Björköprojektet – slutrapport - Mark- och vattenteknik - Kungliga ...

BJÖRKÖ ENERGIPROJEKTSlutrappport avseende geovetenskapliga undersökningar2000-20042:a upplaganHerbert Henkel, KTH-LWR-EGGBörje Bergman, SWECOve Stephansson, GFZ PotsdamMaurits Lindström, Stockholms UniversitetNovember 2004TRITA-LWR.REPORT 3010ISSN 1650-8610ISRN KTH/LWR/REPORT 3010-SEISBN 91-7283-934-1

Den södra delen av Björkö, i mitten av kartbilden, är centrum för den ca 10km stora Björkö strukturen. Varje ruta är 1 x 1 km.The southern part of the island Björkö, in the middle of the map, is thecenter of the 10 km wide Björkö structure. Each square is 1 x 1 km.ii

InnehållSammanfattning………………………………………………………………….…..1Styrgrupp och Referensgrupp…………………………………………………….…2English Summary………………………………………………………………….…31. Bakgrund …………………………………………………………………………..8Förändrad syn i energipolitikenNationella och internationelle riktlinjerGeotermisk energiGeotermisk energiutvinnig i kristallin berggrund i urbergsområdenKyla och värmeNedslagsstrukturerBjörköstrukturenIdén ansökan och strategin2. Geologiska och geofysiska undersökningar……………………………….……15GeologiTektonikSkjuvzonerFörkastningszonerSeismiska undersökningarFlyg- marin- och markmagnetiska mätningarKärsödiabasenMälarsandstenens mäktighetPetrofysikDensitetElektrisk resistivitet och IP effektTyngdkraftsmätningarUndersökningar med elektriska metoderElektromagnetiska (magnetotelluriska, MT) mätningarElektromagnetiska (very low frequency, VLF) mätningar3. Sprickmätningar…………………………………………………………………24Sprickfrekvens i och utanför BjörköstrukturenSprickfreklvens uppmätt i borrkärnanSprickmineral4. Borrningar……………………………………………………………………..…26MidsommarSödra Björkö5. Loggning av borrhålet på södra Björkö…………………………………...……27TemperaturElektrisk resistivitet och IP effektVattenflödeBergspänningsfältetHållfasthetsundersökningar av intakt och breccierad berggrundiii

6. Områden för lokalisering av en testanläggning………………………………..307. Radioakiv värmeproduktion………………………………………………….....328. Hot fractured rock (HFR) teknik……………………………………………….339. Slutsatser…………………………………………………………………………34Temperaturökningen med djupetVolym berggrund med låg resistivitet med temperatur >60 o CHållfasthet i den breccierade berggrundenLämplig plats för en testanläggningEnergipotentialEnergiprospektering med MT mätningarBidrag till nationella databaser10. Rekommendationer…………………………………………………………..…39SpräckningsförsökMT mätningar i området som störs av kraftledningFortsatta studier av sambandet mellan sprickfrekvens och elektriskaegenskaperDjupt borrhålGeotermisk testanläggningErkännanden………………………………………………………………………..41Litteratur………………………………………………………………………….....42Bilagor……………………………………………………………………………….45Teknik och system för utnyttjande av värmeDie neue Rolle der GeothermieBegrepp och termerBeslutsprocessen och projektets framskridandeFördelning av kostnaderFinansieringRapporter som tagits fram för Björkö energiprojektSändlistaiv

SammanfattningBjörkö energiprojekt startades 2000 och har till 2004 finansierats av StatensEnergimyndighet. Projektet utgick från att nedslagsstrukturer har en högre sprickförekomstjämfört med opåverkad berggrund. Ett viktigt syfte blev därför att pröva hur man kanundersöka förekomsten av sprickrik berggrund på stora djup och därigenom klarlägga omgeologiska nedslagsstrukturer kan vara lämpliga för geotermisk energiutvinning. Ennedslagsstruktur nära Stockholm, Björkö strukturen, valdes ut för närmare undersökningareftersom den ligger nära befintliga värmeverk.De hittills utförda undersökningarna har visat att temperaturgradienten är ca 20 K km -1 ochatt en temperatur på ca 105 o C beräknas föreligga på 5 km djup. Dessa uppskattningar baseraspå temperaturmätningar i två djupa borrhål och på beräkning av Mälarsandstenensvärmeledningsförmåga och mäktighet, figur 17.Undersökningar av sprickfrekvensen i och omkring Björkö strukturen har visat att denbreccierade berggrunden har ca 20 gånger större sprickareal än den opåverkade berggrundenutanför strukturen, Figur 12. Denna höga sprickfrekvens är belagd i över 1 km 2 på ytan ochgenom borrning ner till 1 km djup. MT mätningar visar att breccieringen är hög även istrukturens ringdel under sandstenen.Omfattande brecciering förekommer i en ca 15 km 3 stor volym i den södra, sydöstra, ochöstra delen av Björkö strukturen, som kan ses som lågresistiv berggrund i demagnetotelluriska (MT) mätningarna, figur 18. Sådana mätningar i kombination medtyngdkraftsmätningar är de till buds stående geofysiska metoderna varmed man från markytankan mäta berggrundens egenskaper ned till stora djup. För en översättning av mätresultatentill en geologisk modell krävs kunskap om bergarternas fysikaliska egenskaper, speciellt denelektriska resistiviteten och densiteten. Uppgifter om dessa egenskaper har samlats in genomregional provtagning och mätning av prover från borrkärnorna i de två över 900 m djupaborrhålen.Mälarsandstenen som förekommer i området har genom borrning visat sig vara mer än tregånger så mäktig som tidigare antagits. Från de magnetotelluriska mätningarna kansandstenens mäktighet uppskattas att variera från ca 0.1 km till ca 2.5 km. Kunskap omsandstenens mäktighet har betydelse för bedömningen av den geotermiska gradienten iområdet.Berspänningsfältets orientering och intensitet har fastställts med hydrauliska metoder iborrhålet på södra Björkö. Den horisontala huvudspänningen är riktad NV-SO ochintensiteten är något lägre än i angränsande områden i urbergsskölden. Hållfastheten i denbreccierade berggrunden är låg.Den breccierade berggrunden som påträffas vid ytan i centrala delen av strukturen och somdominerar i det djupa borrhålet på södra Björkö, har mycket låg hydraulisk konduktivitet. Detalrika sprickorna är igensatta av mineral. För att få kunskap om vattengenomsläpplighetenbehöver tester med hydraulisk spräckning genomföras. Innan dess spräckningsförsök harutförts saknas viktig kunskap om möjlig vattencirkulation som behövs för bestämning avenergipotentialen hos strukturen.Det rekommenderas därför att planerade experiment med hydraulisk spräckning ochlångtidspumpning utförs för att ha underlag för en simulering av spräckning på måldjupet 3-5km och att detta sedan följs upp med en djupborrning till ca 4 km djup.1

STYRGRUPP OCH REFERENSGRUPPFör projektet bildades en styrgrupp med följande deltagare:Docent Herbert Henkel, KTH Institutionen för Mark och Vattenteknik, projektledare,Civilingenjör Börje Bergman, Scandinavian Water Environment Council,Professor emeritus Maurits Lindström, Institutionen för Geologi och Geokemi,Stockholms Universitet,Professor emeritus Ove Stephansson, KTH, Institutionen för Mark och Vattenteknikoch Geo Forschungs Zentrum - Potsdam,Professor Leif Bjelm, Institutionen för Teknisk Geologi, Lunds Universitet.Som stöd för styrgruppen inrättades en referensgrupp med följande deltagare:Teknologie doktor Peter Rohlin, Statens Energimyndighet,Direktör Lennart Klerdal, Birka Energi AB, senare ersatt avmiljöcontroller Lennert Frise, Fortum OY Stockholm,Bergsingenjör Anders H. Lindén, Svensk Geofysik AB,Teknologie doktor Thomas Wallroth, CTH Geologiska Institutionen,Civilingenjör Eric Thurner, SKBMiljöhandläggare Ragnar Jansson, Länsstyrelsen i Stockholms län,Civilingenjör Lars Hammar, Sydkraft Värme AB Malmö,Dr. André Gerard, Socomine HDR, Soultz, Frankrike.2

English summary1. Introduction and backgroundImpact structures have extensively been studied for their occurrence of shockmetamorphic features and near surface structure. There is however very little knownabout the character and extent of the fracturing associated with an impact event. Onlyvery few deep drill holes reveal some of the 3-d-structure of impact carters, the twoexamples are from the central uplift of the Puchezh-Katunki structure in Russia(Masaitis and Pevzner 1999) and the Siljan structure in Sweden (Juhlin 1991). Inthese drill holes emphasis has been on the shock metamorphic and physical propertiesof the rocks. An increased fracture frequency has been estimated for the Puchezh-Katunki deep drill hole and was found to extend to almost 5 km depth. A similarstudy is however lacking for the Siljan drilling. The intensity of impact inducedfracturing is one of the key parameters together with the temperature gradient and thehydraulic conductivity when impact structures in crystalline rocks are targets forgeothermal investigations.Theoretically, the fracturing related to the shock wave, created by an impact extendsin a hemispherical volume below the explosion center with outward decreasingintensity of brecciation. (Melosh 1989). In craters with a diameter larger than ca 4 km,the subsequent collapse of the initially formed crater adds to the impact inducedfracturing, which in turn is overprinting existing fracture patterns. After impact, muchof the kinetic energy from the projectile has been used up for mechanical destruction.Some thermal energy forms impact melt rocks and heats the basement especially inthe central uplift region where, furthermore, previously deeper located rocks at highertemperature are brought closer to the surface (Melosh and Ivanov 1999). The impactstructure will thus be a site for more or less extensive hydrothermal changes causingelements to dissolve and precipitate, depending on the local thermal gradients. (Puuraand Plado 2004). The hydrothermal activity causes fracture filling where the mosttypical mineral in a crystalline environment is calcite. The remaining fracturing andthe fracture fill will change the physical properties of the affected rocks.To further explore impact structures at depth, remote geophysical techniques areemployed (Henkel 1992 and 2002). These depend on the 3-d-distribution of differentcontrasts in rock physical properties. Their integrated effect can be measured at thesurface using gravity, magnetic and electromagnetic methods.In the Baltic shield part of Fennoscandia, geothermal gradients are generally very low,in the range 14 – 20 K km -1 , Fig. 1.The Björkö structureThe Björkö structure has been suggested as a deep eroded impact crater formed ca1.2 Ga ago (Flodén et al. 1993) in crystalline rocks with ages from 1.8 Ga and older(for location see Fig. 2). Around the central part of the structure, a half-ring shapedoccurrence of low porosity sandstone of Jotnian age was suggested to occur based onmarine reflection and refraction seismic data (Flodén et al. 1993, Flodén and Bjerkéus2003). The structure is mainly located within water covered areas (lake Mälaren). Itscentral uplift is exposed on the island Björkö, where also more intense fracturingoccurs. Preliminary studies of the electric resistivity indicated a generally decreasedresistivity, which was interpreted in terms of increased fracturing (Henkel 1992).3

The location close to the district heating network in the Stockholm area, Figure 3,made it a target for studies of its geothermal energy potential. Already withconservative estimates of the remaining fracture induced porosity, the 10 km diameterstructure would contain very large amounts of thermal energy. To explore the Björköstructure further for its geothermal energy potential, a project was started withfunding from the Swedish Energy Board (Henkel 2002). This project consisted ofdetailed mapping of fracture frequency, two deep drill holes (in the ring part of thestructure and in its central part), gravity and extensive magnetotelluric (MT)measurements.The project is of particular interest as the demand for heating is considerable during amajor part of the year regarded the northern latitudes of Stockholm. The politicaldecisions made in Sweden on restricting CO 2 emissions and phasing out nuclearpower, requires efforts to find alternative and sustainable energy resources for theimmediate future.2. Geological and Geophysical studiesGeologyThe occurrence of shear and fracture zones within the Björkö region has been studiedbased on combined digital elevation and bathymetric data and airborne magnetic dataprovided by the Geological Survey of Sweden. A large shear zone affects the southwesternpart of the region, Figure 4.Seismic surveysMarine reflection and refraction seismic surveys were made by Stockholm Universityto map the lateral and vertical extent of the Mälaren sandstone. The seismic datacould not resolve the depth extent as the contrast in p-wave velocity was too small oreven negative to the brecciated basement under the sandstone, Figure 6 shows thelateral extent of the sandstone as interpreted from seismic, MT, and gravity data. TheMälaren sandstone has a minimum thickness of 1 km (obtained from drilling on theisland Midsommar) and a maximum thickness of up to 2.5 km (obtained frominterpretation of MT measurements).Rock physical propertiesRock physical property data were collected from existing outcrops within and aroundthe structure and from drill cores. The in-situ measured electric resistivity wassignificantly lower for both sandstone and fractured rocks (Bäckström and Henkel2003), Fig. 8.The density of fractured crystalline rocks and sandstone was slightly lower comparedto normal unfractured rocks. Figure 8 shows the density measured on drill coresamples from the centrally located drill hole. It approaches values at and below theaverage density of sandstone of 2610 kgm -3 .4

Gravity measurementsGravity measurements, in part made on lake ice in winter periods, thus showed agravity low of ca – 4.5 mgal, Figure 9, caused by both the sandstone and the fracturedrock volume. A renewed marine geophysical survey (Flodén and Bjerkéus 2003) wasthe basis to outline in more detail the occurrence of the sandstone in the ring part ofthe structure. Its depth could however not be resolved as the p-wave velocities of thesandstone were very similar, and in part larger, than the underlying fracturedcrystalline basement.Electric measurementsVertical electrical sounding (VES) measurements were made in 3 locations with up to2 km wide arrays to determine the subsurface electric resistivity structure down to ca1 km depth, Figure 10. These data support the interpretation that Mälaren sandstonemay occur also at the south-eastern margin of the Björkö structure at Jungfrulund.Magnetotelluric (MT) measurementsA series of tests were made to study if the MT measurements could be used todiscriminate between sandstone and the underlying basement rocks and theoccurrence of more intense fracturing within the basement. The results wereencouraging and a total of 40 stations were subsequently measured, on lake ice and onland within and around the structure (Oskooi and Pedersen 2003). Severedisturbancies from a nearby high voltage power line excluded the eastern edge of thestructure from the survey. The obtained results have been compiled in a 3-dperspectiveview in Fig. 4 and show that very large volumes of low resistivitycrystalline rocks occur at depth in the 3-5 km range.3. Fracture frequency and stress fieldThe 2-dimensional fracture frequency was estimated at 19 rock outcrop sites in andaround the Björkö structure. Areas of 1 m 2 (strongly fractured outcrops) and 9 m 2(normal fractured outcrops) were digitally photographed and the images weresubsequently analysed with a geographic information system. From these data andfrom the fracture analysis of the drill cores, the 3-d-fracture frequency was calculated.(Bäckström 2004). The most strongly fractured parts of the crystalline basement haveup to 40 times more fracture area as compared to normal crystalline rocks, Figure11.The stress field has been assessed with hydraulic fracturing in pre-selected sections ofthe 920 m deep drill hole in the central part of the structure (on the island Björkö), andare reported in (Ask 2003). The horizontal stress is NW-SE oriented and is slightlylower as compared to other areas in the Baltic shield. During the experiment, newNNW-SSE oriented fractures were induced and fractures at right angles to these werere-activated.The fracture fill minerals have been studied on core samples from the central part ofthe structure. The predominant fracture fill mineral is calcite (Broman 2002).Experiments with tri-axial testing showed the fractured parts of the rock to have lowstrength and could easily be re-opened. (Strömhag 2003).5

4. Drilling and loggingTwo deep wells were core drilled to allow measurements in-situ in the rock mass andon recovered core samples. The wells were located in the sedimentary ring area (onthe island Midsommar) and in the central part (on the island Björkö). The drilling intothe sandstone revealed an inward (towards the center) tilted normal sedimentarysequence (Olsson 2003, Viksten 2003) with a vertical thickness exceeding 960 m. Atthat depth the drilling was stopped for economic and technical reasons as thesandstone not was the primary target for the study. The drilling into the central part ofthe structure proceeded to 920 m vertical depth through strongly brecciated crystallinerocks (granite and gneisses). From both drillings, almost complete cores could berecovered for the entire depth. Samples every 20 m were measured with respect toporosity, density, magnetic susceptibility, electric resistivity and induced polarization(IP)-effect. The fracture frequency of the entire cores was mapped based onphotographs. For 8 sections of the crystalline rock core, the fractures were alsocharacterized by their relative orientation (Bäckström 2004).Logging resultsThe temperature of the drill holes was logged, and the drill hole on Björkö was alsologged with respect to electric resistivity (several methods), IP-effect, and waterinflow. (Ludvigson et al. 2001, Sträng and Wänstedt 2003). The temperature gradientis normal for crystalline shield areas, in the interval 15 – 20 km -1 , similar to thatfound for the Siljan deep drilling (Juhlin 1991). The temperatures at the bottom of thedrill holes was close to 20 o C. The water inflow measured in the brecciated crystallinebasement formations was very low (Ludvigsson et al. 2001). The electric resistivityvaries with the intensity of fracturing and the occurrence of conductive minerals(mainly sulphides and graphite) in parts of the gneisses. Fig 14.5. Discussion and ConclusionsIn crystalline rocks, porosity is exclusively linked to fracturing in fracture zones or inimpact structures. Impact structures are thus interesting targets for geothermal heatextraction when they approach dimension that provide large volumes of fracturedrock to depth where the local geothermal gradient provides high enough temperatures.Several such structures exist in the crystalline shield areas in northern Europe (Puuraand Plado 2004).The geophysical studies confirmed a higher than normal fracturing with the Björköstructure. The calculated temperature based on calculations in Dunwen (2004),approaches just over ca 105 o C at 5 km depth, Figure 17, and makes the depth intervalfrom 3 to 5 km interesting for geothermal heat extraction. A connected volume of atleast 15 km 3 of very low resistivity rocks occurs in the eastern, south eastern andsouthern part of the ring structure, Figure 18. This volume can be assessed by drillingfrom land at the eastern edge of the structure, where the distance to the nearest districtheating plant is ca 13 km, Figure 20.This kind of relatively low temperature geothermal energy resources could be evenbetter used if the district heating systems are constructed for circulation at lower watertemperatures.6

