| Abstract | Geothermal waters of the Republic of Croatia hold significant energy potential for heating, electricity production, and direct cascading water use in various locations. Due to relatively low usage levels and growing awareness of using renewable energy sources, interest in this resource is expected to increase. Hydrothermal systems, transferring the Earth's internal heat to the surface, vary considerably worldwide due to their different formation mechanisms. They are differentiated based on geological, hydrogeological, and thermal characteristics, necessitating distinct methodological approaches for research. Hydrothermal systems in the Pannonian part of Croatia, where the naturally circulating water transfers heat to the surface, experience higher than average terrestrial heat flow from the asthenosphere due to a regionally thinned lithosphere in the Pannonian Basin System (PBS). Pannonian part of Croatia, known for its elevated geothermal gradient, is located at the SW margin of PBS, which is a back-arc basin developed as a result of the Miocene extensional disintegration of orogenic terrains and subsequent events of basin evolution. The Topusko hydrothermal system (THS), where natural thermal springs with temperatures up to 53 °C emerge, is located at the tectonic boundary of two major tectonic units: the Dinarides in the SW and the southwestern margin of the PBS to the NE. Therefore, the Topusko THS is characterised by favourable geothermal characteristics (average geothermal gradient approximately 40 °C/km). In the past fifty years, thermal water has served as a basis for developing tourism and health care centres, and since the 1980s, it has been utilised for district heating. Despite the great natural potential of the Topusko geothermal resource, geological research is scarce, and unpublished reports on well construction and revitalisation make up most of the available data. Here, multidisciplinary research, including hydrogeological, geothermal, hydrogeochemical, structural, and geophysical investigations, was conducted with the objective of refining the available conceptual model, which was finally physically validated by constructing a numerical model of THS. Good conceptual and numerical models of groundwater flow and heat transport enable the delineation and protection of recharge areas, the determination of sustainable extraction rates, and ensuring the sustainable use of natural thermal springs. The primary objectives of the presented work within the scope of the doctoral dissertation were to characterise naturally emerging thermal waters, reconstruct the geological setting, and refine the existing conceptual model through hydrogeochemical, geophysical, and hydrogeological analyses. The research included detailed hydrogeochemical characterisation,ii which revealed Ca-HCO3 facies of Topusko thermal waters heated in a Mesozoic carbonate aquifer with an estimated equilibrium temperature of 78-90 °C, based on historical and new data, respectively. The thermal water emerges through an identified fault damage zone in Topusko, which provides the permeability necessary for the upwelling of thermal water. Aquifer transmissivity values from step-drawdown tests were found to range between 1.8×10-2 and 2.3×10-2 m2/s. Further, a two-year hydrogeochemical and isotopic monitoring program identified that the thermal waters are of meteoric origin, recharged during colder climatic conditions around the late Pleistocene to Early Holocene, with the last atmospheric contact approximately nine thousand years ago. Stable and radioactive isotopes, alongside chemical geothermometers, were used to understand the origin and interactions of these waters with the system. Monitoring of hydrogeochemical parameters in Topusko thermal waters provided further insights into system changes from baseline levels, aiding in