Geothermie: Messverfahren
Geothermie: Messverfahren
Geothermie: Messverfahren
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Messung von Temperatur und<br />
thermischen Eigenschaften<br />
<strong>Geothermie</strong>: <strong>Messverfahren</strong><br />
Photo: N. Kukowski<br />
N. Kukowski, SS2013
Bestimmung der Temperatur im Bohrloch<br />
N. Kukowski, SS2013<br />
<strong>Geothermie</strong>: <strong>Messverfahren</strong><br />
Die Messung der Temperatur über einen größeren Tiefenbereich setzt ein Bohrloch voraus.<br />
Allerdings führt der Bohrvorgang selbst zu einer thermischen Störung, zum einen durch die<br />
Reibungswärme, die beim Bohren entsteht, zum anderen durch das Einbringen der (kalten)<br />
Bohrspülung. Daher muss man ausreichend lange warten, bis ein Temperaturlog<br />
durchgeführt werden kann, wobei die Wartezeit von der Magnitude der Störung abhängt.<br />
Als Faustregel für die Wartezeit hat sich das 10 bis 20-fache der Bohrzeit bewährt.<br />
Auch während der Produktion kommt es wegen der Entnahme von Fluiden zu thermischen<br />
Störungen. Meist sind diese aber gering, so dass man die Produktion nur kurz für die<br />
Temperaturmessungen unterbrechen muss.<br />
Grundsätzlich werden Temperaturlogs genauso durchgeführt wie andere Logs, etwa zur<br />
Messung der Dichte oder Schallgeschwindigkeit. Meist werden elektronische<br />
Widerstandsthermometer, z.B. aus Platin, oder Thermistoren verwendet (ein Thermistor ist<br />
ein elektronisches Bauteil mit einem temperaturabhängigen Widerstand (Wheatstonebrücke)).<br />
Nachdem ein Thermistor geeicht ist, braucht man nur den Widerstand zu messen<br />
und erhält so die Temperatur. Auf diese Weise kann man quasi-kontinuierliche Logs mit<br />
einer Genauigkeit von etwa 0.01 K erhalten (allerdings muss man das Instrument in jeder<br />
Tiefe so lange anhalten, bis sich ein konstanter Widerstand eingestellt hat). Pro Minute<br />
lassen sich einige Meter loggen bei einer relativen Genauigkeit von 0.05 K und einer<br />
absoluten von 0.5 K.
Temperaturen in der KTB-Hauptbohrung<br />
<strong>Geothermie</strong>: <strong>Messverfahren</strong><br />
Auch nach der thermischen<br />
Relaxation nach dem<br />
Bohrvorgang sind die<br />
Temperaturen im Bohrloch<br />
vielfältigen Einflüssen<br />
ausgesetzt nächste<br />
Woche<br />
(Clauser et al., 1997)<br />
N. Kukowski, SS2013
Bestimmung der Temperatur im Bohrloch<br />
<strong>Geothermie</strong>: <strong>Messverfahren</strong><br />
Einsatz der Davis-Villinger Sonde im Rahmen des Ocean Drilling Programms<br />
(Heesemann et al., 2003)<br />
N. Kukowski, SS2013
Messung von Temperatur und<br />
thermischen Eigenschaften<br />
<strong>Geothermie</strong>: <strong>Messverfahren</strong><br />
Direkte Temperaturmessungen an Land sind nur in Bohrlöchern oder natürlichen/<br />
künstlichen Hohlräumen möglich. Diese können aber (quasi)kontinuierlich sein<br />
(Temperatur-Log, faseroptische Messungen).<br />
Auf See kann die Temperatur in den obersten Metern in weichen Sedimenten mit<br />
Hilfe von Nadelsonden gemessen werden.<br />
Temperaturbestimmungen in größeren Tiefen und Abschätzung von<br />