The hydraulic conductivity of impact fractured crystalline rocks is very low which hasbeen observed for the Siljan structure and also at Björkö, where it is 1.2 x 10 -9 ms -1 onaverage for the drill hole in the central part of the structure. Such a situation may be apositive factor, preventing the system from being open to uncontrolled in- or outflow.It requires however the application of hydraulic stimulation techniques to create asufficient large volume for the heat exchange.Experiments to determine the potential flow after hydraulic stimulation have beenplanned but remain to be financed. Sites have been selected around the central drillhole for hydraulic fracturing and seismic and acoustic monitoring of suchexperiments.6. RecommendationsIt is recommended to extend the investigation with hydraulic fracturing experimentsto study if hydraulic conductivity can be created in the brecciated rock at southernBjörkö. The fracturing should be monitored with seismic and acoustic measurements.For this experiment, GFZ in Potsdam is willing to contribute with 50% of the costs.In the area close to the large power line on western Ekerö, further MT measurementsare recommended, using controlled source technique in order to better outline theeastern margin of the structure at depth.The investigations of the relation between fracture intensity and electric resistivityshould be continued to further develop the MT technique for energy prospecting indeep crystalline rock.A deep drill hole to the target depth of 3 – 5 km into the coherent volume of lowresistive rocks should be drilled to confirm the results from the present investigationsand to perform measurements of rock physical properties at depth and to conductfracturing experiments. A suitable location is at Rasta on western Ekerö.If the results from deep drilling are promising, a test plant for geothermal energyretrieval from a pair of drill holes should be located at the Rasta drill site.7

1. BakgrundFörändrad syn i energipolitikenNationella och internationella riktlinjerSveriges energiförsörjning har sedan 1970-talet varit beroende av olja och kärnkraft.På senare tid har frågan om miljökvalitetsmål och uthållig energiförsörjning och inteminst inverkan på klimatet blivit viktiga.I 1997 års energipolitiska beslut upprättades ett program för ett ekologiskt ochekonomiskt långsiktigt hållbart energisystem. Omställningsprogrammets övergripandemål för energiforskning och energiteknikstöd är att minska kostnaderna för att utnyttjade förnybara energislagen så att de blir ekonomiskt bärkraftiga alternativ till kärnkraftoch fossila bränslen. Under de närmaste 10 till 15 åren skall inslaget av el- ochvärmeproduktion baserad på förnybara energikällor öka kraftigt. Bland annat skallforsknings- och utvecklingsarbete för energieffektivisering i bebyggelse- industri- ochtransportsektorn prioriteras.Klimatfrågan är en viktig drivkraft för arbetet med omställning av energisystemet,inte enbart i Sverige utan i hela världen. Som framgår av Kyotoprotokollet (1997) såmåste världens länder satsa på att minska de växthusdrivande utsläppen till enacceptabel nivå före år 2012. Koldioxidutsläppen är en av de mest problematiskaväxthusgaserna i atmosfären.Brundtlandrapporten som utarbetades i en FN-kommission ledd av förre norskestatsministern Gro Harlem Brundtland behandlade frågan om hållbar utveckling. Denbärande principen i rapporten är att ”mänskligheten har möjlighet att görautvecklingen hållbar – att säkerställa att den möter dagens behov utan att äventyrakommande generationers möjligheter att uppfylla sina behov”. I sin mest radikalauttolkning av Brundtlandrapporten innebär varje form av nettoresursuttag attkommande generationers behov äventyras. En viktig fråga handlar om världenslivsmedelsförsörjning för en ständigt växande befolkning. Frågan har en direktkoppling till energiförsörjningen då många vetenskapsmän använderlivsmedelsförsörjningen som ett argument mot att använda biomassa somenergiråvara. Förbränning av fossila råvaror innebär en minskning av framtidagenerationers möjligheter att använda fossila bränslen eller andra produkter sombaseras på dessa. Fossila bränslen kan ersättas med förnybar energi. Däremot finnsmed dagens teknik små möjligheter att finna ersättning till naturgas och olja vidplasttillverkning.Geotermisk energiEnergianvändningen i Sverige uppgår för närvarande till ca 400 TWh per år varav 150TWh hänför sig till bostäder. Ungefär 70 % av energianvändningen för bostäder gälleruppvärmning och varmvatten det vill säga omkring 105 TWh per år. Sverige har ettefter internationella mått sett stort utbyggt fjärrvärmenät och anses vara ledande iEuropa när det gäller fjärrvärmeteknik. År 2000 uppgick den sammanlagdafjärrvärmetillförda värmen till 45.7 TWh. Fjärrvärmetillförseln bedöms öka under denärmaste åren.I betraktande av 1997 års energipolitiska beslut förefaller geotermisk energi uppfyllamånga av de krav som ställs på alternativa energislag. Uttag av geotermisk energimedför ej koloxidutsläpp ej heller andra märkbara miljöstörningar eller storatransporter av råvaror. Två tredjedelar ( eller i bästa fall tre fjärdedelar) av energin fåsgratis från Jordens inre. När det gäller Björkö strukturen ligger den strategiskt8

gynnsamt i förhållande till tätbebyggelse och utbyggda fjärrvärmenät. Huvuddelen avstrukturen ligger under Mälarens vattenyta.Många fastighetsägare i Sverige har insett att geotermisk energi är gynnsamt attutnyttja. Antalet värmepumpar i landet bedöms vara 400 000 för närvarande.Försäljningen uppskattas ha uppgått till ca 40 000 per år under senaste åren. De flestavärmepumparna installeras i villor och hyreshus och utnyttjar geotermisk energi frånborrade brunnar till ett djup av 150 m till 180 m. Utnyttjandet av geotermisk energi istörre skala har endast skett i en anläggning som sedan 15 år tillbaka drivs av Lundskommun.Varmvattnet i denna anläggning pumpas från borrhål som är ca 300 m djupa.Under innevarande år utför Lunds kommun en ny borrning till ett djup av 3 500 m därvattentemperaturen är betydligt högre och där förväntningarna är stora att erhållamycket större energimängder än i den gamla anläggningen. På grund av lågpermeabilitet på detta djup har man beslutat att utvinna värme i ett grundare belägetsandstenslager på 1.5 till 1.9 km djup. Målsättningen är att täcka ca 40 % av Lundvärmebehov med det nya utförandet. Även i Malmö har ett borrhål utförts till sammasandstensformation för att utvinna geotermisk energi. Huvudman för dennaanläggning är Sydkraft AB.I flera länder utan vulkanisk aktivitet pågår storskaliga projekt för att utvinnageotermisk energi från stora djup. Samverkan planeras mellan dessa länder för attutbyta erfarenheter och för samordning av forskning och utveckling inom dessaframtidsområden. Sverige har fått erbjudan att ingå i denna samverkansgrupp. IBjörkö energi projekt deltar redan en arbetsgrupp från Soultzprojektet.I Blue Book on Geothermal Resources av Europeiska Kommissionen (1999) ges enöversikt över geotermiska energiresurser och geotermisk energianvändning i Europaoch globalt. Det är en strategisk plan för utvecklingen av den europeiska geotermisektorn.I bilagan ”Die neue Rolle der Geothermie” ges översikt över geotermiforskningoch -utveckling i Tyskland.Geotermisk energiutvinning i kristallin berggrund i urbergsområdenVid geotermisk energiutvinning utnyttjas den värme som berggrunden har erhållit pågrund av det ständigt pågående värmeflödet från jordens mantel där värmeuppkommer genom sönderfall av radioaktiva isotoper av uran, thorium och kalium.Energitransporten sker med konvektion i vulkaniskt aktiva områden (hög entalpiområden) och i övrigt med värmediffusion genom jordskorpan (låg entalpi områden).Geotermisk energi finns således överallt men tillgängligheten och intensitetenbestäms av lokala geologiska faktorer. En väsentlig egenskap hos geotermiskaenergisystem är att naturligt, i berggrunden förekommande vatten utgör det mediummed vilket energin förflyttas från berggrunden till användningen på markytan och attdetta kan göras i ett slutet kretslopp.En snabb temperaturökning mot djupet och stor genomsläpplighet för vatten äregenskaper som är till fördel för geotermisk energiutvinning. I urbergsområden ärtemperaturökningen mot djupet 15 till 20 K km -1 . Detta är betydligt lägre jämfört medplatformområden där urberget dessutom är täckt av ett isolerande sedimentlager (ochdär jordskorpan också är mindre mäktig), som i Skåne och på Gotland, där gradientenkan uppgå till 30 K km -1 . För att komma upp i höga temperaturer i urbergsområden9

Fig. 1. Temperaturökningen mot djupet (geotermisk gradient)för några typiska geologiska situationer. Den övre extremenförekommer i vulkaniska områden, den vänstra i områdenmed kristallint urberg (exemplet är den gradient som observeratsvid Siljan). Däremellan finns gradienter som är typiskaför områden med sedimentär berggrund och tunnare jordskorpa.Siffrorna anger temperaturen i o C i borrhålsbotten.(Den beräknade temperaturen för Björkö strukturen vid 5 kmdjup är markerad med +).The increase of temperature with depth (geothermal gradient)for some typical geological locations. The upper extreme occursin volcanic regions, the left in regions with crystalline basementrocks (the example is the gradients observed at Siljan). Betweenthese are gradients typical for regions with sedimentary rocksand thinner crust. The numbers denote the temperature in o C atthe bottom of the drill holes. (The calculated temperature for theBjörkö structure at 5 km depth is marked with +).behövs således borrning till stora djup. I figur 2 visas några typiska geotermiskagradienter i olika geologiska miljöer. Gradienten för Siljan är typisk för urbergsområden.(Den beräknade temperaturen, ca 105 o C på 5 km djup, för Björköområdethar lagts in med ett + tecken).Kristallin berggrund har också mycket låg vattengenomsläpplighet, 1 till 15 x 10 -10 ms-1, och därför har geotermiprojekt hittills koncentrerats till sedimentär berggrundmed naturlig högre vattengenomsläpplighet (t.ex. geotermianläggningen i Lund).Genom erfarenheter från oljeprospektering och oljeutvinning har man kunskaper omhur man på konstgjord väg med hydraulisk spräckning kan öka berggrundensvattengenomsläpplighet. Detta har också framgångsrikt tillämpats för spräckningar idjup kristallin berggrund för geotermiprojektet i Soultz (Weidler et al. 2002).Vattencirkulationen i en djupt belägen bergvolym sker från ett injektionsområde i ettdjupt borrhål där kallt returvatten återförs till berggrunden och till ettproduktionsområde i ett närbeläget djupt borrhål där varmt vatten tas upp till ytan.Pumparna som styr flödet placeras i den övre delen av borrhålen. Dessa borrhål kanha sin utgångspunkt på samma plats på markytan. Injektionsområdet ochproduktionsområdet placeras med så stort avstånd som det möjliga vattenflödetmedger och så att energiuttaget blir uthålligt över den ekonomiska livslängden.Tidigare spräckningsförsök i Sverige har utförts i Fjällbacka (Wallroth et al. 1999).Vid dessa försök kunde man påvisa att ökat vattenflöde erhölls mellan två borrhålefter att berggrunden spräckts hydrauliskt.Den potentiella energi E [W] som kan erhållas ur berggrunden är proportionell motprodukten av det möjliga vattenflödet F [kg s -1 ], temperaturavsäkningen ∆T [K] ochvärmekapaciteten k [J kg -1 ] hos det energibärande mediet, dvs E = F ⋅ ∆T ⋅ k. För attuppnå tillräcklig uthållighet krävs vidare att vatten kan cirkuleras utspritt över en storvärmeväxlande yta i berggrunden.10

Kyla och värmeBerggrunden är också ett möjligt medium för att ta ut kyla eftersommedeltemperaturen i den översta 1 km konstant ligger under 20 o C. Värme och kylakan produceras på samma plats på marken men på olika nivåer i ett kombineratgeotermiprojekt.NedslagsstrukturerJorden träffas ibland av stora meteoriter och av kometer. Det sker ganska sällan mensett över geologiska tidsrymder så har jorden utsatts för många sådana nedslag. I deflera miljarder år gamla urbergsområden har en ansenlig mängd större nedslag hunnitinträffa. I Skandinaviens urbergsområden är i dag över 20 sådana nedslagsstrukturerkända, se figur 2.Fig. 2. Större nedslagskratrar iSkandinavien och Baltikum.Large impact craters in Scandinaviaand the Baltic region.Den relativa fördel för geotermisk energiutvinning i kristallin berggrund somnedslagsstrukturer kan erbjuda är en ökad uppsprickning (brecciering) av storavolymer av berggrunden med en koncentrerad utsträckning på ytan och ned tillmycket stora djup. I Melosh (1989) illustreras detta med en utåt avtagandesprickbildning i en halvsfärisk volym under och omkring explosionspunkten sompåverkats av den tryckvåg som uppkom vid nedslaget. I stora komplexa kratrar (> 4km i diameter) tillkommer den sönderdelning av berggrunden som sker i sambandmed att kratersidorna störtar in och kraterbotten hävs upp. En nedslagsstruktur med 10km diameter kan därför ha en volym på ca 250 km 3 breccierad berggrund ned till ca5 km djup. Detta är avsevärt mycket större volymer än de som kan uppstå ikrosszoner i samband med berggrundsrörelser. Det saknas dock uttömmandeundersökningar över hur breccieringen i nedslagsstrukturer är fördelad i djup- och isidled. Den har påvisats till mycket stora djup vid djupborrningarna i Siljan (Juhlin11

1991) och i Puchez-Katunki (Masaitis and Pevzner 1999). Den är känd frångeofysiska data över den centrala delen i Siljan strukturen där det genomsnittligaavståndet mellan större vattenförande sprickzoner som indikeras av VLF (very lowfrequency) anomalier baserade på flygmätningar är ca 300 m, mot ca 1.2 km somförekommer i strukturens omgivningar (Henkel 1992). Den ökade breccieringen synsockså i berghällar i och intill kraterstrukturer och i geofysiska mätningar av denelektriska ledningsförmågan i berggrunden, t.ex. vid Dellen (Henkel 1992).En kartläggning av breccieringen kan således göras med geofysiska undersökningar.Hur den spruckna bergmassan fungerar för vattengenomströmning är däremot i stortsett okänt. Vid djupborrningen i Siljan befanns den hydrauliska konduktiviteten varamycket låg även i den breccierade berggrunden, vilket tyder på att spricksystementätats med mineralutfällningar. Den värmeenergi som överförts till berggrunden vidett stort nedslag gynnar uppkomsten av hydrotermala system där mineral lakas ur denbreccierade berggrunden och åter fälls ut beroende på lokala temperaturgradienter.Stora delar av dessa hydrotermala system karakteriseras av mineralutfällningar vidrelativt låga temperaturer med mineral med låg hållfasthet (som kalcit ochzeolitmineral).För att skapa cirkulation för vatten behöver således spricksystemen reaktiveras och dåär det en fördel om sprickmineralen har låg hållfasthet.I Sverige finns flera stora nedslagsstrukturer intill tätbebyggda områden, t.ex. Locknestrukturen söder om Östersund, Dellen strukturen med ca 20 km diameter väster omHudiksvall och Björkö strukturen väster om Stockholm.Idén, ansökan och strateginIdén att närmare undersöka en nedslagsstruktur med avseende på dess potential förgeotermisk energiutvinning dök upp på 80-talet när geologisk och geofysisk forskningkring nedslagsstrukturer återupptogs efter det att sådana fenomen i början på 70-taletför första gången påvisats i Sverige. Fanns det en tillräckligt stor nedslagsstrukturtillräckligt nära befintlig värmeinfrastruktur, så kunde det vara värt att undersöka dessenergipotential, se figur 3.Björkö strukturenBjörkö strukturen kunde antas vara orsakad av ett stort meteoritnedslag. Om så varfallet skulle en stor volym krossat berg i en halvsfärisk gryta med 5 km radie och entotal volym på 260 km 3 finnas i anslutning till en folkmängd på över 1 miljon.Temperaturgradienten kunde bedömas till 17 – 20 garder C per kilometer ökat djup,dvs. 70 – 80 grader på 4 km djup. Inom 10 – 15 km avstånd finns tre värmecentralermed utbyggda värmekulvertnät. En överslagsberäkning visade att mycket storaenergimängder kunde finnas lagrade i denna struktur, mer än 4000 TWh.Värmebehovet för hela Stockholms län uppgår till ca 20 TWh per år. Vid antagandetatt 100 000 enfamiljshus skall värmas upp med värme från strukturen kommertemperatursänkningen endast att bli ca 0.027 grader per år. Detta innebär attvärmekällan skulle kunna användas under många hundra år innan märkbar avkylningsker. Även om värmepumpar skulle erfordras för att höja temperaturen på detupptagna vattnet, så skulle ändå två tredjedelar eller kanske tre fjärdedelar av energinerhållas gratis från jordens inre utan koldioxidutsläpp eller andra negativamiljöeffekter.12