the identification of potential anthropogenic impacts and natural changes on the system. Integrating structural, geochemical, and hydrogeological data led to a novel conceptual model of the Topusko hydrothermal system. The stratigraphic sequence and regional structural setting were defined based on geological maps and extensive field investigations, showing that the thermal waters circulate within a carbonate aquifer, receiving diffuse recharge from Triassic carbonates about 13 km south of Topusko. The regional thrusts and the Topusko anticline structure facilitate the gravity-driven flow of groundwater in a northward direction and its subsequent upwelling at the Topusko discharge area. Numerical fluid flow and heat transport simulations corroborate the proposed conceptual model, showing a thermal anomaly approaching the field temperature observations. In particular, a thermal anomaly was modelled in the Topusko subsurface with temperature values of 31.3 °C and 59.5 °C at the surface and the base of the thermal aquifer, respectively. Presented research enhanced the understanding of the THS, highlighting the influence of regional and local geological structures on fluid dynamics. These insights are crucial for the sustainable utilisation and environmental protection of the thermal resources in the area, paving the path for future multidisciplinary research to further refine the conceptual model of THS. |
| Abstract (croatian) | Geotermalne vode Republike Hrvatske imaju značajan energetski potencijal za grijanje, proizvodnju električne energije i neposredno kaskadno korištenje vode na brojnim lokacijama. S obzirom na niski stupanj korištenja geotermalnog potencijala u Hrvatskoj i porast svijesti o potrebi korištenja obnovljivih izvora energije, očekuje se povećanje interesa za ovaj resurs u bliskoj budućnosti (Roscini i dr., 2020; Directive EU/2023/2413). Kako bi se on koristio na održiv način, potrebno je poznavanje procesa koji ga pokreću i utječu na njega. Hidrotermalni sustavi, koji prenose unutarnju toplinu Zemlje na površinu, značajno se razlikuju u svijetu zbog različitih mehanizama formiranja. Razlikuju se na temelju geoloških, hidrogeoloških i toplinskih karakteristika, što zahtijeva različite metodološke pristupe istraživanju. Hidrotermalne sustave u panonskom dijelu Hrvatske, gdje prirodna cirkuliracija vode prenosi toplinu na površinu, karakterizira povišeni toplinski tok iz astenosfere (76 mW/m2), zbog regionalno stanjene litosfere u Panonskom bazenskom sustavu (PBS). Panonski dio Hrvatske poznat je po povišenom geotermalnom gradijentu (49 °C/km) (Bošnjak i dr., 1998). Nalazi se na JZ rubu PBS-a, zalučnog bazena nastalog kao rezultat miocenske ekstenzije te dezintegracije orogenih terena i naknadnih događaja tijekom evolucije bazena (Tomljenović & Csontos, 2001; Schmid i dr., 2008; Horváth i dr., 2015). U proučavanju hidrotermalnih sustava potrebno je odrediti porijeklo fluida i područje prihranjivanja, prostorno rasprostiranje vodonosnika, smjer toka fluida i dubinu do koje se spušta te uzroke i načine zagrijavanja i izviranja. Potencijalno područje prihranjivanja u ranim fazama istraživanja se određuje geološkom prospekcijom, odnosno definiranjem izdanaka dobro propusnih stijena na topografski istaknutim područjima. Što se tiče mogućnosti zagrijavanje vode, važno je utvrditi postoji li na istraživanom području dostatni toplinski tok iz unutrašnjosti Zemlje te omogućuju li stijene prijenos topline prema površini. Isto je tako nužno utvrditi postoje li strukture kojima se oborinska voda može spuštati na veću dubinu, zagrijati i, naposljetku, izvirati. Šire područje istraživanja (300 km2) nalazi se otprilike 60 km južno od Zagreba u Sisačko-moslavačkoj županiji, na SI rubu Dinarida i JZ rubu PBS-a te pripada tektonskoj jedinici Unutarnjih Dinarida (Schmid i dr., 2004; Vlahović i dr., 2005; Horváth i dr., 