Geothermie: Messverfahren

Messung von Temperatur und
thermischen Eigenschaften
Geothermie: Messverfahren
Photo: N. Kukowski
N. Kukowski, SS2013

Bestimmung der Temperatur im Bohrloch
N. Kukowski, SS2013
Geothermie: Messverfahren
Die Messung der Temperatur über einen größeren Tiefenbereich setzt ein Bohrloch voraus.
Allerdings führt der Bohrvorgang selbst zu einer thermischen Störung, zum einen durch die
Reibungswärme, die beim Bohren entsteht, zum anderen durch das Einbringen der (kalten)
Bohrspülung. Daher muss man ausreichend lange warten, bis ein Temperaturlog
durchgeführt werden kann, wobei die Wartezeit von der Magnitude der Störung abhängt.
Als Faustregel für die Wartezeit hat sich das 10 bis 20-fache der Bohrzeit bewährt.
Auch während der Produktion kommt es wegen der Entnahme von Fluiden zu thermischen
Störungen. Meist sind diese aber gering, so dass man die Produktion nur kurz für die
Temperaturmessungen unterbrechen muss.
Grundsätzlich werden Temperaturlogs genauso durchgeführt wie andere Logs, etwa zur
Messung der Dichte oder Schallgeschwindigkeit. Meist werden elektronische
Widerstandsthermometer, z.B. aus Platin, oder Thermistoren verwendet (ein Thermistor ist
ein elektronisches Bauteil mit einem temperaturabhängigen Widerstand (Wheatstonebrücke)).
Nachdem ein Thermistor geeicht ist, braucht man nur den Widerstand zu messen
und erhält so die Temperatur. Auf diese Weise kann man quasi-kontinuierliche Logs mit
einer Genauigkeit von etwa 0.01 K erhalten (allerdings muss man das Instrument in jeder
Tiefe so lange anhalten, bis sich ein konstanter Widerstand eingestellt hat). Pro Minute
lassen sich einige Meter loggen bei einer relativen Genauigkeit von 0.05 K und einer
absoluten von 0.5 K.

Temperaturen in der KTB-Hauptbohrung
Geothermie: Messverfahren
Auch nach der thermischen
Relaxation nach dem
Bohrvorgang sind die
Temperaturen im Bohrloch
vielfältigen Einflüssen
ausgesetzt nächste
Woche
(Clauser et al., 1997)
N. Kukowski, SS2013

Bestimmung der Temperatur im Bohrloch
Geothermie: Messverfahren
Einsatz der Davis-Villinger Sonde im Rahmen des Ocean Drilling Programms
(Heesemann et al., 2003)
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Messung von Temperatur und
thermischen Eigenschaften
Geothermie: Messverfahren
Direkte Temperaturmessungen an Land sind nur in Bohrlöchern oder natürlichen/
künstlichen Hohlräumen möglich. Diese können aber (quasi)kontinuierlich sein
(Temperatur-Log, faseroptische Messungen).
Auf See kann die Temperatur in den obersten Metern in weichen Sedimenten mit
Hilfe von Nadelsonden gemessen werden.
Temperaturbestimmungen in größeren Tiefen und Abschätzung von
Paläotemperaturen können nur indirekt erfolgen
Die Wärmeleitfähigkeit kann im Labor an Proben (von Bohrkernen, aus Aufschlüssen)
gemessen werden. Dazu kommen verschiedene Methoden (Nadelsonde, „Thermogefäße“,
Temperaturscanner nach Popov) zum Einsatz. Die letztgenannte ist heute die am weitaus
meisten eingesetzte (auch in unserem gesteinsphysikalischen Labor).
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Messung von Temperatur und
thermischen Eigenschaften
Geothermie: Messverfahren
12.4.2013: Organisatorisches, thermische Eigenschaften von Mineralen und Gesteinen
19.4.2013: Oberflächenwärmeflussdichte I (+ Übung)
26.4.2013: Oberflächenwärmeflussdichte II (+Übung)
3.5.2013: Dr. S. Großwig, GESO: DTS (+ Übung)
10.5.2013: Messungen und indirekte Temperaturabschätzungen (+ Übung)
17.5.2013: Tagesgang, Jahresgang, Paläoklima und Standortfaktoren (+ Übung)
24.5.2013: Exkursionswoche
31.5.2013: Thermische Entwicklung von Sedimentbecken (mit Test; Anwesenheitspflicht)
7.6.2013: Eigenschaften von Geothermalsystemen (+ Übung)
14.6.2013: Hot dry Rock Verfahren (enhanced geothermal systems) (+ Übung)
21.6.2013: Leseübung: Soultz-sous-Forêts (Anwesenheitspflicht während der gesamten
Zeit)
28.6.2013: Typen geothermischer Kraftwerke, Umwelt- und Kostenfragen I (+ Übung)
(Schillertag)
5.7.2013: Typen geothermischer Kraftwerke, Umwelt- und Kostenfragen II (+ Übung)
12.7.2013: Dezentrale Nutzung der geothermischen Energie (mit Test,
Anwesenheitspflicht)
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Messungen der Temperatur und
Wärmeleitfähigkeit auf See
Geothermie: Messverfahren
Vom Forschungsschiff aus werden Nadelsonden von etwa 2 bis 6 m Länge zur Messung
der Temperatur und Bestimmung der Wärmeflussdichte verwendet (Bullard-, Lister-, Davis-
Villinger Sonden). Die Sonden sind über ein Kabel mit dem Schiff verbunden und mit
mehreren Widerstandsthermometern in Abständen von etwa 25 cm versehen. An ihrem oberen
Ende befindet sich ein schweres Gewicht (ca. 1 t), so dass die Sonden in weiche
Meeresbodensedimente eindringen können. Da die Messpunkte nahe beieinander liegen,
müssen die Temperaturmessungen hochgenau sein (0.001 K), um Gradienten ermitteln zu
können.
Nachdem die thermische Störung aufgrund der beim Eindringen der Sonde freiwerdenden
Reibungswärme abgeklungen ist (das dauert einige Minuten lang), heizt man die Umgebung
der Sonde mittels eines vorgegebenen, bekannten Wärmepulses (etwa 600 J/min) und
beobachtet der Abklingvorgang, der auch einige Minuten dauert. Aus der Geschwindigkeit der
Abnahme der Temperaturerhöhung lässt sich die Wärmeleitfähigkeit bestimmen.
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Bullard-Typ Wärmestromsonde
Geothermie: Messverfahren
(Beardsmore und Cull, 2001)
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Ewing Wärmestromsonde
Geothermie: Messverfahren
(Beardsmore und Cull, 2001)
N. Kukowski, SS2013