AnsökanIdén formulerades 1997 och stöddes av flera forskare på Stockholms Universitet ochpå KTH. Centrum för Miljövetenskap understödde kompletterande undersökningaroch utformningen av en ansökan till Energimyndigheten med 160 000 kr. En ansökanlämnades 1998 där medel begärdes för en utförligare undersökning med geofysiskaoch geologiska metoder och med djupborrningar. År 2000 beviljade Energimyndigheten7.5 Mkr för Björkö energiprojekt.Målsättningen var en beskrivning av Björkö strukturens lämplighet för geotermiskenergiutvinning och att finna metoder för prospektering efter breccierad berggrund påstora djup. Strategin var att stegvis få kunskaper som har betydelse för geotermifrågorsåsom sprickighetens utbredning, temperaturökningen med djupet ochvattengenomsläppligheten, bergspänningsfältet, samt berggrundens elektriskaegenskaper. Vidare att ringa in områden som var särskilt lämpliga för vidareundersökningar på djup där temperaturen är tillräckligt hög. Denna kunskap är sedanunderlag för att kunna lokalisera en testanläggning för geotermisk energiutvinning.Ansökan kompletterades då det snart visade sig att anslaget inte räckte till.Borrningarna var komplicerade och logistikkostnaderna betydande. Totalt erhöllprojektet 10.9 Mkr. Medel beviljades emellertid inte för experiment med konstgjordspräckning av berggrunden och därmed saknas fortfarande viktig kunskap ommöjligheterna för vattencirkulation som behövs för bedömningen avenergipotentialen.Fig. 3. Björkö strukturen i Mälaren väster om Stockholm. De tre stora värmeverken i Hässelby, Fittjaoch Igelsta är markerade (stora röda punkter) liksom de två djupa borrhål som borrats på önMidsommar och på södra Björkö ( röda prickar).The Björkö sgtructure in lake Mälaren west of Stockholm. The three large district heating plants inHässelby, Fittja and Igelsta are marked (large red circle) as well as the two deep drill holes that havebeen drilled on the island Midsommar and on southern Björkö (red dots).13

StrateginEn gradvis kunskapsuppbyggnad över de geologiska förhållandena vid ytan och pådjupet görs med kartering och provtagning i regional skala till ca 10 km utanförBjörkö strukturen. Provtagningen av berggrunden görs för att erhålla mätdata överbergarternas fysikaliska egenskaper, framförallt elektriska egenskaper och densitet.En förtätning av det befintliga glesa tyngdkraftnätet görs på land och påvattenområden. Dessa kunskaper skall sedan ligga till grund för utvärderingen avgeofysiska mätningar på marken och från luften. Elektromagnetiska mätningar utförspå land och vattenområden för att erhålla mätdata över berggrundens elektriskaresistivitet på djupet. Med hjälp av petrofysiska, gravimetriska och MT mätningarmodelleras Björkö strukturens utbredning på djupet.Marinseismiska undersökningar görs för att kunna avgränsa Mälarsandstenensutbredning. Borrningar görs för att klarlägga utbredningen på djupet avMälarsandstenen, bestämma berggrundens fysikaliska egenskaper på prover avborrkärnan och korrelationen med berggrundens sprickighet. I borrhålet mätstemperatur, elektriska och hydrauliska egenskaper.Med ledning av dessa data beräknas temperaturökningen mot djupet i Björköstrukturen. Om den breccierade berggrunden har låg hydraulisk konduktivitet prövasom berggrunden kan spräckas hydrauliskt. Platser som är lämpliga för endjupborrning till ett temperaturområde som är av intresse för geotermiskenergiutvinning undersöks. Konceptet för en djupborrning belyses.Av denna strategi återstår studierna och experimenten för att bedöma om berggrundenkan göras mera permeabel för vatten genom hydraulisk spräckning ochlångtidspumpning.14

2. Geologiska och geofysiska undersökningarGeologiGeologien i området kring Björkö är känd genom berggrundsgeologisk kartering pålandområden som utförts av SGU (Sundius 1948, Stålhös 1968, 1982, 1984,Gorbatschev and Kint 1961). Av dessa framgår att det söder om en väst-östlig linjesom tangerar södra Björkö huvudsakligen förekommer gnejsberggrund med tydligväst-östligt strykande och brant stående förskiffring. Norr om denna linje dominerarsvagt förgnejsade graniter med varierande orientering i förskiffringen och yngre granit(Stockholmsgranit) som har en ålder på 1.8 miljarder år (Wehlin 1992). Gnejsområdeti söder sammanfaller dessutom med den topografiska horst som sträcker sig i västöstligriktning genom Södermanland och Södertörn. I området kring SödraBjörkfjärden förekommer sandsten med jotnisk ålder (ca 1.5 miljarder år), dels på önMidsommar och dels på den västra delen av Ekerön. Utbredningen i sidled och pådjupet av denna sandsten har angivits till hela Södra Björkfjärden baserat påmarinseismiska undersökningar (Flodén et al. 1993). En hög sprickfrekvens hadeobserverats på södra Björkö som också kunde ses i mätningar av den elektriskaresistiviteten (Henkel 1992). På grund av sandstenens utbredning och förekomsten avsprickrik berggrund föreslogs att Björkö området bildats genom ett meteoritnedslag.Inför projektstarten bjöds professor Victor Masaitis in för en bedömning avmineralomvandlingar i berggrunden som kunde bekräfta idén om ett stortmeteoritnedslag. Fynd av 3 set med planara deformationslameller i kvartskorn frångranit på södra Björkö bekräftade tanken. Förekomst av ökad sprickighet omkringSödra Björkfjärden gav en ungefärlig uppfattning om den möjliga utbredningen avstrukturen som uppskattades till ca 10 km diameter.TektonikFörekomsten av större sprickzoner och rörelsezoner i berggrunden kan härledas urområdets morfologi och genom analysen av flyggeofysiska och markgeofysiskamätningar. Kartläggningen av sådana zoner är viktig för att kunna bedöma degeologiska sammanhangen och avgränsa enhetliga berggrundsblock. Störresprickzoner och rörelsezoner kan också fungera som vattenledande strukturer iberggrunden.I Södra Björkfjärden finns detaljerade uppgifter över vattendjupet som underlag försjökort. Dessa uppgifter sammanställdes och överfördes till ett digitalt nät med 50 mpunktavstånd som sedan kombinerades med motsvarande digitala höjddata, fig. 4.(Rodriguez Loudot 2002). Landytans och sjöbottens former visar att området tydligtpåverkats av blockrörelser utmed skjuvzoner, indikerade av förekomsten avlinsformiga berggrundsblock (skjuvlinser) och förkastningszoner, indikerade avförekomsten av terränghak (förkastningsbranter).Den flygmagnetiska kartan visar att stora områden har lågmagnetisk berggrund. Därmagnetiska anomalier förekommer kan man dock se att även det magnetiska mönstreti berggrunden är påverkat av förskjutningar utmed de stora skjuvzonerna.För geotermisk energiutvinning är en lokalisering i homogena bergrundsvolymerfördelaktig eftersom man där kan få bättre kontroll över vattenflödena. Förekomstenav större sprickzoner kan orsaka en kortslutning i vattenflödet mellaninjektionspunkten och uttagspunkten och de kan orsaka inläckning av vatten frånområden med lägre temperatur.15

SkjuvzonerEn större skjuvzon sträcker sig från Södertäljeviken (och vidare mot SSO) nordvästligriktning förbi Slandön. Zonen är den nordöstliga begränsningen till en stor skjuvlinssom mot sydväst begränsas av en skjuvzon som sträcker sig mellan Landsort ochSträngnäs. Skjuvzonssystemet kan följas vidare ut i Östersjön (Flodén et al. 1993).Från norr tillstöter flera zoner med NNV-lig riktning i Södra Björkfjärden och i en avdessa går farleden mellan Södertälje och Västerås.Figur 4. Geologi och tektonik i Björkö området mot bakgrund av en kombinerad djup och höjdkarta.Den gula linjen anger gränsen mellan det sydliga, mera regelbundet strukturerade berggrundsblocketoch det nordliga med varierande strukturriktningar. Gröna linjer markerar förkastningshak iterrängen som har ungefär samma riktning som Sörmlandshorsten. Röda linjer markerar hak imorfologien som hör ihop med det dominerande NNV-SSO-liga skjuvzonssystemet. Lila linje markerarden magnetiska Kärsö diabasen.Geology and tectonic features in the Björkö region with a combined bathymetric and elevation map asbackground. The yellow line marks the boundary between a southern, more regularly structured blockand the northern more variably structured. Green lines mark fault escarpments in the morphologywhich have roughly the same direction as the Sörmland horst. Red lines mark escarpments in themorphology that are related to the predominant system of NNV-SSE shear zones. Pink line marks themagnetic Kärsö dyke.16

FörkastningszonerSöder om fjärden höjer sig Sörmlandshorstens i flera steg utmed väst-östligaförkastningszoner. Dessa avbryts och förskjuts av det nordvästliga skjuvsystemet.Seismiska undersökningarFrån tidigare marinseismiska undersökningar angavs mäktigheten för den jotniskasandstenen till ca 300 m och utbredningen mot norr och väster sträckte sig antagligenutanför det uppmätta området (Flodén et al. 1993). Oberoende kunskap omsandstenens utbredning behövs för att kunna bedöma utbredningen av breccieradberggrund som baseras på elektromagnatiska metoder enär både sandsten ochbreccierad berggrund kan ha likartad elektrisk ledningsförmåga. Förnyademarinseismiska undersökningar genomfördes därför för att bättre kartlägga denjotniska sandstenens utbredning. Resultaten är redovisade i Flodén och Bjerkéus(2003) och sandstenens utbredning enligt de seismiska undersökningarna återges ifigur 5.Fig. 5. Den jotniska sandstenens utbredning enligt tolkningen av de marina reflektions- ochrefraktionsseismiska mätningarna (blå linje), och enligt tolkning av MT mätningarna (röd linje ochröda siffror som anger min. resp. max djupet). Läget för den magnetiska Kärsö diabasen visas ocksåliksom utbredningen av minimat i tyngdkraftsresidualanomalin. Siffrorna 1 – 4 anger platsen för merdetaljerade områdesstudier. (B Bornhuvud, K Kurön, M ön Midsommar, P ön Pingst, S Slandön).The extent of the Jotnian sandstone according to the interpretation of the marine reflection- andrefraction seismic measurements (blue line), and according to interpretation of MT measurements (redline and red numbers showing min. and max. depth). The location of the magnetic Kärsö dyke is shownas well as the extent of the low of the residual gravity anomaly. The numbers 1 – 4 indicate locationsfor more detailed studies. (B Bornhuvud, K Kurön, M island Midsommar, P island Pingst, S Slandön).17

Borrningen på ön Midsommar visade att sandsten förekom ned till betydligt störredjup än man kunde härleda från den seismiska undersökningen. Mätningar av p-vågshastigheten på prover från borrkärnan visade så småningom att sandsteneninnehåller lager med högre p-vågshastighet som tolkades som den underliggandekristallina berggrunden. Det framgår också att skillnaden i p-vågshastighet mellansandsten och breccierad kristallin berggrund är för liten för at denna gränszon skallkunna upptäckas. De seismiska undersökningarna ligger däremot till grund försandstenens utbredning i sidled och de ger en detaljerad bild av djupet tillberggrunden under det kvartära sedimenttäcket.Flyg- marin- och markmagnetiska mätningarFlyggeofysiska mätningar utförda av SGU visar att den mesta berggrunden (gnejser,gnejsgraniter och graniter) är lågmagnetisk i området för Björkö strukturen. Stråk medhögre magnetisering förekommer endast i gnejsområdena i Sörmlandshorsten ochberör Björkö strukturen endast i det sydligaste randområdet.KärsödiabasenI den norra delen av Björköstrukturen förekommer en magnetisk anomali från enVSV-ONO strykande diabasgång som tydligt avviker med sin riktning inom Björköstrukturen. Häll av diabasen upptäcktes på Kärsön och gav möjlighet att ta orienteradebergartsprover för bestämningen av diabasens remanenta magnetisering.Fig. 6. Flygmagnetisk karta över Björköområdet. Dislokationszoner är markerademed svarta linjer. Björkö strukturen(cirkel) ligger helt inom lågmagnetiskberggrund med Kärsö diabasen somenda magnetiska struktur.Aeromagnetic map of the Björkö region.Dislocation zones are marked with blacklines. The Björkö structure (circle) liesentirely within low magnetic bedrockwith the Kärsö dolerite as the only magneticstructure.Dessa mätningar låg sedan till grund för modellberäkningar av diabasens stupningbaserad på markmagnetiska mätningar på norra Björkö och på de marinmagnetiskamätningar som utförts parallellt med de marinseismiska undersökningarna. Det visadesig att diabasen är sönderbruten och att delarna har roterats till en brantare stupninginom Björkö strukturen (Bäckström et al. 2003).18

Mälar sandstenens mäktighetI sydligaste delen av Björkfjärden strax utanför Södertäljeviken förekommermagnetiska anomalier i gnejser som har använts för bestämning av djupet till denorsakande strukturens översida. Det visar sig att djupet är större än det seismiskbestämda djupet till berggrunden och att det således förekommer sandsten (som ärlågmagnetisk) även i den delen av fjärden med en mäktighet på ca 300 m som ökarmot norr. Från tolkningen av MT data kan sandstensmäktigheten uppskattas ochvarierar mellan 100 m och upp till 2.5 km. I figur 5 har dessa uppskattade mäktigheterlagts in tillsammans med en trolig utbredning. Sandstenen ger sig också tillkännagenom den låga tyngdanaomli som förekommer sydöst om Björkö, där den med MTmätningarna uppskattade mäktigheten är som störst. Av sanstenshällarna på önMidsommar framgår at strykningen är nära väst-östlig och uppåtriktningen i lagringenär mot norr. Detaljerade undersökningar av borrkärnan visade att sandstenens lagringstupar ca 40 grader (mot norr).PetrofysikEn regional provtagning av bergarterna utfördes för att bestämma de fysikaliskaegenskaperna densitet och magnetiserbarhet. Dessa uppgifter är sedan ett underlag föranalysen av tyngdkraftsmätningar och magnetiska mätningar. Dessutom mättes denelektriska resistiviteten på hällområden för att få bakgrundsvärden för tolkningen avde magnetotelluriska undersökningarna. Densitet, magnetiserbarhet, remanentmagnetisering, elektrisk resistivitet, porositet, seismisk p-våghastighet och induceradpolarisations (IP) effekt mättes också på standardiserade prover av borrkärnorna. Deregionala petrofysiska data har lämnats till SGU:s nationella databas och finnsredovisade i Bäckström and Henkel (2003).Fig. 7A (övre). Fördelningenav bergarternas densitet iBjörkö området.Sandsten (romber) och breccieradkristallin berggrund(kvadrater) har den lägstadensiteten. Gnejs (trianglar)har betydligt högre genomsnittligdensitet.B (nedre). Densitetens variation med djupet iborrkärnan på södra Björkö.(Upper). Distribution of density in the Björkö region.Sandstone (diamonds) and brecciated crystalline rocks(squares) have the lowest density. Gneiss (triangles)have significantly higher average density.(Lower). The variation of density with depth in the drillhole on southern Björkö.19

DensitetBerggrundens densitet påverkas av bergarternas sammansättning och av porositeten.Den jotniska sandstenen har en låg porositet, varierande mellan 0.5 och 5.5 % och igenomsnittt ca 1.5 %, vilket också leder till en minskning av den elektriskaresistiviteten. Den kristallina berggrunden har normalt endast mycket obetydligporositet (mindre än 0.5 %), den kan däremot öka i sprickzoner och i annan breccieradberggrund och resulterar då i en minskad densitet. Effekten varierar från –30 (granit)till +7 (granodiorit) och är i genomsnitt ca – 12 kgm -3 (Bäckström and Henkel 2003).I breccierad berggrund är sprickorna ofta fyllda med mineralutfällningar och iBjörköområdet är det sericit och kalcit som är det mest vanliga sprickmineralet.Genom att kalcit har en högre densitet än bergarter med felsisk till intermediärsammansättning, så kan breccierade bergarter få en högre densitet är den ickebreccierade berggrunden. Densitetsbestämningar är avgörande för en noggrann analysav tyngdkraftsmätningar.Elektrisk resistivitet och IP effektBergarternas elektriska egenskaper ligger till grund för analysen av elektriska ochelektromagnetiska mätningar. Den elektriska ledningsförmågan (och dess invers denelektriska resistiviteten) beror på bergartens innehåll av elektriskt ledande mineral(framförallt sulfider och grafit), porositeten och porvattnets ledningsförmåga. Detytnära grundvattnet (ned till ca 1 km djup i kustnära områden) har oftast mycket lågeller ingen salthalt, medan djupare grundvatten alltid innehåller mycket lösta salter(jfr. resultaten från djupa borrningar vid Laxemar, Ekman 2001). Denna salthalt ökarden elektriska ledningsförmågan avsevärt och särskiljer därmed porös eller breccieradberggrund från opåverkad berggrund.Innehållet av elektriskt ledande mineral gör att berggrunden kan få en induceradpolarisation. Denna IP effekt kan mätas på bergartsprover och genom borrhålsloggning.Genom en kombination av mätningar och genom att korrelera depetrofysiska egenskaperna med sprickigheten kan man isolera den del av denresulterande elektriska resistiviteten som hör ihop med berggrundens brecciering.Fig. 8. Fördelningen av elektriskresistivitet från hällmätningar påkristallina bergarter. (Bäckström andHenkel 2003).A (övre). Breccierad kristallinberggrund (romber) har den lägstaresistiviteten.B (nedre). Sandsten (trianglar) harresistiviteter kring 1000 Ω m.The distribution of electric resistivityobtained from measurements on rockoutcrops (Bäckström and Henkel 2003).(Upper). Brecciated crystalline rocks(diamonds) have the lowest resistivity.(Lower.) Sandstone (triangles) hasresistivities around 1000 Ωm.20