Paläotemperaturen können nur indirekt erfolgen<br />
Die Wärmeleitfähigkeit kann im Labor an Proben (von Bohrkernen, aus Aufschlüssen)<br />
gemessen werden. Dazu kommen verschiedene Methoden (Nadelsonde, „Thermogefäße“,<br />
Temperaturscanner nach Popov) zum Einsatz. Die letztgenannte ist heute die am weitaus<br />
meisten eingesetzte (auch in unserem gesteinsphysikalischen Labor).<br />
N. Kukowski, SS2013
Messung von Temperatur und<br />
thermischen Eigenschaften<br />
<strong>Geothermie</strong>: <strong>Messverfahren</strong><br />
12.4.2013: Organisatorisches, thermische Eigenschaften von Mineralen und Gesteinen<br />
19.4.2013: Oberflächenwärmeflussdichte I (+ Übung)<br />
26.4.2013: Oberflächenwärmeflussdichte II (+Übung)<br />
3.5.2013: Dr. S. Großwig, GESO: DTS (+ Übung)<br />
10.5.2013: Messungen und indirekte Temperaturabschätzungen (+ Übung)<br />
17.5.2013: Tagesgang, Jahresgang, Paläoklima und Standortfaktoren (+ Übung)<br />
24.5.2013: Exkursionswoche<br />
31.5.2013: Thermische Entwicklung von Sedimentbecken (mit Test; Anwesenheitspflicht)<br />
7.6.2013: Eigenschaften von Geothermalsystemen (+ Übung)<br />
14.6.2013: Hot dry Rock Verfahren (enhanced geothermal systems) (+ Übung)<br />
21.6.2013: Leseübung: Soultz-sous-Forêts (Anwesenheitspflicht während der gesamten<br />
Zeit)<br />
28.6.2013: Typen geothermischer Kraftwerke, Umwelt- und Kostenfragen I (+ Übung)<br />
(Schillertag)<br />
5.7.2013: Typen geothermischer Kraftwerke, Umwelt- und Kostenfragen II (+ Übung)<br />
12.7.2013: Dezentrale Nutzung der geothermischen Energie (mit Test,<br />
Anwesenheitspflicht)<br />
N. Kukowski, SS2013
Messungen der Temperatur und<br />
Wärmeleitfähigkeit auf See<br />
<strong>Geothermie</strong>: <strong>Messverfahren</strong><br />
Vom Forschungsschiff aus werden Nadelsonden von etwa 2 bis 6 m Länge zur Messung<br />
der Temperatur und Bestimmung der Wärmeflussdichte verwendet (Bullard-, Lister-, Davis-<br />
Villinger Sonden). Die Sonden sind über ein Kabel mit dem Schiff verbunden und mit<br />
mehreren Widerstandsthermometern in Abständen von etwa 25 cm versehen. An ihrem oberen<br />
Ende befindet sich ein schweres Gewicht (ca. 1 t), so dass die Sonden in weiche<br />
Meeresbodensedimente eindringen können. Da die Messpunkte nahe beieinander liegen,<br />
müssen die Temperaturmessungen hochgenau sein (0.001 K), um Gradienten ermitteln zu<br />
können.<br />
Nachdem die thermische Störung aufgrund der beim Eindringen der Sonde freiwerdenden<br />
Reibungswärme abgeklungen ist (das dauert einige Minuten lang), heizt man die Umgebung<br />
der Sonde mittels eines vorgegebenen, bekannten Wärmepulses (etwa 600 J/min) und<br />
beobachtet der Abklingvorgang, der auch einige Minuten dauert. Aus der Geschwindigkeit der<br />
Abnahme der Temperaturerhöhung lässt sich die Wärmeleitfähigkeit bestimmen.<br />
N. Kukowski, SS2013
Bullard-Typ Wärmestromsonde<br />
<strong>Geothermie</strong>: <strong>Messverfahren</strong><br />
(Beardsmore und Cull, 2001)<br />
N. Kukowski, SS2013
Ewing Wärmestromsonde<br />
<strong>Geothermie</strong>: <strong>Messverfahren</strong><br />
(Beardsmore und Cull, 2001)<br />
N. Kukowski, SS2013
Lister-Violinbogen Wärmestromsonde<br />