2015; Pavelić i Kovačić, 2018). Termalni izvori u Topuskom, temperatura do 53 °C, nalaze se u Glinskoj depresiji uz istočne padine Petrove gore. Multidisciplinarna istraživanja koja uključuju hidrogeološka, geotermijska, hidrogeokemijska, strukturna i geofizička istraživanja, provedena su sa svrhom izrade i utočnjivanja postojećeg konceptualnog modela hidrotermalnog sustavaiv Topusko (THS), koji je i fizički validiran izradom numeričkog modela toka podzemne vode i prijenosa topline. Dobar konceptualni te pouzdan numerički model toka podzemne vode i prijenosa topline omogućuje ocrtavanje i zaštitu područja prihranjivanja, određivanje održivih količina crpljenja i osiguravanje dugotrajno održivog korištenja termalnog izvorišta. Glavni ciljevi ovog rada uključuju cjelovitu geokemijsku karakterizaciju termalne vode i određivanje ravnotežne temperature geotermalnog rezervoara, rekonstrukciju strukturnog sklopa izvorišnog područja pomoću metode električne tomografije, kako bi se identificirale pretpostavljene rasjedne strukture u podzemlju, utvrđivanje hidrogeoloških parametara geotermalnog vodonosnika u području izviranja hidrotermalnog sustava Topuskog iz novih hidrodinamičkih mjerenja, rekonstrukciju strukturnog sklopa šireg područja prihranivanja i geotermalnog vodonosnika na temelju interpretacije prikupljenih strukturno-geoloških podataka, geološko modeliranje THS-a na temelju novih prikupljenih podataka te numeričko modeliranje toka fluida i prijenosa topline u THS-u na temelju novih podataka. Ciljevi su bazirani na četirima hipotezama: (i) geotermalni vodonosnik u Topuskom je hidrotermalnog postanka, (ii) područje prihranjivanja geotermalnog vodonosnika THS-a je zapadno od navlake Petrove gore, (iii) prirodni termalni izvori u Topuskom nalaze se u oštećenoj zoni rasjeda koja ima dovoljno visoku propusnost da omogući izviranje termalne vode i (iv) temperature u geotermalnom vodonosniku su više nego na prirodnim izvorima. Određivanje hidrogeoloških, hidrogeokemijskih i geotermijskih značajki hidrotermalnog sustava Topusko pomaže u osiguravanju njegovog budućeg održivog korištenja. Definiranje područja prihranjivanja provedeno je sa ciljem zaštite od antropogenih utjecaja koji bi pogoršali količinsko i kemijsko stanje geotermalnog vodonosnika. Provedena multidisciplinarna istraživanja poslužit će za definiranje metodologije za proučavanje karbonatnih geotermalnih vodonosnika hidrotermalnog postanka, koji prihranjuju najveći broj prirodnih termalnih izvorišta u Hrvatskoj. Metodologija se sastoji od četiri različite vrste istraživanja, koje su svojstvene primijenjenim geološkim istraživanjima: (i) bibliografsko istraživanje, (ii) terenski rad, (iii) laboratorijsko istraživanje i (iv) kabinetsko istraživanje. (i) Prikupljena je i pregledana postojeća literatura i podatci kako bi se identificirale praznine u dosadašnjim saznanjima o području istraživanja te kako bi se predložena istraživanja pozicionirala unutar postojeće baze podataka te oblikovale hipoteze doktorske disertacije. (ii) Terenski rad uključuje prikupljanje terenskih podataka za hidrokemijska, geofizička, hidrodinamička i strukurno geološka istraživanja na području THS-a. Monitoring termalne vode u Topuskom proveden je u trajanju dvije godine (2021. - 2023.). Temperatura se kontinuirano pratila korištenjem automatskih uređaja za bilježenje podataka (Onset HOBO U12-015 Stainless Steel Temperature Data Logger). In situ mjerenja (na licu mjesta) (pomoću multiparametarske sonde WTW Multi 3630 IDS), preuzimanje podataka iz automatskih mjerača te uzorkovanja termalne vode i oborine za hidrogeokemijske analize provodila su se svaki mjesec. Uzorci vode prikupljani su u polietilenskim bočicama od 100 i 200 ml koje sprječavaju isparavanje te su čuvane u hladnjaku. Koncentracija bikarbonatnog aniona određivana je in situ volumetrijskom titracijom pomoću digitalnog