TyngdkraftsmätningarTyngdkraftsmätningar återspeglar fördelningen av densiteten i berggrunden. Därmedkan utbredningen av bergarter kartläggas om de har avvikande densitet på grund avskillnader i sammansättning eller porositet och brecciering. Kompletterandetyngdkraftsmätningar utfördes på land kring Björköstrukturen och på isen i SödraBjörkfjärden, Hovgårdsfjärden och Prästfjärden i en omgivning upp till 10 km utanförBjörkö strukturen. Tyngdkraftsfältet domineras av en tydlig väst-östlig regionalgradient från Sörmlandshorstens höga värden till ca 20 mgal lägre nivåer norr omhorsten. Denna gradient orsakas av djupa och storskaliga strukturer som i dettaområde sammanfaller med horstens utsträckning. En residualanomali på – 4.5 mgalerhölls över området sydöst om södra Björkö där också sandstensmäktigheten baseradpå tolkningen av MT mätningar är som störst. Mätningarna har gjorts med en dämpadLaCoste gravimeter och resultaten har lämnats till SGU:s nationella databas.Avvikelsen i tyngdkraften, anomalin (A) är proportionell mot kontrasten (k) i densitetoch en funktion (f) av volymen (V) samt omvänt proportionell mot avståndet (d) ikvadrat, dvs. A = k ⋅ f(V) ⋅ d -2 . Av detta framgår att det är avgörande att kontrasten idensitet är känd för att kunna utsäga något om den geologiska struktur som orsakaranomalin. Om den geologiska strukturen når upp till markytan så är därmed ocksåavståndet till dess överyta känd, vilket avsevärt förbättrar möjligheten att modelleraden geologiska strukturens utbredning på djupet.Fig. 9. Residualanomali i tyngkraften sedan ett regionalfält (en andragradsyta) har subtraherats. Denlägsta tyngdanomalien (blått område) förekommer i området med den mäktigaste sandstenen.Gravity residual anomaly after subtraction of a regional field (a second degree surface). The lowestgravity anomaly (blue area) occurs in the region with maximum thickness of sandstone.21

Undersökningar med elektriska metoderMed vertikal elektrisk sondering (VES) kan man bestämma resistivitetsfördelningenmot djupet, ner till ca 1 km (beroende på topografiska begränsningar). Mätningar påsödra Björkö visade att under ca 50 m högresistivt berg och ned till ca 1 kmförekommer berggrund men en mycket låg resistivitet på ca 1000 Ωm. Mätningar vidJungfrulund, där sandstenblock förekommer rikligt, visar att sandsten kan förekommaned till flera 100 m djup. Liknande resultat erhölls för mätningarna vid Rasta (Fig.10). Sandstenen har en resistivitet på 500 till 1200 Ωm som mätts på hällar (Fig. 6B).Figur 10. VES mätningar på södra Björkö, vid Jungfrulund och Rasta. Mätningarna indikerar attsandsten förekommer vid Jungfrulund och norr om den kända förekomsten vid Rasta på Ekerön.Djupskalan (vertikal) är logaritmisk (m) liksom resistivitetsskalan (horisontell) Ωm.VES measurements on southern Björkö, at Jungfrulund and Rasta. The measurements insdicate thatsandstone occurs at Jungfrulund and north of the known occurrence at Rasta on Ekerö. The depth scale(vertical) is logarithmic (m) as well as the resistivity scale (horizontal) Ωm.Elektromagnetiska (magnetotelluriska, MT) mätningarEfter flera testmätningar gjordes områdestäckande mätningar på land och på is.Sammanlagt 40 stationer mättes av vilka 26 gav tolkningsbara resultat inomBjörköstrukturens område. Den stora kraftledningen på Ekerön (liksommobiltelefonisändaren på norra Adelsö) störde MT mätningarna på flera km avståndoch därför saknas MT data från den östliga randen av Björkö strukturen.Djupavkänningen för MT mätningarna med de våglängder som använts är större än 5km. Vid 1-dimensionell modellering erhålls en vertikal profil över resistivitetensvariation med djupet. Fig 11 visar två horisontella snitt där resistiviteten interpoleratsmellan MT stationerna (de med svart punktmarkering).Elektromagnetiska (very low frequency, VLF) mätningarMätningar av den elektriska resistiviteten på plats (in-situ) kan göras med VLF-Rtekniken. Mätningar för att fastställa den översta bergrundens resistivitet har gjorts påde berghällar där bergartsprover för petrofysiska undersökningar tagits ut och därsprickmätningar utförts, samt i 4 områden som kan vara potentiella platser för22

fortsatta studier. Djupavkänningen är ned till ca 400 m (beroende på resistiviteten).Mätningarna visar utbredningen av breccierad berggrund och sandsten, dvs. dematerial som kan ha låg resistivitet (lägre än 10 kΩm), i kontrast till var opåverkadberggrund förekommer (med resistiviteter > 10 kΩm). I området vid Rasta ochutanför Björkö strukturens sydöstra rand tyder VLF-R mätningarna på att sandstenförekommer som ett medelresistivt skikt över den kristallina berggrunden.Fig. 11. Resultat från MT mätningar i form av resistivitet vid djupen 3 km (vänster karta) och 5 km(högra kartan), efter Oskooi and Pedersen (2003). Värden under 10 3.2 Ωm indikerar lågresistivberggrund. (Värden utanför den tunna polygonlinjen i den vänstra bilden är extrapolerade).Results from MT measurements as resitivity maps for the depth 3 km (left) and 5 km (right),respectively, after Oskooi and Pedersen (2003). Values below 103.2 Ωm indicate low resistive bedrock.(The values outside the thin line in the left map are extrapolated).23

3. SprickmätningarFig. 12. Sprickfrekvens mätt på berghällar och i borrkärnanfrån södra Björkö (Bäckström 2004).A ( övre ) I den breccierade berggrunden är sprickfrekvensenca 20 gånger högre än i normal kristallin berggrund.B (högra) Sprickfrekvensen i borrkärnan är starktvarierande men genomgående hög med ett typiskt värdepå 50 m 2 / m 3 medan den är ca 2.5 i normal berggrund.Fracture frequency measured on rock outcrops and thedrillcore from southern Björkö (Bäckström 2004).(Upper). The fracture frequency is about 20 times higherin the In the brecciated bedrock as compared to normalcrystalline rocks.(Lower). The fracture frequency in the drill core isstrongly variable but generally high with a typical value of50 m 2 / m 3 while it is ca. 2.5 m 2 / m 3 in normal rock.Björköstrukturen undersöktes med avseende på sprickfrekvens på 19 hällområden.Resultaten är sammanfattade i figur 12 A. Borrkärnornas sprickfrekvens bestämdesmed ledning av fotografier av borrkärnorna. Resultaten för borrhålet på södra Björköses i figur 12 B. Sprickfrekvensen mättes på en yta av 3x3 m på hällar med lågsprickighet, huvudsakligen utanför Björkö strukturen och på 1x1 m ytor därsprickigheten var stor, huvudsakligen inom strukturen. Sprickorna markerades medvit färg varefter ytan fotograferades. Efter rektifiering digitaliserades sprickorna ochden 3-dimensionella sprickfrekvensen beräknades, Bäckström (2004). Den 3-dimensionella sprickfrekvensen som erhölls från borrkärnan på södra Björkööverensstämmer med den som erhölls från hällmätningarna i de sprickrika områdena,figur 12 A. Sprickarean har beräknats genom antaganden om sprickytornas form ochutbredning från ytan där deras längd i markytan är uppmätt. Förekomsten av närahorisontella sprickor (som inte kan ses i en berghäll med horisontell utbredning) ärkänd från undersökningarna av borrkärnan från borrhålet på södra Björkö.Beräkningsmetoden och resultaten redovisas i Bäckström (2003).24

En detaljerad studie av den relativa sprickorienteringen gjordes i 8 sektioner påvardera ca 6 m längd på borrkärnan från södra Björkö. Dessa avsnitt är markerademed öppna fyrkanter i figur 12 B. (Motsvarande uppskattning baserad på fotografierär markerade med fyllda trianglar). Upp till 14 olika sprickorienteringar förekommeroch bekräftar de sprickfrekvenser som baserats på fotografier av borrkärnan.Bergmassan saknar dominerande sprickriktningar och kan sägas vara isotroptbreccierad.Sprickfrekvens i och utanför Björkö strukturenPå fem lokaler utanför Björkö strukturen visar sprickfrekvensundersökingen värdenpå 2 till 4 m -1 (eller m 2 /m 3 ). På en lokal nära strukturens östra rand är den 13 m -1 .I strukturens ringdel förekommer sprickfrekvenser från 1.5 till 42 m -1 i 8 lokaler och iden centrala delen varierar den mellan 28 och 51 m -1 och är uppmätt på 5 lokaler.Inom strukturens centrala delar är sprickfrekvensen ca 20 gånger större än utanförstrukturen.Sprickfrekvens uppmätt i borrkärnanFigur 12 B visar sprickfrekvensen baserad på analysen av fotografier av kärnorna(markerade med x) i sektioner på ca 6 m längd. Den varierar mellan 20 och 150 m -1och är i genomsnitt ca 50 m -1 . På 8 av sektionerna gjordes direkta mätningar påkärnorna för att också erhålla den relativa orienteringen av sprickorna ochsprickfyllnadens tjocklek. Dessa avsnitt är markerade med öppna fyrkanter i figur 12B. Motsvarande bestämning baserad på fotoanalysen är markerade med fylldatrianglar. I några fall har sprickfrekvensen underuppskattats vid fotoanalysenberoende på förekomst av mörka sprickfyllnader i en mörk bergart.Sprickmineral och elektriskt ledande mineralSprickmineralen har undersökts mikroskopiskt på 25 tunnslip som gjorts på proverfrån borrkärnan från södra Björkö. Det dominerande sprickfyllnadsmaterialet ärsericit, följt av kvarts och kalcit. Dessutom förekommer klorit, laumontit, sulfider ochgrafit (Broman 2002). I 14 av tunnslipen observerades en grafitförande bergart nästanutan sprickor, med spridda flagor av grafit, som ibland förekommer mellan fragment.Grafiten har en kristallinitet som motsvarar hög metamorfosgrad och halterna kanvariera mellan 1 och 12 %. Förekomsten av halter över 1 % återspeglas i högre IPvärden (se fig. 14).På 3 polerade tunnslip från borrkärneprover med bakgrundresistivitet och låga IPvärden analyserades förekomsten av opaka mineral. De mineral som förkommerdisseminerade (som spridda korn) är pyrit och grafit i mycket små mängder (igenomsnitt ca 0.5 %) och spår av magnetit och magnetkis (Ekström 2003).25

4. BorrningarTre områden bedömdes som viktiga att undersöka med djupa borrningar. Delscentrum av strukturen på södra Björkö, dels sandstensområdet på ön Midsommar ochvid Rasta på Ekerön. Borrningarna utfördes efter upphandling med EU standard avDrillcon AB med wirelineteknik och med en borrdiameter på 76 mm. Den störrediametern valdes på grund av förmodade svårigheter att få ett stabilt borrhål i denbreccierade berggrunden om en mindre diameter användes. Borrplatserna förbereddesmed en cementplatta och en angöringspunkt för tunga sjötransporter. Endast 2 av deplanerade borrningarna kunde genomföras, på ön Midsommar och på södra delen avBjörkö. Borrkärnorna förvaras på Sveriges Geologiska Undersökningsborrkärneförråd i Uppsala.MidsommarBorrningen framskred stadigt ner igenom den jotniska sandstenen men krävde flerakostsamma cementeringar. Kärnförlusten var dock obetydlig. Borrdjupet överskredsnart sandstenens förmodade mäktighet på ca 300 m och avbröts på 960 m djup därdet fortfarande visade sig vara sandsten. Fortsatt borrning bedömdes som vanskligpå grund av alltmera trasig berggrund. Ur borrhålet kom ljummet något salthaltigtvatten med självtryck. Borrkärnan undersöktes genom två examensarbeten påinstitutionen för Geologi och Geokemi vid Stockholms Universitet. Standardiseradeprover av borrkärnan togs var 20 m för bestämning av sandstenens petrofysiskaegenskaper. Borrhålets MID01 koordinater i RT 90 är: 1598410.6E och 6577043.8N(kurs 1E1450, 2001).Södra BjörköBorrningen gjordes i breccierad berggrund strax söder om Björkö strukturens centrumned till 920 m djup. Den översta delen av berggrunden bestod av granit, följt av ensektion med gnejs och övergick mot djupet i varierande bergartstyper med inslag avgrafitförande spickfyllnader. Variationen i bergartssammansättning kan ses ispridningen av densiteten, figur 7B. Berggrunden var starkt breccierad i helaborrhålet.Borrningen avbröts när den kommit in i den i en närbelägen MT mätpunkt indikeradelägre resistiviteten. Den övre gnejssektionen ger en tydlig lågresistiv anomali iloggningen (Figur 14) och korrelerar med den övre anomalin i MT mätningarna frånsödra Björkö om stupningen är ca 70 grader mot norr. Borrhålets BJO01 koordinater iRT 90 är: 1599738.6E och 6578287.9N (kurs 1E1450, 2001).26

5. Loggning av borrhålet på södra BjörköTemperaturTemperaturen loggades i båda borrhålen närborrningarna hade avslutats. Bottentemperatureni borrhålet på södra Björkö var 22 o C. Temperaturökningenmot djupet är inte linjär, den ökar efterca 250 m djup. På ön Midsommar är temperaturökningenmed djupet mindre och den djupastebestämningen vid 680 m djup (borrhålet hadehunnit bli opasserbart för mätinstrumentet viddetta djup) visade nästan 2 grader lägre temperaturän på motsvarande djup på södra Björkö.Skillnaden beror på sandstenens höga kvartshaltoch låga porositet, vilket ger en högre värmeledningsförmåga(och därmed en avkylande effekt).Elektrisk resistivitet och IP effektBestämningen av de elektriska egenskaperna(resistivitet och IP effekt) i berggrunden äravgörande för analysen av de elektriska ochelektromagnetiska undersökningarna.Resistiviteten loggades med flera olikastandardmetoder av Geosigma AB(Ludvigsson et al. 2001, Sträng ochWänstedt 2003). I sektionen från ca 70 m tillca 140 m förekommer förhöjda IP värden, sänktresistivitet och högre vattenflöde – se figur 14.Under 310 m djup är IP värdena genomgåendemycket låga med endast enstaka indikationerpå upp till 10%.Fig. 13. Temperaturvariation med djupet för borrhålen påön Midsommar (MID01)och på södra Björkö (BJO01).Den lägre temperaturen genom sandstenen beror på dessstörre värmeledning jämfört med kristallin berggrund.The temperature variation with depth in the drill holes onthe island Midsommar (MID01) and on southern Björkö(BJO01). The lower temperature in sandstone depends on itslarger thermal conductivity compared to crystalline rocks.VattenflödeMätningar av vattenflöden gjordes av Geosigma AB med Posiva Flow Log ochdifferensmätning av flödet i avskärmade testsektioner på 5 m längd. Mätningargjordes mycket detaljerat i steg på 1 m för att detektera vattenförande zoner27

(Ludvigsson et al. 2001). Vattenflödet i den breccierade berggrunden i borrhålet påsödra Björkö var mycket litet, ca 1 l min -1 i genomsnitt. Detta svarar mot en mycketlåg hydraulisk konduktivitet på 1.2 x 10 -9 m s -1 . I några enstaka sprickzoner i övredelen av borrhålet förekom flöden på upp till 15 l h -1 (skalan är i ml h -1 ). Enstakavattenförande zoner förekommer från 37 m till 600 m djup, varefter borrhålet ärmycket tätt.Fig. 14. Loggningar som genomförts i borrhålet på södra Björkö (Ludvigsson et al. 2001). Småvattenflöden förekommer i samband med några enstaka sprickzoner. I genomsnitt är berget mycket tätttrots att det är mycket sprickrikt. Den elektriska resistiviteten visar dels på förekomsten av elektrisktledande mineral och dels på förekomsten av elektriskt ledande grundvatten i den porositet somrepresenteras av sprickorna i berggrunden. Hög IP effekt markerar var elektriskt ledande mineral(sulfider och grafit) förekommer.Loggings of the drill hole on southern Björkö (Ludvigsson et al. 2001). A small inflow of water occursin connection with a few fracture zones. The rock is on average very tight although it is very fractured.The electric resistivity indicates occurrence of conductive minerals and conductive ground water in theporosity that is represented by the fractures in the bedrock. A high IP effect indicates where conductiveminerals sulphides and graphite) occur.BergspänningsfältetOrienteringen och styrkan i den horisontella komponenten i spänningsfältet kanbestämmas genom hydraulisk spräckning med inversionsmetoden där man observerarvilka sprickorienteringar som reagerar på övertryck och vilka nya sprickriktningarsom uppkommer. Sådana hydrauliska tester utfördes i borrhålet på södra Björkö av28

Swedpower AB. Resultaten har redovisats i Ask (2003). Av experimenten framgår attden maximala horisontala huvudspänningen är några MPa lägre än vad som är käntvid andra försök i kristallin berggrund i Fennoskandien och att spänningsfältet ärorienterat i NV-SO efter ca 300 m djup. Nya sprickor uppstod i rikningsintervallet130 – 210 o och 300 – 10 o . I mellanliggande intervall reaktiverades existerandesprickor. Inversion av de erhållna mätdata för en prognos av spänningssituationen påstörre djup visar att den minsta horisontella huvudspänningen är nära denöverliggande berggrundens vikt ned till ca 0.5 km djup. Under detta djup föreliggerstrike-slip förhållanden ned till minst 7 km djup.Hållfasthetsundersökning av intakt och breccierad berggrundTriaxiala tester av hållfastheten av breccierade och intakta delar av kärnor av granitoch gnejs från borrhålet på södra Björkö har utförts av Strömhag (2003). Den intaktaberggrunden visade sig ha en lägre enaxial tryckhållfasthet ( 120 MPa för granit och97 MPa för gnejs) än vad som vanligen förekommer i fennoskandisk berggrund. Denbreccierade berggrunden hade en hållfasthet av endast ca 30 % respektive 13 % avdet intakta berget vid en sprickfrekvens på 50 m -1 . Det föreligger ett tydligt sambandmellan sprickfrekvens och hållfasthet för granit. För gnejs är sambandet mindretydligt på grund av bergartens gnejsstruktur. Ur dessa samband kan hållfasthetenuppskattas för den breccierade bergrunden på större djup där dock motsvarandeskillnader i hållfasthet avtar med djupet.29

