suuremmasta pumpatusta vesimäärästä vastastimulaatioon verrattuna. Vaikka isoimmat indusoituneet järistykset havaittiin yleisesti pääkaupunkiseudulla, ja pääsivät myös median otsikoihin – allekirjoittanutkin päästettiin selittämään ilmiötä! – tapauksista valtaosa oli kuitenkin hyvin pieniä; suurimman osan voimakkuus oli samaa suuruusluokkaa kuin yksittäisen raapaistun tulitikun tuottama energia. Tämän kokoiset tapaukset vastaavat karkeasti seismistä magnitudia -1,0 ja alle. Vertailun vuoksi, suurin Otaniemessä havaittu tapaus oli magnitudiltaan 1,8 (sunnuntaina 16.7.2018 kello 19:26 paikallista aikaa) – Mitattu 2,8 yksikön ero voimakkuudessa vastaa magnitudiasteikon logaritmisuuden takia peräti 16 000 kertaa suurempaa energiamäärää! Tämä asettaa indusoidut järistykset myös perspektiiviin: Voidaan arvioida, että havaittavia vaurioita rakennuksiin ja infrastuktuuriin tulisi vasta magnitudin 3,5–4,0 kokoisilla järistyksillä, eli noin 10 000 kertaa suuremmilla tapauksilla kuin Otaniemessä koskaan indusoitui.
Kuva 1. Otaniemessä havaittujen järistysten sijainti suhteessa porareikiin: musta viiva 2018, harmaa 2020, musta pallo on suunniteltu voimalaitos itse. Aineistona on ristikorrelaatioon, eli tapausten samankaltaisuuteen, perustuvalla algoritmilla havaitut indusoidut maanjäristykset, jotka pystyttiin paikantamaan riittävällä tarkkuudella, aina stimulaation alusta vuoden 2022 loppuun. Väritys perustuu järistysten ajankohtaan suhteessa vuoden 2018 päästimulaation eri pumppausvaiheisiin, eli käytännössä kuvaa aikaa päästimulaation alusta. Vuoden 2020 stimulaation alun jälkeiset tapaukset ovat omalla värillään. Pisteen koko kuvaa järistyksen voimakkuutta. Kuvassa näkyvien tapausten paikat ovat alustavia, joten sitä voi pitää suuntaa-antavana.
Järistysten anatomiaa – Eli mitä järistysten samankaltaisuus tarkoittaa?
Otaniemessä havaittuja indusoituneita järistyksiä oli karkeasti kahta päätyyppiä. Valtaosa järistyksistä oli siirrostasoratkaisuiltaan käänteissiirroksia (myös ylityöntösiirros, reverse fault), joissa lohkot käytännössä törmäävät toisiinsa, mutta noin prosentti järistyksistä oli sivuttaissiirroksia (kulku-liukusiirros, strike-slip fault), joissa lohkot liikkuvat sivuttain ikäänkuin toistensa ohi. Jos miettii anekdootteja, niin käänteissiirros vastaa sitä että kaksi ihmistä törmäävät kävellessä toisiinsa naama edellä, kun taas sivuttaissiirroksessa vastakkaisiin suuntiin kävelevien ihmisten kädet osuvat toisiinsa. Otaniemen järistysten siirrostasoratkaisuista kertoo tarkemmin aiheesta tutkimusta tekevä väitöskirjatutkija Annukka Rintamäki myöhemmin ilmestyvässä Seismoblogissa!
Tässä tärkeämpää on huomioida, että järistysten päätyypit eroavat toisistaan seismisillä asemilla mitatuilta signaaleiltaan. Näiden päätyyppien muodostamien siirrostasoratkaisultaan samankaltaisten järistysperheiden tapaukset olivat kuitenkin hyvin samankaltaisia keskenään eri asemilla. Tapausten samankaltaisuuteen vaikuttaa myös niiden suhteellisen paikan läheisyys, kuten ylempänä olevasta kuvasta voi havaita suurin osa tapauksista tapahtui lähellä toisiaan. Sen sijaan aika- tai voimakkuusriippuvuutta ei yllättävästi niinkään ole: Jos sama siirros aktivoituu suurin piirtein samasta paikasta samansuuntaisesti, niin siitä lähtevät maanjäristyssignaalit voivat olla hyvin samankaltaisia vaikka tapausten välissä olisi useampi vuosi ja maanjäristysten voimakkuus olisi hyvin erilainen! Havainnollistava esimerkki näkyy alempana olevassa kuvassa.
Järistysten – tai ylipäätään signaalien – samankaltaisuutta voidaan kuvata normalisoidulla ristikorrelaatiolla, joka saa arvon välillä -1,0–1,0 riippuen siitä kuinka samankaltaisia tapaukset ovat: Arvo 0,0 vastaa täyttä satunnaisuutta ja arvo 1,0 täydellistä samankaltaisuutta; arvo
-1,0 tarkoittaa täydellistä vastakkaisuutta: Signaalit ovat ikään kuin peilikuvia toisistaan. Ristikorrelaatiota voidaan käyttää myös uusien tapausten löytämiseen. Menetelmässä otetaan tunnettu käsin analysoitu järistys, tehdään siitä sapluuna (mallitapaus, template) ja ikään kuin kuljetetaan sitä seismisten asemien rekisteröimän jatkuvan aineiston yli. Kun sapluuna korreloi riittävän hyvin jatkuvan aineiston kanssa riittävän monella asemalla poimitaan siitä mahdollinen uusi järistys, joka voidaan sitten jatkoanalysoida ja paikantaa eri menetelmin. Järistysperheiden sisällä on kuitenkin eroavaisuuksia mm. tapausten sijainnin takia, ja kenttämittauksissa on aina taustakohinaa – etenkin näin kaupungissa tehtynä! – joten ylemmässä kuvassa näkyvä noin 10 000 tapauksen järistysaineisto on kerätty ajamalla useamman sadan mallitapauksen signaalia jatkuvan aineiston läpi. Tämä ei ole asema-aineiston laajuuden takia laskennallisestikaan ihan triviaalia: suhteellisen tehokkaalla pöytäkoneella vaadittavien ristikorrelaatioiden laskentaan ja tapausten poimimiseen menisi muutama kuukausi.
Kuva 2. Kuvassa näkyy sapluuna, mallitapaus, mustalla ja eräs sen jatkuvasta aineistosta poimima tapaus punaisella. Kuva on otettu näiden nopeaa vertailua varten tehdystä ohjelmistosta. Magnitudin 1,0 mallitapaus sattui 17.6.2018, mutta sen löytämä tapaus sattui 12.7.2020, eli yli 2 vuotta myöhemmin! Ohjelmisto arvioi löydetyn tapauksen magnitudiksi -0,5, joten energiaero voidaan arvioida peräti 190 kertaiseksi! Kuvassa näkyvät asemat ovat Seurasaari (HEL1), Lintuvaara (HEL4) ja Suvisaaristo (HEL5). Kuvan seismogrammit näyttävät asemilta mitattua itä-länsisuuntaista liikettä (kanavatunnuksen kirjain E). Näkyvillä on myös kanavakohtaiset korrelaatiokertoimet.
Tommi Vuorinen, seismologi