titratora (HACH 16900). U izvorišnom području THS-a provedeno je geofizičko profiliranje metodom električne tomografije (ERT), okomito i paralelno s identificiranim i pretpostavljenim podzemnim strukturama. ERT mjerenja su izvedena korištenjem POLARES 2.0 sustava za električno snimanje (P.A.S.I. srl) kako bi se istražila hipoteza o rasjedima potpomognutom prirodnom izviranju termalne vode. Za procjenu hidrogeoloških parametara vodonosnika provedeno je ispitivanje postojećih bušotina metodom testiranja u koracima pomoću digitalnog manometra (Keller LEX1) budući da je termalni vodonosnik u Topuskom arteškog tipa. Geološko i strukturno modeliranje područja istraživanja temeljeno je na postojećim literaturnim i novo prikupljenim terenskim podatcima izdanaka, što je rezultiralo novom interpretacijom regionalnih struktura i njihove evolucije. (iii) Nakon svake kampanje uzorkovanja, provedena je analiza glavnih aniona i kationa (ionska kromatografija na DIONEX ICS-6000 DP uređaju; Thermo Fischer Scientific Inc., Waltham, Massachusetts, SAD) i analiza izotopa 2H i 18O (spektrofotometrijska metoda, Picarro L2130-I izotopski i plinski analizator). Hach DR3900 spektrofotometar korišten je za određivanje sadržaja SiO2 u uzorcima termalne vode. Glavni anionski i kationski sastav, koncentracije SiO2 i stabilni izotopi vode analizirani su u Hidrokemijskom laboratoriju Zavoda za hidrogeologiju i inženjersku geologiju Hrvatskoga geološkog instituta. Glavni ionski sastav uzoraka pružio je uvid u mineraloški sastav vodonosnika, kao i moguće miješanje s vodom iz plićih hladnih vodonosnika u području izviranja (Blake i dr., 2016). Također, korišten je za geotermometriju, zajedno sa sadržajem silicijevog dioksida (SiO2), za izračunavanje ravnotežnih temperatura ležišta korištenjem različitih empirijskih formula (Blasco i dr., 2017; Ármannsson & Fridriksson, 2009). Pomoću omjera stabilnih izotopa 2H i 18O u termalnoj vodi i oborini ispitano je meteorsko podrijetlo termalne vode. Osim toga, uzorkovanje vode provedeno je tijekom razdoblja minimalnog i maksimalnog zahvaćanja vode iz bušotina za analize radioaktivnih izotopa (3H i 14C) i analize stabilnih izotopa sulfatnog aniona (34S i 18O). Uzorci su analizirani u vanjskim laboratorijima: 3H i 14C u Laboratoriju za mjerenje niskih radioaktivnosti pri Institutu Ruđer Bošković u Zagrebu, a stabilni izotopi sulfatnog aniona u Laboratoriju za određivanje izotopa u okolišu i hidrološkom ciklusu, Hydroisotop GmbH u Njemačkoj. Na temelju aktivnosti radioaktivnih izotopa određeno je srednje vrijeme zadržavanja vode (od zadnjeg kontakta s atmosferom), kao i moguće miješanje s plitkom podzemnom vodom u izvorišnom području. Analiza 34S i 18O korištena je kao alat za procjenu porijekla sulfata u termalnim izvorima (Thiébaud i dr., 2010), koje ranije nije utvrđivano. (iv) Obrada prikupljenih hidrokemijskih podataka rađena je u računalnim programima Excel, Diagrammes (Simler, 2012) i Grapher, koji su poslužili za određivanje hidrokemijskih facijesa, indeksa saturacije određenih minerala (npr. kalcit i dolomit), izračun ukupne otopljene krute tvari (eng. total dissolved solids, TDS) i grafički prikaz odnosa glavnih aniona i kationa te izotopnih odnosa u uzorcima termalne vode i oborine. Podaci prikupljeni hidrodinamičkim mjerenjima korišteni su za procjenu transmisivnosti termalnog vodonosnika kroz dobro utvrđenu eksperimentalnu vezu između transmisivnosti i specifičnog kapaciteta zdenaca. Konkretno, korištene su empirijske jednadžbe koje su predložili Fabbri (1997) i Verbovšek (2008) budući da su razvijene za karbonatne termalne, odnosno dolomitne vodonosnike. Obrada dobivenih ERT podataka izvedena je korištenjem Res2DInv računalnog programa. Za potrebe geoloških i strukturnih istraživanja izrađena je kompozitna geološka karta područja istraživanja korištenjem listova osnovnih geoloških karata bivše