6. Områden för lokalisering aven testanläggningFig. 15. Områden som har undersöktsoch beskrivits närmare för lokaliseringav ett djupt borrhål och en testanläggningför geotermisk energiutvinning.Areas that have been described in moredetail for the location of a deep drill hole anda potential test site for geothermal energyretrieval.Fyra områden undersöktes mera i detalj med avseende på deras förutsättningar förlokalisering av djupa borrhål och en testanläggning, figur 15. I förutsättningarna harockså ingått att platserna skall ligga på land och att måldjupet för djupborrningenantas vara ned till 5 km och ligga inom den delen av Björkö strukturen som uppvisarsammanhängande volymer lågresistiv berggrund – dvs ringstrukturens södra till östradel. Vidare att det finns tillgång till vatten för omfattande hydrauliska tester ochmöjligheter till väganslutning för tunga transporter. En redovisning av förutsättningarför ett djupt borrhål och kostnadsberäkningar har gjorts i en rapport av Whörl (2003).1. Södra Björkö är bäst undersökt geologiskt och geofysiskt med ett djupt borrhål ochflera MT mätningar. Dessa visar att resistiviteten är något högre på det urtemperatursynpunkt intressanta djupavsnittet. Området har ingen vägförbindelse ochhar därför inte utretts vidare i den rapport om djupborrningsplatser som tagits fram avICDP (Whörl 2003) och som ligger till grund för bedömningen av de följande treplatserna.2. Området utanför den sydliga randen av Björköstrukturen vid Underås är urlogistisk synpunkt mycket lämpligt. Där finns utbrutna grustag och vägar för tungtrafik. Området ligger dock för långt från lämpliga bergvolymer inom strukturenvilket kräver mycket långa borrhål. Området ligger också sydväst om den storaskjuvzonen som tangerar Björkö strukturen som måste borras igenom för att kommain i strukturen.3. Området vid Jungfrulund (norr om Högantorp) ligger närmare Björköstrukturenintill dess sydöstra rand och det saknas större tektoniska zoner i riktningen in motstructurens ring. Mot nordväst finns huvuddelen av Björkö strukturenssammanhängande lågresistiva berggrund på djupet 3 till 5 km. Det finnsvägförbindelser som kan byggas ut för tung trafik och markanvändningen präglas avkalhyggen. Det är ett fördelaktigt läge med hänsyn till närheten till Södertälje.4. Rasta på västra delen av mellersta Ekerön ligger innanför Björkö strukturens östrarand och inom ringstrukturen. Det finns väg för tung trafik i närheten ochmarkanvändningen är för närvarande skogsbruk (delvis hyggen) och entravträningsbana. Denna plats är mest lämpad eftersom man har det kortasteborravståndet för att komma in i strukturens lågresistiva del på djupet 3 till 5 km.30

Rasta är också en bra plats med hänsyn till utbredningen av den sammanhängandevolymen lågresistiv berggrund. För denna del av Björkö strukturen saknas emellertidMT mätningar (på grund av kraftiga störningar från den närbelägna storakraftledningen) och den östra delen av strukturens utbredning mot djupet är därförinte närmare känt. I detta område bör därför MT mätningar med kontrollerad källaprövas. Vid Rasta finns också bebyggelse med fritidshus (se figur 20) vilket ställerhögre krav på t.ex. bullerskyddande åtgärder vid borrning och tester i borrhål. Dettahar beaktats i utredningen av Whörl (2003).31

7. Radioaktiv värmeproduktionBerggrund som innehåller naturliga radioaktiva isotoper av uran, torium och kaliumavger värme på grund av det radioaktiva sönderfallet. I jordskorpans granitberggrundär dessa halter ibland förhöjda och bidrar till ett ökat värmeflöde. I Björköområdet harden radioaktiva värmeproduktionen för de olika bergarterna beräknats med hjälp deflygradiometriska mätningar som utförs av SGU i samband med den geofysiskakarteringen av landet (Jagloo 2003). Den genomsnittliga värmeproduktionen iberggrunden (2.6 – 4.6 µWm -3 ) visade sig vara tämligen lika för de tre huvudgruppernabland bergarterna: yngre granit, gnejs och gnejsgranit. Värden > 4.6 µWm -3förekommer spridda i hela området medan värdena < 2.6 µWm -3 dominerar i densydöstra delen av området.8. Hot fractured rock (HFR) teknikHFR teknik är samlingsbegreppet för geotermisk energiutvinning i djup berggrund därtemperaturen är hög och där man genom konstgjord spräckning skapar förutsättningarför vattencirkulation. Spräckningen sker via övertryck i borrhål som når ned tillmålområdet med den önskade temperaturen. Det viktigaste resultatet av forskningeninom detta område är att skjuvning utmed befintliga sprickor är den avgörandemekanismen för att utöka den permeabla bergvolymen. När berggrundens befintligaspricksystem öppnas eller nya sprickor bildas, uppstår seismiska pulser somregistreras på marken eller i grunda borrhål. Analysen av dessa pulser resulterar i enbild över sprickmolnets utbredning kring borrhålet. Denna utbredning beror påspänningsfältets och de befintliga spricksystemens orientering och kartläggningen avmolnets utbredning ligger till grundför var efterföljande borrhål kan förläggas(Weidler et al. 2002).Fig. 16. Exempel på hur man med seismiska registreringar kan kartlägga effekten av spräckningsförsökpå stora djup i berggrunden. Genom övertryck i vardera av två borrhål uppkommer ett moln avsprickbildningar (den vänstra delen i figuren). De sprickor som är gemensamma kan ses i den högradelen av figuren och representerar den skapade värmeväxlingsvolymen (Weidler et al. 2002).Example of seismic registrations to monitor the effects from hydraulic fracturing at large depth in thebedrock. By overpressure in each of the two drill holes, a cloud of fractures is created (the left part ofthe figure). The fractures which are in common for both boreholes are seen in the right part of thefigure and represent the created heat exchange volume (Weidler et al. 2002).32

Tekniken har framgångsrikt prövats i geotermianläggningen i Soultz, fig. 16, och enutförlig genomgång av geologiska förutsättningar ges i Evans et al. (1992) ochWeidler et al. (2002). Bland de viktigaste förutsättningar märks förekomsten av storavolymer breccierad bergrund och att större förkastningszoner kan undvikas.I djupgeotermiprojektet vid Soultz i Frankrike har spräcknings- och cirkulationstesterframgångsrikt genomförts i djupområdet 4.4 till 5 km mellan två borrhål med ca 600m separation. I Soultz projektet pågår nu borrningen av det tredje ca 5 km djupaborrhålet. De tre borrhålen börjar på samma plats på marken och är ca 600 mseparerade på måldjupet. De är orienterade i samma riktning som den störstahorisontella huvudspänningen. Det i mitten belägna borrhålet används för att återföradet avkylda grundvattnet som erhållits ur de två andra borrhålen (Soultz 2004).I Tyskland prioriteras för närvarande forskning och utveckling av geotermi. Dettagäller speciellt ”torr berggrund”, dvs. i berggrund utan porositet och utan naturligpermeabilitet för vatten, där man räknar med att utvecklingen av hydrauliskspräckningsteknik och effektivare borrteknik gör det möjligt att utnyttja berggrundensvärme från relativt stora djup för både el och värmeproduktion. En kortsammanfattning av situationen ges i bilagan ”Die neue Rolle der Geothermie”.33

10. SlutsatserGeotermisk energi finns överallt och karakteriseras av den lokala geotermiskagradienten samt berggrundens hydrauliska konduktivitet. Tidigare studier av dengeotermiska energipotentialen i Sverige har koncentrerats på områden med högrevärmeflöde (i sedimenttäckta områden) och radioaktiv värmeproduktion (i yngregraniter). Av dessa geologiska miljöer har sedimenttäckta områden en störregeotermisk gradient och dessutom kan naturligt permeabla bergarter förekomma isedimenttäcket. I kristallin berggrund, som dominerar i Sverige, är den geotermiskagradienten låg och berggrunden har dessutom mycket låg permeabilitet. Denradioaktiva värmeproduktionen även i yngre graniter med höga halter av naturligaradioaktiva isotoper är för liten för att generera högre värmeflöden. Försök har ocksågjorts att utnyttja krosszoner för geotermisk energiutvinning, eftersom dessa kan ha enrelativt större permeabilitet. Den begränsade volymen krossat berg i sådana zoner ärdock en starkt begränsande faktor liksom risken för att sprickzonerna om de ärpermeabla kan läcka in respektive ut vatten på ett svårkontrollerat sätt. Även isprickzoner kan man förvänta sig att sprickorna är igensatta med mineral.Undersökningar av större nedslagsstrukturer för geotermisk energiutvinning har inteprövats tidigare. De är av betydelse därför att sådana strukturer kan ha enjämförelsevis mycket stor volym sprickrik berggrund. Även i detta fall kan dockspricksystemen vara igensatta av mineral. För att uppnå tillräckligt stor permeabilitet ikristallin berggrund används hydraulisk spräckning (även på stora djup) ochutveckling av kunskap om denna teknik är avgörande för utsikterna att kunna utnyttjageotermisk energi i Sverige. För Björköstrukturen har hittills utförda undersökningarlett till kunskaper om temperaturgradienten i området och volymen sprickrikberggrund.Temperaturökningen med djupetEtt djupborrhål och en testanläggning harsitt lämpligaste målområde i ringdelen avBjörkö strukturen där det beräknas förekommaen stor sammanhängande volymbreccierad berggrund, dvs under sandsten.Fig. 17. Beräkning av temperaturökningen mot djupetunder de djup där temperaturen blivit uppmätt i borrhålen.Vid 5 km djup uppskattas temperaturen vara ca105 o C (Dunwen 2004).Calculation of the temperature increase with depthbelow the level where temperatureas have been measuredin the drill holes. At 5 km depth the temperatureis estimated to be 105 o C (Dunwen 2004).34

Därför har en temperaturprognos gjorts som baseras på de temperaturloggningarsom utförts i borrhålet på ön Midsommar och på beräkningar av värmeledningen isandstenslagret ovanför den breccierade berggrunden (Dunwen 2004). Prognosenvisar temperaturer på ca 105 o C på 5 km djup i Björkö strukturen, fig. 17.Temperaturökningen med djupet är i genomsnitt ca 20 K km -1 , vilket är högre än densom observerats i Siljan djupborrningen. En anledning till detta förhållande kan varaförekomsten av yngre granit med förhöjd halt av naturliga radioaktiva isotoper iomgivningen till Björkö strukturen, som höjer värmeflödet något. En studie av denradioaktiva värmeproduktionen baserad på flygradiometriska mätningar (avgammastrålningen från de naturligt förekommande radioaktiva isotoperna) har utförtsav Jagloo (2003).Ökningen i gradienten vid ca 1.3 km djup beror på sandstenens bättre värmeledningvarigenom den ovanför brytpunkten belägna berggrunden kyls av. (En alternativförklaring kan vara en kvardröjande effekt från den senaste nedisningen för mer än10 000 år sedan).Volym berggrund med låg resistivitet med temperatur >60 o CEn sammanställning av resultaten från MT mätningarna visar att förekomsten avlågresistiv berggrund i Björkö strukturen, Fig 19 (Tzu-chun 2003). I den östra,sydöstra och södra delen av ringstrukturen finns en sammanhängande volymlågresistiv berggrund i djupintervallet 3-5 km på ca 15 km 3 . Det är detta område sombör vara målet för en undersökning med ett djupt borrhål. Som jämförelse kan nämnasatt den bergvolym som kan utnyttjas för värmeutvinning med hjälp av två borrhål medca 500 m avstånd är ca 0.125 km 3 . Den lägre resistiviteten i den kristallinaberggrunden tillskrivs ökad porositet dvs. ökat innehåll av elektriskt ledandegrundvatten. Denna porositet orsakas av brecciering och den lågresistiva berggrundenkan är därför antas vara mera breccierad än vanlig kristallin berggrund.Den från MT tolkningarna erhållna fördelningen av lågresistiv berggrund ikombination med förekomsten av jotnisk sandsten har använts för att ta fram enmodell baserad också på tyngdkraftsanomalin i området (Henkel och Katuzi 2004),figur 19. I denna modell har sandsten (delstruktur (1) i figur 19) den lägsta densitetenoch Björköstrukturen representeras av breccierad gnejs (2) med lägre densitet änopåverkad gnejs. Volymerna av båda dessa bergarter ger en negativ tyngdanomalisom överlagrar den regionala trenden. Den minsta djuputbredningen av sandsten på ca1 km ger den största djuputbredningen av breccierad gnejs på ca 6 km. Den störstadjuputbredningen (enligt analysen av MT mätningarna) av sandsten, ca 2.5 km, ger ettdjup på ca 5 km för breccierad gnejs. Den regionala gradienten har modellerats somett ca 4 km högt steg med 70 o stupning mot norr och m med väst-östlig strykning(delstruktur (4) i figur 19). Mot norr förekommer gnejsgranit med lägre densitet (ängnejser) och spridda förekomster av yngre granit. Detta representeras av delstruktur(3) i modellen. Delstrukturerna 1 och 2 har begränsad utsträckning vinkelrätt motprofilen.35

Fig. 18. Sammanställning av berggrundenselektriska resistivitet i djupintervallet3 –5 km under de platserdär MT mätningar utförts. Den centraladelen av Björkö strukturen harnågot högre resistivitet än ringdelen,där en samlad volym på ca 15 km 3lågresistivt berg förekommer. Varjekub är 0.125 km 3 . Områdena mellandessa har liknande egenskaper.Resistiviteten är genomsnittet över500 m intervaller av de 1-dimensionellamodeller som erhållits frånMT mätningarna (Tzu-chun 2004).Compilation of the electric resistivity of the bedrock in the depth interval 3 – 5 km under places whereMT measurements have been made. The central part of the Björkö structure has somewhat higherresistivity compared to the ring part, where a volume of 15 km 3 low resistive bedrock occurs. Eachcube is 0.125 km 3 . The regions between these have similar properties. The resistivity is the averageover 500 m intervals of the 1-dimensional models that were obtained from the MT measurements (Tzuchun2004).Fig. 19. Profil från SSO mot NNV genom Björköstrukturen baserad på tyngdkraftsmodellering. 1 –sandsten med ca 1.5 km mäktighet, 2- breccierad gnejs, 3 – gnejs och granit med låg densitet i norradelen av Björköområdet, 4 - den regionala strukturen som orsakar den stora gradienten i södra delenav Björkö strukturen (Sörmlandshorsten) och som har en annan orientering än Björkö strukturensolika delar (jfr. kartan figur 8).Profile from SSE to NNW through the Björkö structure based on gravity modeling. 1 – sandstone withca 1.5 km thickness, 2 – brecciated gneiss, 3 – gneiss and granite with low density in the northern partof the Björkö region, 4 – the regional structure that causes the large gradient in the southern part of theBjörkö structure (the Sörmland horst) and which has a different orientation compared to the variousparts of the Björkö structure36

Hållfasthet i den breccierade berggrundenDen intakta berggrunden har något lägre hållfasthet än vanlig kristallin berggrundmedan den breccierade berggrunden har en avsevärt lägre hållfasthet som är koppladtill sprickfrekvensen. Denna skillnad reduceras vid höga tryck (stora djup iberggrunden). Skillnaden beror framför allt på att svaga sprickfyllnadsmineral ärvanliga. Breccierad gnejs har avsevärt lägre hållfasthet än breccierad granit.Lämplig plats för en testanläggningFig. 20. Området vid Rasta på västradelen av Ekerön ligger innanför randenpå Björkö strukturen. Området vid A kanvara lämpligt för en etablering av ettdjupt borrhål och en framtida testanläggning.The area at Rasta on the western part of Ekerönis located inside the edge of the Björkö structure.The area at A is considered suitable for thelocation of a deep drill hole and a future test site.Av de fyra mera i detalj undersökta områdena har Rasta på västra Ekerön de bästaförutsättningarna för lokaliseringen av ett djupt undersökningsborrhål och eneventuell testanläggning. Här befinner man sig som närmast, ca 1 km, från densammanhängande volymen med lågresistiv berggrund och avståndet tilltransportvägar är inte för stort. En djupborrning kräver ett arbetsområde på ca 10 000m 2 och en tillfartsväg för tung trafik.EnergipotentialSom framhållits redan i ansökan till Statens energimyndighet om finansiering tillBjörkö energiprojekt innehåller den av meteoritnedslaget söndersprucknaberggrunden en total energimängd på mer än 4 000 TWh. Värmebehovet för helaStockholms län uppgår till ca 20 TWh per år. Tre värmecentraler med utbyggdafjärrvärmenät ligger inom ett avstånd på ca 15 km från eventuella uttagspunkter ikraterstrukturen. Vid antagandet att 100 000 enfamiljshus skall värmas upp sker entemperatursänkning i strukturen med 0.027 grader per år. Detta innebär attvärmekällan kan användas under många hundra år innan märkbar avkylning sker.En djupgeotermi anläggning med två borrhål med 3 till 5 km djup och med 0.5 kmseparering har en energipotential på ca 15 MW värme om temperaturen kan sänkas37

med 40 K och flödet är 100 l s -1 . Från samma plats kan ytterligare borrhål ledas tillangränsande bergvolymer varvid energipotentialen ökar med 15 MW för varje nyttborrhål. En sådan anordning kräver att returvattnets borrhål får en tillräckligdimension för att balansera produktionsflödet från omkringliggande borrhål. De ca 15km 3 breccierad berggrund som är ett lämpligt målområde har en energipotential på ca1.8 GW.Energiprospektering med MT mätningarDe undersökningar som utförts med MT teknik har efter testmätningar i områdetbefunnits vara en viktig metod för att kartlägga berggrundsresitivitet ned till storadjup. Sambandet mellan sprickfrekvens och resistivitet har kunnat fastställas i Björköstrukturen för berggrund ned till gränsen för salt grundvatten. En fortsatt studie översambandet även i berggrund med salt grundvatten har avbrutits på grund av bristandefinansiering. Därför kan bara den generella slutsatsen dras att lågresistiv kristallinberggrund måste innehålla en högre porositet än normal kristallin berggrund även närsalthaltigt grundvatten förekommer. I Björkö området tillkommer problemet medförekomsten av elektriskt ledande mineral i delar av gnejserna. Av de studier som hargjorts på borrkärnan från södra Björkö framgår dock att sådana mineral mestförekommer i begränsade zoner och i övrigt i mycket små mängder (Ekström 2003och Broman 2003)..Bidrag till nationella databaserResultaten från tyngdkraftsmätningarna och de regionala petrofysiska mätningarna påbergartsprover har lämnats till SGU:s nationella databaser. Borrkärnorna och endokumentation av dessa har lämnats till SGU:s borrkärnsförråd och kan därmed blitillgängliga för ytterligare forskning.38