<strong>Geothermie</strong>: <strong>Messverfahren</strong><br />
(Beardsmore und Cull, 2001)<br />
N. Kukowski, SS2013
Davis-Villinger Sonde<br />
an Bord von FS Sonne<br />
<strong>Geothermie</strong>: <strong>Messverfahren</strong><br />
N. Kukowski, SS2013
Aufbau der Davis-Villinger Sonde<br />
<strong>Geothermie</strong>: <strong>Messverfahren</strong><br />
(Villinger, pers. Mit.)<br />
N. Kukowski, SS2013
Wärmestrommessungen vor Peru<br />
<strong>Geothermie</strong>: <strong>Messverfahren</strong><br />
Messgebiet<br />
N. Kukowski, SS2013
SO146 Wärmestromstationen<br />
im Yaquina-Becken<br />
<strong>Geothermie</strong>: <strong>Messverfahren</strong><br />
(Fahrtbericht SO146)<br />
N. Kukowski, SS2013
Temperaturverlauf und Wärmepuls<br />
<strong>Geothermie</strong>: <strong>Messverfahren</strong><br />
(Fahrtbericht SO146)<br />
N. Kukowski, SS2013
Messung der Wärmeleitfähigkeit im Labor<br />
<strong>Geothermie</strong>: <strong>Messverfahren</strong><br />
Die Wärmeleitfähigkeit wird am häufigsten im Labor an Proben gemessen.<br />
Nachteile: - nur für kernbares Material, bzw. Lockermaterial möglich<br />
- nur kleine Proben (setzt Möglichkeit der repräsentativen<br />
Auswahl voraus)<br />
- das Probenmaterial erfährt Druckentlastung, mechanische<br />
Einwirkungen, Herauslösen aus der ursprünglichen Lagerung,<br />
d.h., die in-situ Bedingungen sind nicht mehr gegeben<br />
- der primäre Wassergehalt ist oft nicht bekannt<br />
Messstrategien: stationäre und instationäre Messungen, Absolut- und Relativmessungen.<br />
Genauigkeit: Die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit ist wesentlich ungenauer als<br />
die der Temperatur (bestenfalls etwa 10%).<br />
N. Kukowski, SS2013
Stationäre Messung der<br />
Wärmeleitfähigkeit<br />
<strong>Geothermie</strong>: <strong>Messverfahren</strong><br />
Einplattenverfahren („divided-bar apparatus): Probe (Festmaterial, etwa Bohrkern) ist<br />
zwischen zwei Materialien bekannter Wärmeleitfähigkeit (z.B. Kupfer, Pyrex, Glas)<br />
eingeschlossen und unter erhöhtem Druck (wegen Ankopplung) gebracht. Durch<br />
einseitige Heizung wird ein stationäres Temperaturgefälle angebracht, also entspricht die<br />
Heizrate dem stationären Wärmestrom. Die andere Seite wird auf einer bekannten, niedrigen<br />
Temperatur gehalten. Man misst die Temperaturdifferenzen und erhält durch Umstellen<br />
des Fourier-Gesetzes:<br />
Dabei ist q der Wärmestrom, h die Probendicke, A die Probenfläche, T 2 – T 1 die<br />
Temperaturdifferenz, also alles Größen, die mit großer Genauigkeit messbar sind.<br />
Relativmessungen werden nach dem gleichen Prinzip mit zwei Proben unterschiedlichen<br />
Materials durchgeführt.<br />
N. Kukowski, SS2013
„Divided bar“ Apparat<br />
<strong>Geothermie</strong>: <strong>Messverfahren</strong><br />
(Jones, 1999)<br />
(Beardsmore und Cull, 2001)<br />
N. Kukowski, SS2013
„Hot-plate“ Methode<br />
<strong>Geothermie</strong>: <strong>Messverfahren</strong><br />
(Jones, 1999)<br />
N. Kukowski, SS2013
Wärmekapazität<br />
<strong>Geothermie</strong>: <strong>Messverfahren</strong><br />
Zylindrische Proben, Bohrklein oder zermahlenes Material<br />