Jugoslavije u mjerilu 1:100.000, kao i geološka karta bivše Jugoslavije u mjerilu 1:500.000. Izrađen je opis geološke građe šireg područja istraživanja, uključujući kompozitni geološki stup koji ocrtava litostratigrafski i kronostratigrafski slijed naslaga na tom području. Sinteza postojećih podataka napravljena je pomoću GIS računalnog programa i alata za grafičko uređivanje. Na temelju obrađenih prikupljenih podataka interpretirani su regionalni geološki odnosi i strukture, utvrđeni su glavni regionalni rasjedni sustavi na istraživanom području kako bi se rekonstruirao strukturni sklop šireg istraživanog područja te geometrija geotermalnog vodonosnika na regionalnoj razini. Fizička validacija konceptualnog modela numeričkim simulacijama, koja se često koristi za testiranje hipoteza o regionalnim i lokalnim tokovima fluida (Havril i dr., 2016; Montanari i dr. 2017), izvedena je korištenjem komercijalnog programa FEFLOW (Diersch, 2014). Navedene faze rada su se vremenski i sadržajno preklapale i nadopunjavale. Primarni ciljevi doktorske disertacije bili su načiniti potpunu karakterizaciju voda prirodnog termalnog izvorišta, rekonstruirati geološku građu i regionalni strukturni sklop šireg istraživanog područja te u konačnici poboljšati postojeći konceptualni model kroz hidrogeokemijska, geofizička i hidrogeološka istražvanja i pripadajuće analize. Istraživanje je uključivalo detaljnu hidrogeokemijsku karakterizaciju, koja je otkrila Ca-HCO3 facijes termalnih voda THS-a koje potječu iz mezozojskog karbonatnog vodonosnika u kojem se zagrijavaju do procijenjene ravnotežne temperature od 78 – 90 °C. Termalna voda istječe kroz identificiranu rasjednu zonu u Topuskom, koja osigurava potrebnu propusnost za izviranje termalne vode. Utvrđeno je da se vrijednosti transmisivnosti vodonosnika, izračunate iz rezultata pokusnog crpljenja u koracima, kreću između 1,8×10-2 i 2,3×10-2 m2/s. Dvogodišnji program hidrogeokemijskog i izotopnog praćenja pokazao je da su termalne vode meteorskog porijekla, da se prihranjivanje odvijalo tijekom hladnijih klimatskih uvjeta oko kasnog pleistocena do ranog holocena, s posljednjim atmosferskim kontaktom prije približno devet tisuća godina. Stabilni i radioaktivni izotopi, uz kemijske geotermometre, korišteni su za definiranje porijekla i interakcija ovih voda sa sustavom. Praćenje vrijednosti hidrogeokemijskih parametara u termalnim vodama THS-a daje uvid u promjene sustava u odnosu na početne razine, što pomaže u identifikaciji potencijalnih antropogenih utjecaja i prirodnih promjena na sustav. Integracija postojećih i novoprikupljenih strukturnih, geokemijskih i hidrogeoloških podataka dovela je do izrade novog konceptualnog modela THS-a. Stratigrafski slijed i regionalna strukturna građa definirani su temeljem geoloških karata i opsežnih terenskih istraživanja. Rezultati ukazuju da termalne vode cirkuliraju unutar karbonatnog vodonosnika, koji se prihranjuje iz trijaskih karbonata oko 13 km južno od Topuskog. Regionalne navlake i struktura antiklinale Topusko omogućuju gravitacijski tok podzemne vode u smjeru sjevera i njezino izdizanje u području istjecanja u Topuskom. Numeričke simulacije toka fluida i prijenosa topline potvrđuju predloženi konceptualni model, pokazujući toplinsku anomaliju koja se približava temperaturama opažanim u stvarnosti. Modelirana je toplinska anomalija u podzemlju Topuskog s temperaturnim vrijednostima od 31,3 °C na površini odnosno 59,5 °C na dnu termalnog vodonosnika. Provedeno istraživanje u okviru izrade doktorske disertacije značajno je unaprijedilo razumijevanje THS-a te naglasilo utjecaj regionalnih i lokalnih geoloških struktura na dinamiku fluida. Ovi su uvidi vrlo značajni za održivo korištenje i zaštitu hidrotermalnog sustava u cjeliniviii te će usmjeriti buduća multidisciplinarnim istraživanjima za daljnje usavršavanje konceptualnog modela THS-a. |