11. RekommendationerDen tröghet mot förändringar av befintliga energisystem som finns hos de etableradeenergiföretagen bör ej få hindra utvecklingen av alternativa energislag som på långsikt uppfyller de mål som uppställts i samförstånd i FN eller i de politiska beslut somhar fattats i Sveriges riksdag.Flera förhållanden som är betydelse för utvärderingen av energipotentialen för Björköstrukturen återstår att undersöka. Några av dessa förhållanden gäller generellafrågeställninger kring geotermisk energiprospektering och -utvinning i kristallinberggrund.Det finns olika sätt att använda värmen från de djupa borrhålen för uppvärmning avbostäder eller för kylning av industrier, sjukhus eller kontor. Det gäller såväl lågtemperatur som hög temperatur på värmesystemet. I bilagan Teknik och system förutnyttjande av värme finns detta närmare belyst.Det krävs en testanläggning för produktion av varmvatten för att närmare fastställastrukturens permeabilitet, kapacitet mm. Vid borrning till 4 000 m erhålles envattentemperatur av ca 75 o C. Med värmepumpar kan denna temperatur höjasytterligare så att värmen kan utnyttjas i befintliga värmecentraler och fjärrvärmenät.På längre sikt kan också övervägas om nuvarande system för husuppvärmning skallkonverteras till lågtemperatursystem.SpräckningsförsökEftersom det visade sig att den breccierade berggrunden i centrum på Björköstrukturen inte i sig är vattengenomsläpplig, så bör fortsatta studier ochundersökningar koncentreras på hur vattengenomsläppligheten kan ökas på konstgjordväg genom hydraulisk spräckning och långtidspumpningar. Försök med sådan teknikhar varit framgångsrika på mycket stora djup i kristallin berggrund i Soultz. Vid dessaexperiment användes seismiska registreringar vid ytan för att följaspräckningsförloppet på djupet. För Björkö strukturen föreslås ettspräckningsexperiment med hjälp av två grunda (ned till 250 m) borrhål intill detborrhål som redan finns på södra Björkö. Även här bör seismisk övervakninganvändas kompletterad med akustisk registrering i grunda borrhål. Det befintligaborrhålet används för flödesmätningar i motsvarande djupavsnitt. Geo ForschungsZentrum (GFZ) i Potsdam har visat intresse att medverka i ett sådant experiment ochställa egen utrustning och personal till förfogande. Förberedande markgeofysiska ochgeologiska undersökningar har utförts i området kring det befintliga borrhålet och detföreligger en detaljerad plan för upprättande av det seismiska övervakningssystemet.Spräckningsförsöken har kostnadsberäknats till ca 4 Mkr, varav samarbetspartnernGFZ är beredd att bidra med 50%. Försöket kan startas inom en planeringsperiod på 4månader och pågår under ca 2 månader. Med ledning av resultaten frånspräckningstester kan berggrundens reaktion på större djup härledes med hjälp avhydromekanisk modellering.39

MT mätningar i området som störs av kraftledningI området väster om den stora kraftledningen på västra Ekerön har MT mätningar intekunnat genomföras på grund av de stora störfält som kraftledningen ger upphov tillinom 2 km avstånd. För att överbrygga dessa problem bör MT mätningar medkontrollerad källa prövas. Om de befinns fungera tillfredsställande, bör 3 stationermätas inom Björkö strukturens östra rand och 1 station utanför området.Fortsatta studier av sambandet mellan sprickfrekvens och elektriska egenskaperFör att MT mätningar skall kunna bli en användbar metod för energiprospektering påstora djup i kristallin berggrund krävs ytterligare teoretiska studier och mätningar föratt fastställa sambanden mellan sprickfrekvens och elektrisk ledningsförmåga i olikageologiska situationer och i olika typer av berggrund. Lämpliga strukturer attundersöka för detta ändamål är breda skjuvzoner och stora nedslagskratrar (t.ex.Dellen). Fler undersökningar av hållfasthet i breccierad berggrund är också avintresse för geotermisk prospektering.Djupt borrhålEfter utvärderingen av spräckningsförsöken bör ett borrhål utföras till måldjupet 3- 5km in i den sammanhängande lågresistiva berggrunden under Björkö strukturens östraring. Den bästa lokaliseringen av ett sådant borrhål är vid Rasta på östra Ekerön. Iborrhålet undersöks temperatur, sprickighet, vattenflöde, elektriska egenskaper,grundvattnets kemi och spänningsfältet. Efter avslutade undersökningar görsspräckningstester med seismisk övervakning och pumptester för att få underlag förbedömningen hur ett andra borrhål bör placeras. Med kännedom om möjligavattenflöden och volymen permeabel berggrund kan en noggrann beräkning avenergipotentialen göras. Borrningen kan göras vinkelrätt mot den horisontellahuvudspänningen i bergrunden. Avvikelsen från vertikal borriktning är högst 30grader, vilket inte är problematiskt för borrningens genomförande.Ett djupt borrhål från Rasta ned till 4 km djup inklusive borrhålsundersökningar är avICDP kostnadsberäknat till ca 70 Mkr (Whörl 2003). Till detta kommer kostnader fören kortare väganslutning, spräckning och pumptester, ca 6 Mkr. Förberedandeplanering kräver ca 6 månader. Borrningen och undersökningarna pågår under ca 7månader. Ett arbetsområde på ca 10 000 m 2 behövs för etableringen. En detaljeradrapport om utförande och lokalisering av en djupborrning för Björkö projektet ges iWhörl (2003).TestanläggningTestanläggningen kräver ytterligare ett djupt borrhål till målområdet och envärmeväxlaranläggning samt avsättning för den värme som kan produceras viafjärrrvärmeanslutning. För testanläggningen utnyttjas undersökningsborrhålet förvattenuttag och det nya borrhålet bör dimensioneras så att det kan tjäna sominjektionshål för en framtida utvidgning med ytterligare borrhål.40

Flodén, T., Söderberg, P. and Wickman, F-E. 1993: Björkö – a possible MiddleProterozoic impact structure west of Stockholm. Geologiska Föreningen i StockholmFörhandlingar 115-1, 25-38.Flodén, T., and Bjerkéus, M., 2003: Marine seismic and magnetic investigations ofthe Björkö structure in lake Mälaren. Dept. of Geology and Geochemistry, StockholmUniversity, Report 16 pp and maps.Evans, K.F., Kohl, T., Hopkirk, R.J., and Rybach L, 1992: Modelling of EnergyProduction from Hot Dry Rock Systems. Institut für Geophysik, ETH Zürich. Report316 pp.Gorbatschev, R. and Kint, O. 1961: The Jotnian Mälar sandstone of the Stockholmregion, Sweden. Bulletin of the Geological Institutions of the University of Uppsala40, 51-68.Henkel, H. 1992: Geophysical aspects of meteorite impact craters in eroded shieldenvironments, with special emphasis on electric resistivity. Tectonophysics 216: 63-89.Jagloo, K., 2003: Radiogenic heat production in the Björkö area. KTH-LWR-EGGreport, 11 pp.Juhlin, C. 1991: Scientific summary report of the Deep gas Drilling Project in theSiljan ring impact structure. Vattenfall Utvecklings AB, Report U(G) 1991/14.Älvkarleby, Sweden. 257 pp.Kurs 1E1450, 2001: Birkaprojektet – Resultat från Integrerat projektarbete – Databasför Björköprojektet. KTH Institutionen för Geodesi o Fotogrammetri, 30 pp.Ludvigsson, J-E., Pöllänen, J., and Rouhanen, P., 2001: Measurements of differenceflow, temperature, electric conductivity of borehole water, and single point resistancein borehole BJO 01. Geosigma AB. Report 14 pp and appendicies.Masaitis, V.L., and Pevzner, L.A., 1999: Deep drilling in the Puchez-Katunki impactstructure. VSEGEI Press. St. Petersburg, 392 pp.Melosh, H.J. 1989: Impact Cratering. A Geologic Process. Oxford University Press,245 pp.Melosh, H.J., and Ivanov, B., 1999: Impact crater collapse. Annual Reviews of Earthand Planetary Science 27:385-415.Oskooi, B., and Pedersen, L.B., 2003: Magnetotelluric studies on Björkö impactstructure, west of Stockholm. Dept. of Earth Sciences Uppsala University, Report 125pp.Pedersen, L.B., Zang, P., Juhlin, C., and Rasmussen, T., 1990: Evaluation of electricalresitivity results from the Siljan impact region. Vattenfall Report U(G) 1990-55, 39pp.43

Puura, V., and Plado, J., 2004: Settings of meteorite impact structures in theSvecofennian crustal domain. In: C. Koeberl and H.Henkel (eds): Impact Tectonics –Proceedings of the 8 th workshop of the European Science Foundation ScientificProgram on the Response of the Earth System to Impact Processes. Springer, in press.Rodriguez Loudot, S., 2002: Integration of digital elevation data and bathymetricdata of the Björkö structure. Royal Institute of Technology, TRITA-INFRA EX02-046, 47 pp.Soultz 2004: European Deep Geothermal Energy Programme – European EconomicInterest Group “Heat Mining”. http://www.soultz.net.Sträng, T., and Wänstedt, S., 2003: Geofysisk borrhålsloggning i borrhål BJO 01 påBjörkö och MID 01 på Midsommar. Geosigma AB, Rapport 15 pp och bilagor.Strömhag, M., 2003: ”Multiple failure state” tri-axial testing of fractured core samplesfrom BJO 01 borehole, Björkö impact crater, Sweden. Dept. of Land and WaterResources Engineering, Royal Institute of Technology, TRITA-LWR Master Thesis03-08, 58 pp.Stålhös, G., 1969: Beskrivning till Stockholmstraktens berggrund. SGU Ba 24.Stålhös, G., 1982: Beskrivning till berggrundskartan Strängnäs SO. SGU Af 142.Stålhös, G., 1984: Beskrivning till berggrundskartan Strängnäs NV och SO. SGU Af144-145.Sundius, N., 1948: Beskrivning till berggrundskartan över Stockholmstrakten. SGUBa 13.Tzu-chun, C., 2004: GIS visualization of complex geoscientific data of the Björköstructure. KTH-LWR-EGG, TRITA-LWR Master Thesis 03-29, 58 pp.Viksten, M., 2003: Mälarsandstenens sedimentologi och petrologi. Del II:Midsommarkärnans övre del. Institutionen f Geologi och Geokemi, StockholmsUniversitet. Examamensarbete, 37 pp och bilagor.Wallroth, T., Eliasson, T. & Sundquist, U. 1999: Hot dry rock research experiments atFjällbacka, Sweden. Geothermics 28, 617-625.Wehlin, E., 1992 Isotopic results of the Proterozoic evolution of southern -centralSweden / review and conclusions. GFF 114 299/312.Weidler, R., Gerard, A., Baria, R., Baumgaertner, J., and Jung, R., 2002: Hydraulicand micro-seismic results of a masive stimulation test at 5 km depth at the Europeanhot-dry rock test site Soultz, France. Proceedings of the 27 th Workshop onGeothermal Reservoir Engineering. Stranford University, California. 6 pp.Wöhrl, T., 2003: How to drill the Björkö impact structure for geothermal exploration?GFZ Potsdam ICDP / OSG Report, 42 pp.44

BilagorTeknik och system för utnyttjande av värme(Per Lundqvist, Docent, Energiteknik, KTH)Det finns flera olika möjligheter där värme från djupa borrhål kan användas föruppvärmning i omkringliggande kommuner. Det som är avgörande för teknikvalet ärå ena sidan den tillgängliga temperaturnivån vid olika djup kontra kostnad förutvinning av värmen och å andra sidan erforderlig temperaturnivå för nyttiggörandeav värmen den byggda miljön. Tidigare har detta diskuterats med energibolag och enslutsats har varit att det skulle vara svårt att uppnå den temperaturnivå som erfordrasför fjärrvärme utan att utnyttja eldrivna värmepumpar.I detta PM visar vi att det finns betydlig fler frihetsgrader och att skillnaden mellanvad som går att göra här jämfört med de värmepumpinstallationer som idag finns iStockholms fjärrvärmesystem med avloppsvatten som värmekälla är betydande. Viskisserar i denna översikt fyra olika tekniska lösningar. De fyra är:Direkt värmeväxling mot lågtemperaturssystem,Värmetransformatorer,Kall fjärrvärme (kallas ibland mellantemperatursystem),”Polygeneration” baserad på biobränsle eller naturgas.Dessa lösningar kan tecknas in i en fyrfältsmatris där de två axlarna motsvarartemperaturnivån på värmeutnyttjandet från kratern och systemets komplexitet.Låg temperaturpå värmesystemHög temperaturpå värmesystem”Low tech”Direkt värmeväxling tillny bebyggelseVärmtransformator”High tech”Kall fjärrvärme:distribuerade systemmed värmeåtervinningPolygeneration:Gas eller biobränsleMöjlighet till el,kyla och värmeproduktionDirekt värmeväxlingDirekt värmeväxling kan sägas vara den enklaste lösningen med också den som ställerstörst krav på den nya bebyggelsens energisystem. Att kalla den ”low-tech” är kanskeinte riktigt men den ger i alla fall enkel teknik på tillförselsidan. Man kan idag utförabostäder med lågtemperaturssystem för uppvärmning där distributionssystemets45

temperatur i golvvärmesystem kan ligga på ca 30°C. Detta tillämpas dock idag endasti huvudsak på enfamiljshus. Det innebär att direkt värmeväxling eller till och meddirekt inkoppling till distributionssystemet från borrhål kan ske. Eventuellt kan dettasystem förses med spetsvärme baserad på biobränsle för att klara vissa effekttoppar.Valet av energitäckningsgrad är en ren optimeringsfråga där ett helhetsperspektivkrävs.VärmetransformatorEn värmetransformator fungerar enkelt uttryckt som en omvänd absorptionsvärmepump.Genom att tillföra värme på en mellantemperaturnivå kan en delmängd avvärme omvandlas till en högre temperaturnivå. Hur stor del beror påtemperaturnivåerna i systemet. En värmetransformator kräver kylning vid en lägretemperaturnivå som i detta fall kan ske med kallt sjövatten vintertid. Även här är detfrågan om en intressant optimering. Om ett djupare borrhål väljs fås en högreverkningsgrad på värmetransformatorn på grund av den högre temperaturnivån.Nackdelen är naturligtvis den ökande borrkostnaden. Även här gynnas system avlägre temperaturnivåer och spetsvärme med t.ex. biobränsle kan vara ett sätt atttotaloptimera systemet. Det är sällan som 100% energitäckning är lämpligt då det ärstora skillnaden i erforderlig toppeffekt mellan 90 och 100% energitäckning. Försmåhus kan det skilja upp till 50%!100°C AnvändbarvärmeDrivenergi60°C20°CVärme tillomginvingenNackdelen med denna lösning är att endast en del av värmen kan utnyttjas. Jämförtmed den senare varianten med s.k. polygeneration blir det erforderliga borrhålet upptill flera gånger mer omfattande. Rent allmän kan man nog säga attvärmetransformatorn gynnas av låga kostnader på drivvärmen, dvs. spillvärme frånindustriella processer.Följande exempel visar hur en värmetransformator skulle kunna hanteraenergiflödena. Om 15 MW värmeenergi kan uttas vid temperaturen +50 o C från ettdjupt borrhål och om värmetransformatorn kan kylas till +5 o C, så kan envärmetransformator (med rimliga antaganden om verkningsgrad) få en värmefaktorom ca 0.6 om den nyttiga värmes avges vid +90 o C. Detta innebär att 15 MWvärmeenergi omvandlas till 9 MW tillgänglig värmeenergi vid +90 o C temperatur. Omden önskade temperaturnivån i stället sänks till 80 o C ökar värmefaktorn till 0.75 ochman får då ut 11 MW värmeenergi vid 80 o C temperatur (en termodynamiskverkningsgrad (enligt Carnot) om 70 % är antagen).46

