Skip to main content
Login | Suomeksi | På svenska | In English

Geological mapping of borehole breakouts observed in acoustical and optical borehole imagery of deep drillholes of Olkiluoto, Finland

Show full item record

Title: Geological mapping of borehole breakouts observed in acoustical and optical borehole imagery of deep drillholes of Olkiluoto, Finland
Author(s): Haapalehto, Sophie
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Geosciences and Geography
Discipline: Geology
Language: English
Acceptance year: 2017
Abstract:
The Finnish spent nuclear fuel repository is currently under construction by Posiva Oy, and the repository will be located in Olkiluoto Island, western Finland. After intensive research of the site from surface drillholes, construction of underground rock characterisation facility named ONKALO began in 2004 in the same location for the purposes of detailed site characterization. Additionally, to ONKALO and research drillholes, 58 deep drillholes provide a large database for the geological, geochemical, geophysical and rock mechanics site characterisation. One of the key aspects of rock mechanics site characterisation is to determine the in situ stress field prevailing at Olkiluoto. Mathematically, the stress field is represented as a tensor with both direction and magnitude. The effect of excessive magnitudes of the tensor can be manifested by oriented fractures on the walls of the drillholes forming a phenomena of borehole breakouts along the drillhole length. The breakouts form when compressive stress, induced by the concentration of the in situ stress around the drillhole, exceeds the rock strength. The breakouts occur on the opposite sides of the walls. Due to the breakouts occurring in the areas of maximum compression around the drillhole walls, both the direction of the minimum (σh) and maximum (σH) horizontal in situ stress components can be inferred along the drillhole. This Master's thesis was set to identify and map the breakouts in the deep drillholes in Olkiluoto using the acoustic and optical imaging data of the deep drillholes. Acoustic and optical televiewers are two of the several geophysical measuring methods used in the drillholes. They produce images of the walls of the drillholes by wave reflection. During the study, different types of breakouts were identified along the drillholes in Olkiluoto: dotted, zipper-like and a mix of the two previous types with different intensities. The locations of the identified breakouts and other features (direction of σh, rock type, foliation) were recorded in a mapping form developed during this work. The mapping results show that in the total of 19 imaged drillholes, 40 breakout sections exist in only 5 drillholes. Geophysical data show that the breakouts are highly dependent on the geology and the majority of the breakouts occur in veined gneiss and in less competent rock types such as deformed or fractured rocks. Most of the breakouts were observed below 600 meters depth. Major group of directions of calculated σH from the mapped breakouts is oriented NE-SW (60-90°/245-270°) and secondary groups are oriented 107-150°/285-325° and 10-40°/190-220°. In some drillholes, the directions are rotated about 40° due to a significant brittle fault zone separating the site of Olkiluoto into stress field domains.
Posiva Oy on rakentamassa käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituslaitosta Olkiluodon saarelle, Eurajoelle. Vuodesta 1999 lähtien saarella on suoritettu paikkatutkimuksia ja vuonna 2004 aloitettiin syventävät tutkimukset ONKALOssa maanalaisella kallioperän tutkimuslaitoksella. ONKALOn ja tutkimusreikien, kuten 58 syväkairareiän ansiosta, Olkiluodon saaresta on olemassa laaja tietokanta, joka mahdollistaa sekä geologisen, geokemiallisen, geofysikaalisen että kalliomekaanisen paikkakarakterisoinnin. Kalliomekaniikan avulla määritellään mm. Olkiluodossa vallitseva in situ –jännityskenttä. Matemaattisesti jännityskenttää voidaan ilmaista tensorina, jolla on suunta ja suuruus. Suuret jännitykset voivat aiheuttaa suunnattuja rakoja symmetrisesti kairareikien seinämille. Kyseisiä kairareikävaurioita kutsutaan englanninkielisellä termillä borehole breakouteiksi. Kairareikävauriot muodostuvat, kun in situ-jännitysten tiheytymän aiheuttama puristusjännitys ylittää kallion lujuuden kairareiän ympärillä. Koska breakoutit muodostuvat suurimman puristusjännityksen alueella, niistä voidaan päätellä pienimmän (σh) ja suurimman (σH) horisontaalit in situ –jännityskomponentit. Tämän pro gradun tarkoituksena on Olkiluodon syväkairareikien breakoutien tunnistaminen sekä kartoitus kairareikien akustisen ja optisen kuvantamisen menetelmien avulla. Akustinen ja optinen kuvantaminen kuuluvat geofysikaalisiin mittausmenetelmiin, joissa heijastetut ääni- ja valoaallot mahdollistavat kairareikien seinämien kuvaamisen. Olkiluodon kairareikien kartoituksen aikana havaittiin kolme erityyppistä breakoutia: dotted (pistemäinen), zipper-like (vetoketjumainen) ja mix (sekoitus kahdesta edellisestä tyypistä) eri voimakkuuksilla. Datankeruuseen kehitettiin kartoituslomake, johon tallennettiin jokaisen kairareiän breakoutien sijainnit ja muut ominaisuudet (σh-suunta, kivilaji, foliaatio). Kartoitustulokset osoittavat, että 19 kuvatusta kairareiästä ainoastaan viidessä havaittiin alle 40 breakout-aluetta. Geofysikaalisen datan mukaan breakoutit ovat vahvasti kytkettyjä paikalliseen geologiaan ja suurin osa niistä sijaitsee suonigneississä sekä deformoituneissa tai rakoilleissa kivissä yli 600 metrin syvyydessä. Kartoitetuista breakouteista lasketut σH-suunnat asettuvat suurimmaksi osaksi koillis-lounas-suuntaisesti (60-90°/245-270°) Loput suunnista muodostavat kaksi pienempää ryhmää (107-150°/285-325° ja 10-40°/190-220°). Muutamassa kairareiässä, suunnat ovat pyörähtäneet n. 40° Olkiluodossa esiintyvien hauraiden deformaatiovyöhykkeiden takia, jotka erottelevat saaren eri jännityskenttätiloihin.


Files in this item

Files Size Format View
20170410 Breakouts SOPH Final.pdf 15.49Mb PDF

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record