Probenbehälter und leerer Referenzbehälter<br />
Messung beider Wärmeströme und Bestimmung der Wärmekapazität der<br />
Probe aus der Differenz<br />
(Clauser et al., 2007)<br />
N. Kukowski, SS2013
Thermoscanner<br />
<strong>Geothermie</strong>: <strong>Messverfahren</strong><br />
Berührungslose Messung<br />
Bestimmung der Anisotropie sowie „Kartierung“ möglich<br />
überwiegend an trockenen Proben<br />
(Clauser et al., 2007)<br />
N. Kukowski, SS2013
Thermoscanner<br />
<strong>Geothermie</strong>: <strong>Messverfahren</strong><br />
Ultraschallgeschwindigkeit (rot) und Wärmeleitfähigkeit einer<br />
Wechsellagerung von Anhydrit (hell) und Dolomit (dunkel)<br />
(Clauser et al., 2007)<br />
N. Kukowski, SS2013
Thermoscanner<br />
<strong>Geothermie</strong>: <strong>Messverfahren</strong><br />
Messung relativ zu Standards (vor und hinter der Probe)<br />
Schwärzung der Probe mit Acryllack (einheitliche Reflektivität)<br />
Proben sollten dicker als 4 cm sein<br />
Infrarotlichtquelle<br />
Infrarot-Thermosensoren<br />
Wenig aufwändige Probenvorbereitung und Messung<br />
Messung meist entlang einer Mittellinie (Halbkern mit aufliegender Fläche) oder<br />
entlang eines Rasters<br />
Hoher Messpunktabstand möglich (z.B. 5 mm)<br />
Mit Zusatzausrüstung auch Messung der thermischen Diffusivität möglich)<br />
N. Kukowski, SS2013
Instationäre Methoden<br />
<strong>Geothermie</strong>: <strong>Messverfahren</strong><br />
Messung mit Hilfe einer Nadelsonde, die in<br />
einen Bohrkern eingebracht und mit einer<br />
bekannten Rate beheizt wird. Die Temperatur<br />
wird einige Minuten lang gemessen. Die<br />
Messwerte werden auf einer logarithmischen<br />
Achse gegen die Zeit aufgetragen: man erhält<br />
eine Gerade, deren Steigung der<br />
Wärmeleitfähigkeit umgekehrt proportional<br />
ist:<br />
Dabei ist Q die auf die Länge normierte<br />
Heizrate, C r eine Konstante (Achsenabschnitt)<br />
Konstruktionsskizze einer<br />
konventionellen Nadelsonde<br />
(Beardsmore und Cull, 2001)<br />
N. Kukowski, SS2013
Indirekte Ermittlung von Temperaturen<br />
<strong>Geothermie</strong>: Geothermometer<br />
Geophysikalische Methoden<br />
Gravimetrie<br />
Geoelektrik<br />
Magnetik<br />
seismische (Geschwindigkeitstomographie)<br />
Geothermometer (Lösungsgleichgewichte)<br />
SiO2-Termometer<br />
Na-K-Ca-Thermometer<br />
Na-Li- und Na-K-Thermometer<br />
Spaltspuren<br />
Inkohlung ( Sedimentbecken)<br />
Isotopenverhältnisse (Paläotemperaturen)<br />
Da alle Abschätzungen große Ungenauigkeiten ausweisen können, ist eine<br />
Kombination mehrerer wichtig.<br />
Photo: N. Kukowski<br />
N. Kukowski, SS2013
<strong>Geothermie</strong>: Geothermometer<br />
Temperaturermittlung aus gravimetrischen Messungen<br />
Dichteunterschiede im Untergrund können verschiedene Ursachen haben, z.B. die<br />
Anwesenheit unterschiedlicher Materialien, Porositätsunterschiede, oder<br />
Temperaturunterschiede.<br />
Um aus (mikro)gravimetrischen Messungen Rückschlüsse ziehen zu können, muss man die<br />
Struktur des Untergrundes sehr detailliert kennen und dazu die ungefähre Position einer<br />