Kall fjärrvärmeTanken bakom denna lösning är att utnyttja värme vid en betydligt lägretemperaturnivå. Genom en cirkulationskrets distribueras vatten som energibärare tilllokalt utplacerade värmepumpar so arbetar under mycket gynnsamma förhållandenmed höga värmefaktorer. Vissa system kan sannolikt direktkopplas. Tillgängligaspillvärmekällor som industrier, livsmedelsbutiker etc. koppas in och får avge värmetill kretsen. Om temperaturnivån blir för hög lagras värmen i borrhålet. Man kan sägaatt borrhålet fungerar som en buffert. Tekniken är synnerligen intressant och relativtoprövad. En lösning har bl.a. provats vis universitet i Bergen (se nedan). I dettasystem lyfter en stor värmepump värme ur sjövatten till en högre temperaturnivå.Detta skulle alltså ej behövas i Björkö energiprojekt.Potentiella fördelar för systemtypen:• Högre systemverkningsgrad - goda verkningsgrader (hög köld- ochvärmefaktor tack vare låga temperaturlyft och låga kulvertförluster).• Lägre investeringskostnader i kulvertnätet då mycket lite isoleringerfordras.• Fördelning av investeringarna i tiden. Stora delar av investeringen kan tasnär inkoppling av en ny kund sker.• Hög flexibilitet - samtidigt kyl och värmebehov t.ex.+60° CEnkel mellancirkulationskrets+50°C++-+6-12°CVärmekälla/sänkaQ10° C+15/+25°CExempel: Universitetet i BergenQ1 = 1.1 MWBara lokala värmepumparVid kylbehov värmeväxlas motcirkulationskretsen. Cirkulationskretsenvärmeväxlas mot sjövatten.PolygenerationIdén med denna lösning är att utnyttja såväl biobränsle (eller naturgas) för att drivasystemet. Med hjälp av värmedriven värmepumpteknik uppgraderas temperaturnivån.En schematisk skiss av ett sådant system återges nedan. De finns många olika sätt attrealisera processen och nedanstående skall endast ses som ett exempel. Idén är attdriva en kraftprocess med biobränsle eller naturgas. En integrerad värmepumpanvänds för att ta vara på värmen i kratern.47

BiobränsleKraftprocessVärmepumpVärme från KraterDe två pilarna som lämnar processen ovan representerar nyttig värme till fjällvärme.Eftersom värmepumpen i sig kräver ungefär en del drivenergi för fyra delar avgivenenergi och kraftprocessen ger ca en del nyttigt arbete för ca tre delar tillförd energikan faktiskt en värmefaktor på två uppnås. Med detta menar vi att den tillfördaenergin från biobränsle eller naturgas fördubblas i fjärrvärmesystemet! Alltså: Tredelar tillförd energi ger sex delar nyttig energi till fjärrvärme. Hälften av den nyttigaenergin kan alltså tas från kratern.48

Die neue Rolle der Geothermie.8. Geothermische Fachtagung vom 10.-12. November 2004, Landau/PfalzMit mehr als 300 Teilnehmern aus neun Ländern war die 8. Geothermische Fach-tagung, dievom 10.-12. November in Landau in der Pfalz stattfand, die bisher größte Veranstaltung ihrerArt in Deutschland. Ihr Titel "Die neue Rolle der Geothermie," wurde schon allein dadurcheindrucksvoll bestätigt. Der Kongress präsentierte das gesamte Spektrum von Forschung,Entwicklung, Finanzierung und Anwendungs-möglichkeiten, über Stromerzeugung undFernwärmelieferung, bis hin zu Heizen und Klimatisieren von Einzelgebäuden und zurEnergiespeicherung. Steigende Energiepreise, abnehmende fossile Ressourcen lenken immermehr den Blick von Anwendern und Investoren auf den bislang kaum genutzten Wärmestromaus der Tiefe, einer überall und ständig verfügbaren, sauberen, klimaschonendenEnergiequelle.Im Zentrum des ersten Konferenztages standen die politischen, technischen und wirtschaftlichenLeitlinien für die weitere Entwicklung für den Einsatz der Geothermie. Bei denVertretern des Bundesumweltministeriums (BMU), des gastgebenden Landes Rheinland-Pfalz, von Bundes- und Landtag, von den Grünen bis zur CDU herrschte Einmütigkeit, wennes darum ging, der Nutzung der Erdwärme ihre weitere Unter-stützung zuzusagen. Pünktlichzur Tagung präsentierte das BMU auch seine neue Broschüre "Geothermie - Energie für dieZukunft," in der die Möglichkeiten und Chancen für den Einsatz dieser unerschöpflichenRessource in Deutschland einem breiten Publikum vorgestellt werden.Die Broschuere kann beim Bundesumwelt-ministerium, Postfach 300361, 53183 Bonn,Telefonnummer: 01888-305-3355, Faxnummer:01888-305-3356 oder per E-Mailbmu@broschuerenversand.de bestellt werden. Bitte dazu die Bestellnummer 2125 angeben.Deutlich wurde in den Redebeiträgen, dass nach der Novelle des Erneuerbaren-Energien-Gesetzes (EEG), in dem die Rahmenbedingungen für die Einspeisung von Stromaus regenerativen Quellen festgelegt wurden, nun Regelungen auch für den Wärmebereichgefunden werden müssen. Seitens des Bundesverbandes Erneuerbare Energien (BEE) wurdenentsprechende Maßnahmen deutlich eingefordert.Im Rahmen der Eröffnungsveranstaltung zeichnete der Veranstalter, die GeothermischeVereinigung, zwei in der weltweiten geothermischen Gemeinschaft bekannte Wissenschaftlerfür ihr Lebenswerk mit der Patricius-Plakette aus. Die Medaille für das Jahr 2003 ging anProf. Dr. Kiril Popovski, aus Skopje, Mazedonien für seinen Jahrzehntelangen Einsatz für dieEntwicklung der Geothermie in Europa und weltweit. U. a. ist Prof. Popovski Initiator der"International Summer School on Direct Application of Geothermal Energy", die unter derSchirmherrschaft der UNESCO und im Rahmen des geothermischen Weltverbandes IGA sichzu einer festen Einrichtung entwickelt hat. Jungen Wissenschaftlern, Technikern undIngenieure vor allem aus Entwicklungsländern und Osteuropa wird hier im Rahmen intensiverKurse, die von der weltweiten "geothermischen Elite" gehalten werden, die Möglichkeitengegeben, ihre Kenntnisse zu vertiefen und auszutauschen. Darüber hinaus hat Popovski sicheinen Namen bei der Entwicklung von geothermischen Nutzung im Bereich vonLandwirtschaft, Gartenbau, Fischzucht und Nahrungsmittel-industrie gemacht. Preisträger fürdas Jahr 2004 ist Prof. Dr. Fritz Rummel, der während seiner Forschertätigkeit an der Ruhr-Universität in Bochum maßgeblich an der Entwicklung des Hot-Dry-Rock-Verfahrens (HDR)beteiligt war. Mit Hilfe der HDR-Technologie kann in Zukunft die Energie aus der Tiefe auchüberall dort zur Produktion von Strom genutzt werden, wo im Untergrund keine Dampf- oderHeißwasserressourcen vorhanden sind, ein entscheidender Schritt für die weltweiteVerbreitung geothermischer Nutzungen. Prof. Rummel hat diese Entwicklung seit densiebziger Jahren begleitet und maßgeblich mitgestaltet. Nun plant er im Rahmen eines"Prometheus" genannten Vorhabens, "seine" Universität mit einem solchen System49

auszustatten, damit die Institutsgebäude in Zukunft umweltfreundlich, nachhaltig undklimaschonend mit Heizenergie versorgt werden können. Den Stand des Vorhabens stellte erin einem Vortrag vor.Erfahrungsberichte aus bestehenden Anlagen und der Stand von Forschung und Technik beisogenannten Enhanced Geothermal Systems (EGS), zu denen auch das HDR-Verfahrengehört, bildeten den zweiten Schwerpunktteil des ersten Tages. Unter EGS werden solcheTechnologien zusammengefasst, die sich mit der Errichtung von wassergängigen,wirtschaftlich nutzbaren Kluftsystemen im Untergrund befassen. Ob dabei Untergrundvorhandenes heißes Wasser erst in genügender Menge an die Bohrungen herangebrachtwerden muss oder ob man Wasser von der Oberfläche her einbringt und in der Tiefe erhitzenlässt, weil es unten zu wenig davon gibt oder das Gestein völlig trocken ist: Ziel ist es immer,das für den Untergrund passende Verfahren zu entwickeln, um die im Gestein steckendeEnergie nutzbar zu machen. Derzeit laufen in Deutschland oder unter Verwendung deutscherFinanzmittel eine Reihe wichtiger Forschungsvorhaben. Das GeoForschungsZentrumPotsdam in Groß-Schönebeck arbeitet in Groß Schönebeck in der Schorfheide an seinemVerfahren zur Nutzung heißer, tiefer Sandsteinformationen für die Stromzerzeugung. Ingleiche geologische und Tieferegionen stößt auch das GenSys-Projekt des Geozentrums inHannover vor, dass in Zukunft seinen Standort in Hannover geothermisch mit Heißdampf fürdie Wärmeversorgung beliefern möchte. Am Europäischen HDR-Forschungsstandort inSoultz-sous-Forêts im Elsass konnten die letzten notwendigen Bohrarbeiten in mehr als 5000Metern Tiefe abgeschlossen werden. Nun geht es daran, obertägig das Kraftwerk aufzubauen.Vorgestellt wurde ebenfalls der Stand der Entwicklung am HDR-Forschungsvorhaben in BadUrach.Die führende Rolle, die Deutschland inzwischen beim Aufbau geothermischer Systemeeingenommen hat, demonstrierten auch andere Tagungsbeiträge, z. B. über die Speicherungvon Überschusswärme aus dem Neubrandenburger Gas- und Dampfturbinen-Heizkraftwerkin eine geothermisch genutzte wasserführende Schicht (Aquifer). Der Aquifer wird dadurchzusätzlich aufgeheizt. Diese höheren Tempera-turen stehen dann einem Fernwärmenetz zurVerfügung. Vorgestellt wurden außerdem die Kraftwerksprojekte in Landau,Offenbach/Queich, Unterhaching und Speyer, das geothermische Fernwärmeprojekt inMünchen-Riem und Erfahrungen im ersten Betriebsjahr des Kraftwerks in Neustadt-Glewe.Zwei neue Vorhaben aus Nordrhein-Westfalen (Aachen und Arnsberg) befassen sich mit derErrichtung TieferErdwärmesonden, mehrere Kilometer tiefe Einzelbohrungen, die überalldortWärme aus dem Boden holen, wo kein Thermalwasser gefunden wird. Die ersteSonde dieser Art wurde vor zehn Jahren in Prenzlau in Betrieb genommen, Grund genug inLandau dazu Bilanz zu ziehen. Ein weiteres Thema, das GEOTHERM-Projekt, befasst sichmit der Förderung und Nutzung geothermischer Kraftwerke in Entwicklungs- undSchwellenländern. Es wird auf deutscher Seite vom Bundes-ministerium für WirtschaftlicheZusammenarbeit und Entwicklung getragen und durch die Bundesanstalt fürGeowissenschaften und Rohstoffe (BGR), Hannover fachlich durchgeführt. Während derInternationalen Konferenz für Erneuerbare Energien in Bonn Anfang juni dieses Jahres wurdezwischen der Bundesrepublik, dem Umweltprogramm der Vereinten Nationen (UNEP) undsieben afrikanischen Staaten ein Vertrag im Rahmen dieses Vorhabens unterzeichnet, mit derdie Stromzerzeugung aus geothermischen Ressourcen in Ostafrika vorangetrieben werdensoll.Neben der Forschung standen Themen zur optimierten und wirtschaftlichen Betriebsführungund zur Effizienzsteigerung großer geothermischer Anlagen im Mittelpunkt der Tagung. DasSpektrum reichte vom Aufbau eines geologischen Informations-systems, über InformationsundProjektkommunikationbis hin zu Modellen für eine renditeorientierte Projektrealisierungund Risikomanagement und zur Effizienz-steigerung und endete bei hochgenauenTemperaturmessungen bei der Erfassung und Energieabrechnung geothermischer Fern- undNahwärmesysteme.50

Die gegenwärtige Entwicklung im Bereich der tiefen Geothermie hat nicht nur zu einerfaktischen Vollbeschäftigung in der deutschen Tiefbohrindustrie geführt, und damit zuEngpässen bei Personal und Maschinen. Sie motiviert auch den Maschinen-bau zurEntwicklung von interessanten neuen Konzepten von Tiefbohranlagen.Integriert in die Fachtagung war auch das 5. Symposium Erdgekoppelte Wärmepumpen, dasssich traditionell mit dem Stand der Entwicklung in den Bereichen der oberflächennahenGeothermie befasst. Auch hier gab es Erfolgs-geschichten zu berichten. Insbesondere imEinzelhausbereich, bei Verwaltungs- und Bürogebäuden können geothermische Systeme zumHeizen und Kühlen in vielen Anwendungsfällen nämlich längst mit konventionellenEnergieversorgungsanlagen wirtschaftlich mithalten. Dank steigender Preise für Gas und Ölinteressierten sich Bauwillige und Investoren immer mehr für Erdwärmesonden und anderekostensparende wie klimaverträgliche Technologien. Trotz ansonsten nachlassenderBaukonjunktur verzeichnete die oberflächennahe Geothermie weiterhin Wachstumszahlen,die nicht zuletzt auf die fortlaufende Optimierung der Systeme zurückzuführen sind. BeiPlanung und Bau größerer Systeme, z. B. für Gewerbe- und Verwaltungsbauten oderkompletten Siedlungen, also immer dann, wenn auf einer begrenzten Fläche mehrereErdwärmesondenbohrungen niedergebracht werden müssen, spielen Thermal Response Testeine zentrale Rolle. Sie geben u. a. Auskunft über die Wärmeleitfähigkeit des Untergrundsund ermöglichen eine präzise Gestaltung des zu errichtenden Sondenfeldes. Angesichtssteigender Temperaturen in einem sich wandelnden Klima auch in unseren Breiten gewinntdas Thema "Kühlung" eine zunehmende Bedeutung. Hier bietet der oberflächennaheUntergrund interessante, ebenso wirtschaftliche wie ressourcenschonende Möglichkeiten an.Angesichts des wachsenden Interesses spielen zur Sicherung und zum Ausbau des MarktesQualitätsstandards eine immer größere Rolle. In Zusammenarbeit von BundesverbandWärmepumpen (BWP) undGeothermischer Vereinigung wird derzeit ein Gütesiegel fürBohrfirmen entwickelt, die sich mit der Errichtung von Erdwärme-sonden befassen. EinVortrag berichtete von den schwedischen Erfahrungen bei der Kombination vonsolarthermischen Anlagen mit geothermischen Systemen, ein Bereich, der in Deutschlandbislang wenig Beachtung gefunden hat.Die "neue Rolle der Geothermie" geht auch an der Geothermischen Vereinigung (GtV) nichtspurlos vorüber. Sie wird auf die sich rasant verändernde Situation mit neuen Strukturenreagieren müssen und wollen. Das wurde amRande der Fachtagung deutlich und im Rahmender in Landau abgehaltenen Mitgliederversammlung eingehend diskutiert.geothermie.de ist ein Email-Infoservice der Geothermischen Vereinigunge.V.Email-Newsletter geothermie.deGartenstraße 36D-49744 GeesteT: +49 (0)5907 545F: +49 (0)5907 7379Internet: www.geothermie.de51

Begrepp och termerabsorptionsvärmepump värmepump som drivs genom att en ångfas löses(absorberas) för att åter frigöras (inte drivs medkompressor)amorfämne som saknar kristallstrukturandragradsyta matematisk yta som erhållits genom approximation medpolynom av andra gradenanomali avvikande egenskap eller avvikande (från omgivningens) mätvärdenbergspänning tryckförhållandena i berggrundenbrecciering berggrund som har brutits sönder genom geologiska händelserdensitet specifik vikt, massa per volymsenhet (Mgm -3 )diabas gångbergart med järn- och magnesiumrik sammansättning(elektrisk) resistivitet inversen på elektrisk ledningsförmåga (Ω m)elektromagnetisk (EM) energi som transporteras genom strålningenergibärare det medium som transporterar energin, t.ex. vattenenergipotential energimängd som kan finnas i en bergvolymentalpienergiinnehållfennoskandisk förekommer i Fennoskandien (Norge, Sverige och Finland)fotoanalys tolkning av fotografier (bilder), t.ex. på en hällytafrekvens (statistisk) hur ofta ett värde förekommer i en uppmätt egenskap (%)(EM strålning) hur ofta maximala energivärden uppnås (s -1 )förkastningszon område (zon) i berggrunden där blockrörelser har inträffatgeogeologigeofysikgeotermiskGFZgnejsgnejsgranitgrafitgranitgravimeterfrån grekiska gaia = jordenläran om jordens bergarter och mineralläran om jordens fysikaliska fenomenjordens värmeGeoforschungszentrumkristallin bergart med parallellstruktur hos en del av huvudmineralendjupbergart med granitsammansättning och gnejsstrukturkristallint koldjupbergart med kiselrik sammansättningmätinstrument för relativ bestämning av tyngdkraftenHFR hot fractured rock teknik där man spräcker berggrunden för att ökaVattenflödethorst upphöjd geologisk struktur som uppkommit genom sammantryckninghydraulisk konduktivitet genomsläpplighet för vatten (m s -1 )hydrotermal processer i berggrunden som beror på temperaturen och förekomstenav vattenhällmätning undersökningar utförda på berghällarin-situIP effektmätning utförd på platseneffekt som uppkommer i berggrunden genom inducerad polarisation52