thermischen Anomalie. Anwendungen sind z.B. die Detektion der Aufstiegswege heißer<br />
Wässer. Für die temperaturbedingte Schwereanomalie gilt:<br />
und<br />
Daher ist eine erhöhte Temperatur i. a. mit einer negativen Schwereanomalie verbunden.<br />
f(x) beschreibt die Geometrie des Modellkörpers,<br />
N. Kukowski, SS2013
<strong>Geothermie</strong>: Geothermometer<br />
Temperaturermittlung aus geo-elektrischen Messungen<br />
Der elektrische Widerstand eines Gesteins setzt sich aus dem (hohen) Widerstand der Matrix<br />
und dem (geringen) des Porenfluids (Elektrolyt) zusammen. Für ihn gilt: R = R e φ -m S -2 mit R<br />
= Widerstand, S = Sättigung (0 ≤ S ≤ 1), R e = Widerstand des Elektrolyten (< 10 2 Ωm), m =<br />
empirische Konstante (1 für Lockersedimente, 2.2 für stark kompaktierte Sedimente), φ =<br />
Porosität.<br />
Die spezifische Leitfähigkeit ergibt sich zu σ = σ E / (F + σ q ) mit σ E der Leitfähigkeit des<br />
Elektrolyten, F einem Formationsfaktor (Beschreibt die Porosität, die Porengeometrie,<br />
Porengröße, den Tonanteil) und σ q der Grenzflächenleitfähigkeit. Die Ionenleitfähigkeit des<br />
Elektrolyten ist temperaturabhängig:<br />
α el = 0.026 K -1 für 0°C ≤ T ≤ 200°C, 0.001 K -1 für 200°C ≤ T ≤ 350°C. Damit ist<br />
bzw., wenn der Formationsfaktor nicht bekannt ist:<br />
N. Kukowski, SS2013
Magnetische Eigenschaften<br />
und Magnetotellurik<br />
<strong>Geothermie</strong>: Geothermometer<br />
Hierbei nutzt man niederfrequente (< 1Hz), natürliche elektromagnetische Felder, die tief in<br />
die Kruste, bzw. in den oberen Mantel eindringen. Für die Temperaturabhängigkeit der<br />
spezifischen Leitfähigkeit gilt:<br />
Mit E = mittlere Aktivierungsenergie, K B = Boltzmann Konstante und σ 0 = σ für T → ∞ .<br />
Man kann auf diese Weite eine Übersicht über die Temperaturverteilung erhalten. Jedoch: bei<br />
niedrigen Temperaturen und Tiefen ist σ E dominant, E und σ 0 sind für große Tiefen und hohe<br />
Temperaturen nur schlecht bekannt.<br />
Weitere Möglichkeiten zur Temperaturermittlung liegen darin, die magnetischen<br />
Eigenschaften des Magnetits (Fe 3 O 4 ) auszunutzen (Ferrimagnetismus). Oberhalb der Curie-<br />
Temperatur (etwa 580 °C für reinen Magnetit; nimmt mit zunehmenden Titangehalt deutlich<br />
ab) verschwinden die ferrimagnetischen Eigenschaften. Man kann daraus eine Isotherme<br />
ableiten und aus der Tiefenlage dieser Isotherme den Temperaturgradienten. Also geben<br />
negative magnetische Anomalien hinweise auf Gebiete mit erhöhten Temperaturen. Die<br />
Curie-Fläche ist z.B. im Raum Urach (gut untersuchtes Geothermalfeld im Schwarzwald)<br />
aufgewölbt.<br />
N. Kukowski, SS2013
Temperaturabhängigkeit<br />
seismischer Geschwindigkeiten<br />
<strong>Geothermie</strong>: Geothermometer<br />
Abhängigkeit der Kompressions- und Scherwellengeschwindigkeit von der<br />
Temperatur, Perowskit, Eisen und Kalzium als Funktion der Tiefe. Im T-<br />
Bereich von 100°C bis 600°C kann die v p -Variation für Granit bei hohem<br />
Quarzgehalt etwa 5% ausmachen<br />
(Deschamps und Trampert, 2003)<br />
N. Kukowski, SS2013
Temperaturabhängigkeit<br />
seismischer Geschwindigkeiten<br />
<strong>Geothermie</strong>: Geothermometer<br />
(Deal et al., 1999a)<br />
N. Kukowski, SS2013
Temperaturabhängigkeit<br />
seismischer Geschwindigkeiten<br />
<strong>Geothermie</strong>: Geothermometer<br />
(Deal et al., 1999b)<br />
N. Kukowski, SS2013
<strong>Geothermie</strong>: Geothermometer<br />
Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit und Lösungsgleichgewichte<br />
Löslichkeit von SiO 2 in Wasser, gepunktete<br />
Kurve ist Eichkurve für Deutschland<br />
(Buntebarth, 1980)<br />
N. Kukowski, SS2013
Na-K-Ca-Thermometer<br />
<strong>Geothermie</strong>: Geothermometer<br />
Vorteil: man braucht nur die Verhältnisse der Konzentrationen zur Berechnung der<br />
Temperatur des Lösungsgleichgewichtes, was zu kleineren Fehlern führt.<br />
Gleichgewichtstemperatur:<br />
Fehler entstehen durch unterschiedliche, bzw. nicht bekannte Salinitäten der untersuchten<br />
Wässer.<br />
N. Kukowski, SS2013
Na-K-Ca-Thermometer<br />
<strong>Geothermie</strong>: Geothermometer<br />
Eichkurve für das Na-K-Ca Thermometer<br />
(Buntebarth, 1980)<br />
N. Kukowski, SS2013
Stabile Isotope als Geothermometer<br />
<strong>Geothermie</strong>: Geothermometer<br />
Isotope<br />
Elemente mit gleicher Protonenzahl (P) aber verschiedener Neutronenzahl (N)<br />
(z.B.<br />
,…)<br />
Stabile Isotope<br />
Isotopenverhältnis<br />
Bsp.<br />
δ-Notation<br />
Angabe in „per mille“<br />
Die Standardverhältnisse (u.a. von der IAEA festgelegt):<br />
VSMOW – Vienna Standard Mean Ocean Water (für O und H)<br />
VPDB – Vienna Pee Dee Belemnite (für C und O)<br />
N. Kukowski, SS2013
Stabile Isotope als Geothermometer<br />
<strong>Geothermie</strong>: Geothermometer<br />
• Massenunterschiede führen zu unterschiedlichen<br />
Isotopenverhältnissen, da dadurch Moleküle<br />
unterschiedliche physikalisch-chemischen<br />
Reaktionen zeigen<br />
N. Kukowski, SS2013
Stabile Isotope als Geothermometer<br />
<strong>Geothermie</strong>: Geothermometer<br />
δ > 0: Die Probe ist an schweren Isotopen angereichert<br />
δ < 0: Die Probe ist an schweren Isotopen erschöpft<br />
Bei einer Reaktion (<br />
) gibt der Fraktionierungsfaktor α das<br />
Verhältnis der Isotopenverhältnisse vor und nach der Reaktion an<br />
Anreicherungsfaktor: ε = α - 1<br />
ε > 1: Anreicherung des schweren Isotops<br />
ε < 1: Abreicherung des schweren Isotops<br />
N. Kukowski, SS2013
Stabile Isotope als Geothermometer<br />
<strong>Geothermie</strong>: Geothermometer<br />
Experimentell<br />
gezeigt:<br />
(Angabe in per mille)<br />
N. Kukowski, SS2013
Stabile Isotope als Geothermometer<br />
<strong>Geothermie</strong>: Geothermometer<br />
<br />
Beeinflussung des Klimas durch periodische<br />
extraterrestrische Einflüsse (Milanković-Zyklen):<br />
Exzentrizität (400 ka und 100ka)<br />
Erdneigung (41 ka)<br />
Präzession (23 ka)<br />
Bei langzeitiger Klimabetrachtung sollten diese 3<br />
Einflüsse zu sehen sein<br />
<br />
Untersuchungen von mehr als<br />
40 über die Erde verteilten Bohrungen<br />
(Zachos et al., 2003)<br />
N. Kukowski, SS2013
Stabile Isotope als Geothermometer<br />
<strong>Geothermie</strong>: Geothermometer<br />
(Zachos et al., 2003)<br />
N. Kukowski, SS2013