ICDPjotniskInternational Continental Deep drilling Programgeologisk tidsålder, för ca 1.5 miljarder år sedanK Kelvin enhet för (absolut) temperaturkalcit kalciumkarbonatkomet utomjordiskt is och stenfragment från solsystemets yttre delarkrater geologisk struktur som har uppkommit genom nedslagav meteoriter eller kometerkristallin berggrund består av euruptivbergarter och metamorfa (omvandladesedimentära) bergarterkristallinitet andelen kristallint material i förhållande till amorft materialkulvertnät ledningsnät t.ex. för fjärrvärmelaumontitloggninglågtemperatursystemett vattenhaltigt silikatmineralmätningar i borrhåluppvärmningsteknik där den värmeavgivande ytan ärstor och därmed kan ges en låg temperatur(magnetisk) susceptibilitet magnetiserbarhet (dimensionslöst, SI)magnetkis järnsulfid som är magnetiskmeteorit utomjordiskt sten eller metallfragmentmgal milli gal en enhet för tyngdaccelaration (10 -5 m s -2 )modellering matematiska metoder för att hitta geologiska strukturer som kanförklara mätningarmorfologi markytans formerMPa Mega Pascal enhet för tryckMT magnetotellurisk elektromagnetisk metod som utnyttjar naturligaelektriska strömmar i jordskorpannedslagsstruktur geologisk struktur (krater) som har uppkommit genom nedslagav meteoriter eller kometernT nano Tesla enhet för magnetisk intensitetohm Ω enhet för elektriskt motståndpermeabilitet berggrundens genomsläpplighet för vattenpetrofysik bergarternas fysikaliska egenskaperpolygeneration kombination av olika energiprocesserporositet mängden hålrum i en bergart (%)Puchez Katunki nedslagskrater I Rysslandp-vågshastighet hastigheten för kompressions (p) vågor (m s -1 )pyritjärnsulfidsedimentär berggrund har bildats genom avlagring (sedimentation) på landeller i vattenseismisk geofysisk teknik där ljudvågor användssericit omvandlingsmineral från fältspatSGU Sveriges Geologiska UndersökningSiljan Europas största kända nedslagskrater, ca 75 km i diameter53

skjuvzon område (zon) i berggrunden där skjuvrörelser har inträffatSKB Svensk Kärnbränslehantering ABsprickfrekvens antalet sprickor per längdenhet eller sprickytan pervolymsenhet (m -1 )sprickmineral mineral som fyller sprickor i berggrundensprickzon område (zon) med större förekomst av sprickorspräckning metod att med sönderdela berggrunden med t.ex. hydrauliskt övertryckSTEM Statens Energimyndighetstrike-slip horisontalförsjutning av berggrundsblockstrykning riktning (hos en geologisk struktur) i horisontalplanetstupning riktning (hos en geologisk struktur) i vertikalplanetsulfider svavelföreningar av metallertektonikkunskap om berggrundens strukturtemperaturgradient förändringen av temperaturen med avståndet (K m -1 )tyngdkraft tyngdaccelerationens vertikalkomponent (m s -2 )urberg berggrund som bildats för över 1.5 miljarder år sedanvattenflöde mängden vatten som passerar per tidsenhet (l s -1 , ml h -1 )VLF (very low frequency) elektromagnetisk strålning med låg frekvens (storvåglängd)VES vertikal elektrisk sondering, undersökningsmetod som använderelektrisk likströmvärmeflöde mängden energi som passerar genom berggrunden (W m -2 )värmeledning bergarternas värmegenomsläpplighet (W K -1 s -1 )värmeproduktion bergarternas bidrag till värmeflödet (W m -3 )värmetransformator teknisk metod för att separera värmeenergi till olikatemperaturnivåervärmeväxling överföring av värmeenergi till olika värmebärare eller olikaströmningskretsarvåglängdavstånd mellan de maximala värdena i EM strålning (m, km)wireline teknikyngre granitzeolitmineralborrmetod där borrkärnan kan lyftas upp ur borrsträngenStockholmsgranit bildad för 1.8 miljarder år sedanvattenhaltiga silikatmineral.54

Beslutsprocessen och projektets framskridande1997. Projektidén att undersöka en stor nedslagsstruktur i närheten av befintlig energiinfrastrukturformuleras av Herbert Henkel och Börje Bergman. Idén stöds avgeovetenskapsmän på Stocklholms Universitet och på KTH. Ekonomiskt stöd för attutforma en ansökan till Energimyndigheten beviljas av Centrum för Miljövetenskappå KTH. Medel anslås också för kompletterande fältundersökningar för att bekräftakraterstrukturen vid Björkö i Mälaren.1998. Diskussioner med Energimyndigheten. Energimyndigheten förklarar att det ärönskvärt med fler geotermiprojekt. KTH Centrum för Miljövetenskap anslår 100 kkrför vidare förstudier, till en ansökan och till kompletterande fältundersökningar. EnAnsökan lämnas till Energimyndigheten om ekonomiskt stöd på 8.5 Mkr.1999. Diskussioner med energiföretag, länsstyrelsen och kommuner. SGU sponsrarfältarbeten2000. Ansökan remissbehandlas, kompletteringar görs, förslag till referensgrupplämnas till Energimyndigheten. En modifierad ansökan lämnas. Energimyndighetenbeviljar 7.5 Mkr. En styrgrupp och en referensgrupp inrättas.2001. Borrningar startar på ön Midsommar och andra undersökningar sätts igångunder juni. Mälarsandstenen visar sig vara mer än 3 gånger så mäktig som tidigareantagits. Besvärliga cementeringar måste göras på flera avsnitt. Borrarbetena avslutasmed det andra borrhålet under hösten. Det planerade tredje borrhålet vid Rasta kaninte genomföras på grund av fördyringar.2002. Kompletteringsansökan på 1 486 kkr lämnas i mars till Energimyndigheten pågrund av fördyringar.Examensarbeten och projektarbeten med anknytning till Björkö projektet genomförsparallellt vid KTH och på Stockholms Universitet.Förhandlingar med KTH:s förvaltning om reducering av högskoleavgiften. Enreducering med 1 Mkr beviljas.Energimyndigheten beviljar i juni det sökta beloppet i tilläggsanslag för att täckafördyringar.Intresse av Geo Forschungs Zentrum (GFZ) i Potsdam att delta i ett hydraulisktspräckningsexperiment vid Björkö. Utarbetande av detaljerad plan och avtal för dettasamarbete.2003. Detaljerad plan för spräckningstester i samarbete med GFZ i Potsdam. Ansökanom kompletterande mätningar på isen och för spräckningstester på 2 094 kkr lämnastill Energimyndigheten i mars. Mätningar på isen kring Björkö när isläget befannsvara gynnsamt. Diskussion om medfinansiering av spräckningstester. GFZ genomfören förstudie av potentiell djupborrning i undersökningsområdet.Energimyndigheten kräver förtydliganden till ansökan som lämnas i juli.2004. Förhandling med STEM om 50 % medfinansiering av spräckningsterna ochuppdelning av projektet.Licentiatavhandling av Ann Bäckström, KTH: ”Investigation of the correlation offracture frequency and electric resistivity in impact craters in crystalline rocks”.Gästforskare med stipendium från Kina arbetar med temperaturprognoser för Björköprojektet.Energimyndigheten beviljar ytterligare 520 kkr för utförda mätningar men avslåransökan om spräckningstester. KTH finansierar forskarinsats med hydrotermiskmodellering av Björkö strukturen. STEM nedprioriterar stöd till geotermiforskning.Projektet avslutas med föreliggande rapport.55

Fördelning av kostnader för Björkö projektetFig. 21. Relativ fördelning av kostnadsslagför Björkö projektet.Relative share of cost types for the Björköproject.I Figur 21 visas den relativa fördelningen av kostnaderna för Björkö projektet påborrning, mätningar, logistik. KTH kostnader inkluderar löner för personal, resor,data, samt styrgruppens och referensgruppens arbete. Borrning och logistikkostnaderär två stora kostnadsposter med 3.2 respektive 0.9 Mkr. I mätkostnader ingårseismiska undersökningar, MT mätningar och tyngdkraftsmätningar på land och påisen kring Björkö.FinansieringFig. 22. Relativ andel i finansieringen avBjörkö projektet.Relative financial participation in the Björköproject.I figur 22 visas den relativa andelen av olika finansiärer för Björkö projektet. StatensEnergimyndighet (STEM) står för den allra största andelen. KTH:s insatser ochstuderandes examensarbeten utgör också ett väsentligt bidrag.Den totala kostnaden för Björkö projektet är ca 10.7 Mkr varav det uppskattadebidraget från examensarbeten är ca 0.7 kkr. Statens Energimyndighet (STEM) harbidragit med 9.5 mkr56

Rapporter och publikationer som har tagits fram för Björkö energiprojektExamensarbeten och projektarbeten anges med lutande stil, publikationer med fetlutande stil.SGU = Sveriges Geologiska UndersökningNGU = Norges Geologiska UndersökningKTH-LWR-EGG = Kungliga Tekniska Högskolan - Land and Water ResourcesEngineering - Engineering Geology and GeophysicsAsk, D., 2003: Hydraulic rock stress measurements in borehole BJO 01, Björköisland, Lake Mälaren, Sweden. Department of Land and Water ResourcesEngineering, Royal Institute of Technology. Report TRITA-LWR 3003, 59 pp andappendici.Ask, D., and Stephansson, O., 2004: Hydraulic rock stress measurements in theBjörkö meteorite impact structure, lake Mälaren, Sweden. 3 rd InternationalSymposium on Rock Stress, Kumamoto, Japan.Bergman, B., 2003: Björkö energiprojekt, Överslagsberäkningar för energiproduktion.Rapport SWEC .Broman, C., 2002: Sprickfyllnadsmineral i borrkärnan BJO 01, Björkö. Inst. f.Geologi o Geokemi, Stockholms Universitet, Rapport 34 pp.Bäckström, A., 2001: Inmätning av läget för borrhålen BJO-01 och MID-01. KTH-LWR-EGG. Report, 4pp.Bäckström, A., 2003: Fracture frequency measurements on outcrops and drill coresfrom the Björkö structure. KTH-LWR-EGG Report in prep.Bäckström, A., 2004: Investigation of the correlation of fracture frequency andelectyric resistivity in impact craters in crystalline rocks. Royal Institute ofTechnology, Department of Land and Water Resources Engineering. TRITA-LWR.LIC.2019, 61 pp.Bäckström, A., and Henkel, H., 2003: Geophysical investigation (VLF-R and VESmeasurements) of 4 sites for deep drilling in the Björkö structure. KTH-LWR-EGGReport in prep.Bäckström, A., and Henkel, H., 2003: Geology and rock physical properties in theBjörkö (Mälaren) area. KTH-LWR-EGG, Report, 57 pp.Bäckström, A., 2003: Magnetic modelling of the Kärsö dyke within the Björköstructure. KTH-LWR-EGG Report, 12 pp and appendici.Bäckström, A., and Grünfeld, K., 2003. Fracture mapping of rock outcrops and drillcores from the Björkö structure. KTH-LWR-EGG. Report 34 pp and appendici.Clement, T., 2004: Integrated analysis of VLF, radar, bathymetric and elevation datain the Björkö area. KTH-LWR-EGG, MSc. Thesis in prep.57

Dalwigk, I.v., 2000: Björkö – en sammanställning av resultat fån undersökningar avtunnslip på bergartsprover. Institutionen för Geologi och Geokemi, Stockholms Univ.Report 18 pp.Dunwen., L., 2004: Thermal conductivity and temperature depth distribution atBjörkö. KTH-LWR-EGG. Report, 30 ppEkström, M., 2003: Mineralbestämning och point counting av tre prover från Björkö.Ekström Mineral AB. Report 4 pp.Flodén, T., and Bjerkéus, M., 2003: Marine seismic and magnetic investigations ofthe Björkö structure in lake Mälaren. Department of Geology and Geochemistry,Stockholm University. Report 16 pp and maps.Henkel, H., 2002: The Björkö geothermal project. NGU-Bull 439:45-50.Henkel, H., 2003. Gravity measurements of hte Björkö structure. KTH-LWR-EGG.Report 2 pp and maps.Henkel, H., 2004. seismic stratigrafi för Mälarsandstenen. KTH-LWR-EGG. Rapport(pågår)Henkel, H., 2004: Dokumentation av berggrundsprovtagning i samband medBjörköprojektet. KTH-LWR-EGG. Rapport, pågår.Henkel, H., Reimold, W.U., and Plado, J., 2003: Mineral and chemical composition ofthe Kärsö dyke. KTH-LWR-EGG. Report in prep.Henkel, H., and Bäckström, A., 2003: Site investigations at Southern Björkö, Rasta,Jungfrulund, and Underås. KTH-LWR-EGG. Report, inprep.Henkel, H., och Katuzi, M-R., 2004: Magnetisk modellering av gnejsanomalier isydligaste Björkfjärden. KTH-LWR-EGG. Rapport 3 pp och bilagor.Henkel, H., och Katuzi, M-R., 2004: Tyngdkraftsmodellering av Björkö strukturen.KTH-LWR-EGG. Rapport pågår.Henkel, H., Bergman, B., Stephansson, O. och Lindström, M., 2004: BjörköEnergiprojekt – Slutrapport avseende geovetenskapliga undersökningar. KTHTRITA-LWR.REPORT 3010, 61 pp.Henkel, H., Bäckström, A., Bergman, B., Stephansson, O., and Lindström, M.,2004: Geothermal energy from impact craters? The Björkö case. Proceedings of theWorld Geothermal Congress 2005 paper 0667, 5 pp.Henkel, H., Bödvardson, R., Huenges, H., Dresen, G., och Stephansson, O., 2004:Planering av hydrauliska spräckningstester på södra Björkö. KTH-LWR-EGG. Reportin prep.58

Jagloo, K., 2003: Radiogenic heat production in the Björkö area. KTH-LWR-EGG.Report 11 pp.Katuzi, M-R., 2003: Resultat av porositetsmätningar på borrkärneprover frånborrhålen BJO 01 och MID 01. KTH-LWR-EGG. Rapport 13 pp.Kurs 1E1450, 2001: Birkaprojektet – Resultat från integrerat projektarbete –Databas för Björköprojektet. KTH Institutionen för Geodesi och Fotogrammetri, 30pp.Kurs 4A1144, 2003: Energiteknik. Björkö energiprojekt – en fallstudie med fokus påforskningsstöd. KTH Institutionen för Energiteknik, 40 pp och bilagor.Ludvigsson, J-E., Pöllänen, J., and Rouhanen, P., 2001: Measurements of differenceflow, temperature, electric conductivity of borehole water, and single point resistancein borehole BJO 01. Geosigma AB. Report 14 pp and appendicies.Min, K-B., 2004: Modeling heat extraction from forced fluid flow through stimulatedfractured rock masses: Evaluation of the Björkö potential. KTH-KWR-EGG. Reportin prep.Nilsson, G., 2002: Björköprojektet – kärnborrning på Midsommar och Björkö. GNCAB. Rapport 24 pp och bilagor.Nilsson, A-C., Wass, E., 2002: Resultat av kemiska analyser. Vattenprov tagna underborrning av kärnborrhål på öarna Björkö och Midsommar i Mälaren. Geosigma AB.Rapport 7 pp.Olsson, A., 2003: Mälarsandstenens sedimentologi och petrologi. Del I:Midsommarkärnans undre del. Institutionen för Geologi och Geokemi, StockholmsUniversitet. Examamensarbete 34 pp och bilagor.Olsson, A., and Viksten, M., 2002: Bestämnig av p-vågshastighet på bergartsproverfrån borrkärnan MID01 och BJO 01. Institutionen för Geologi och Geokemi,Stockholms Universitet. Rapport 5 pp.Oskooi, B., and Pedersen, L.B., 2002: Magnetotelluric investigations on Björköstructure, west of Stockholm I. Department of Earth Sciences, Uppsala University.Report 31 pp.Oskooi, B., and Pedersen, L., 2003: Magnetotelluric investigations on Björkö, west ofStockholm II. Department of Earth Sciences, Uppsala University. Report 61 pp.Oskooi, B., and Pedersen, L.B., 2003: Magnetotelluric studies on Björkö impactstructure, west of Stockholm III. Department of Earth Sciences, Uppsala University.Report 125 pp.Rodriguez Loudot, S., 2002: Integration of digital elevation data and bathymetricdata of the Björkö structure. Royal Institute of Technology, TRITA-INFRA EX02-046,47 pp.59

Rymasheuskaja, M., 2002: Improvement of land use classification. Royal Institute ofTechnology, TRITA-LWR-Master Thesis 02-7, 28 pp.Sträng, T., och Wänstedt, S., 2003: Geofysisk borrhålsloggning i borrhål BJO 01 påBjörkö och MID 01 på Midsommar. Geosigma AB. Rapport 15 pp och bilagor.Strömhag, M., 2003: ”Multiple failure state” triaxial testing of fractured coresamples from BJO 01 borehole, Björkö impact crater, Sweden. Royal Institute ofTechnology. TRITA-LWR Master Thesis 03-08,58 pp.Tzu-chun, C., 2004: GIS visualization of complex geoscientific data of the Björköstructure. Royal Institute of Ttechnology. TRITA-LWR Master Thesis 03-29, 58 pp.Viksten, M., 2003: Mälarsandstenens sedimentologi och petrologi. Del II:Midsommarkärnans övre del. Institutionen för Geologi och Geokemi, StockholmsUniversitet. Examamensarbete, 37 pp och bilagor.Wöhrl, T., 2003: How to drill the Björkö impact structure for geothermal exploration?GFZ Potsdam ICDP / OSG. Report 42 pp.60

SändlistaStatens energimyndighet STEM 5 ex.SGU 5 ex.VattenfallFortumGraningeverkenRiksantikvarieämbetetTelge energiReferensgruppenKommuner:Sthlm, Ekerö, Södertälje, HudiksvallMarkägare:Menhammar, G. Karlsson, Jurstaholm, SlandönInstitutioner:Soultz, Lunds Universitet, GFZ Potsdam, Luleå Tekniska Universitet, OsloUniversitetInstitutioner KTH: Rektor, Förvaltningschef, LWR, Energiteknik, KTH NyttSWEC 15 ex.Ny teknik, dagstidningarna i Stockholmsområdet61