Lister-Violinbogen Wärmestromsonde
Geothermie: Messverfahren
(Beardsmore und Cull, 2001)
N. Kukowski, SS2013

Davis-Villinger Sonde
an Bord von FS Sonne
Geothermie: Messverfahren
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Aufbau der Davis-Villinger Sonde
Geothermie: Messverfahren
(Villinger, pers. Mit.)
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Wärmestrommessungen vor Peru
Geothermie: Messverfahren
Messgebiet
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SO146 Wärmestromstationen
im Yaquina-Becken
Geothermie: Messverfahren
(Fahrtbericht SO146)
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Temperaturverlauf und Wärmepuls
Geothermie: Messverfahren
(Fahrtbericht SO146)
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Messung der Wärmeleitfähigkeit im Labor
Geothermie: Messverfahren
Die Wärmeleitfähigkeit wird am häufigsten im Labor an Proben gemessen.
Nachteile: - nur für kernbares Material, bzw. Lockermaterial möglich
- nur kleine Proben (setzt Möglichkeit der repräsentativen
Auswahl voraus)
- das Probenmaterial erfährt Druckentlastung, mechanische
Einwirkungen, Herauslösen aus der ursprünglichen Lagerung,
d.h., die in-situ Bedingungen sind nicht mehr gegeben
- der primäre Wassergehalt ist oft nicht bekannt
Messstrategien: stationäre und instationäre Messungen, Absolut- und Relativmessungen.
Genauigkeit: Die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit ist wesentlich ungenauer als
die der Temperatur (bestenfalls etwa 10%).
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Stationäre Messung der
Wärmeleitfähigkeit
Geothermie: Messverfahren
Einplattenverfahren („divided-bar apparatus): Probe (Festmaterial, etwa Bohrkern) ist
zwischen zwei Materialien bekannter Wärmeleitfähigkeit (z.B. Kupfer, Pyrex, Glas)
eingeschlossen und unter erhöhtem Druck (wegen Ankopplung) gebracht. Durch
einseitige Heizung wird ein stationäres Temperaturgefälle angebracht, also entspricht die
Heizrate dem stationären Wärmestrom. Die andere Seite wird auf einer bekannten, niedrigen
Temperatur gehalten. Man misst die Temperaturdifferenzen und erhält durch Umstellen
des Fourier-Gesetzes:
Dabei ist q der Wärmestrom, h die Probendicke, A die Probenfläche, T 2 – T 1 die
Temperaturdifferenz, also alles Größen, die mit großer Genauigkeit messbar sind.
Relativmessungen werden nach dem gleichen Prinzip mit zwei Proben unterschiedlichen
Materials durchgeführt.
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„Divided bar“ Apparat
Geothermie: Messverfahren
(Jones, 1999)
(Beardsmore und Cull, 2001)
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„Hot-plate“ Methode
Geothermie: Messverfahren
(Jones, 1999)
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Wärmekapazität
Geothermie: Messverfahren
Zylindrische Proben, Bohrklein oder zermahlenes Material
Probenbehälter und leerer Referenzbehälter
Messung beider Wärmeströme und Bestimmung der Wärmekapazität der
Probe aus der Differenz
(Clauser et al., 2007)
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Thermoscanner
Geothermie: Messverfahren
Berührungslose Messung
Bestimmung der Anisotropie sowie „Kartierung“ möglich
überwiegend an trockenen Proben
(Clauser et al., 2007)
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Thermoscanner
Geothermie: Messverfahren
Ultraschallgeschwindigkeit (rot) und Wärmeleitfähigkeit einer
Wechsellagerung von Anhydrit (hell) und Dolomit (dunkel)
(Clauser et al., 2007)
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Thermoscanner
Geothermie: Messverfahren
Messung relativ zu Standards (vor und hinter der Probe)
Schwärzung der Probe mit Acryllack (einheitliche Reflektivität)
Proben sollten dicker als 4 cm sein
Infrarotlichtquelle
Infrarot-Thermosensoren
Wenig aufwändige Probenvorbereitung und Messung
Messung meist entlang einer Mittellinie (Halbkern mit aufliegender Fläche) oder
entlang eines Rasters
Hoher Messpunktabstand möglich (z.B. 5 mm)
Mit Zusatzausrüstung auch Messung der thermischen Diffusivität möglich)
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Instationäre Methoden
Geothermie: Messverfahren
Messung mit Hilfe einer Nadelsonde, die in
einen Bohrkern eingebracht und mit einer
bekannten Rate beheizt wird. Die Temperatur
wird einige Minuten lang gemessen. Die
Messwerte werden auf einer logarithmischen
Achse gegen die Zeit aufgetragen: man erhält
eine Gerade, deren Steigung der
Wärmeleitfähigkeit umgekehrt proportional
ist:
Dabei ist Q die auf die Länge normierte
Heizrate, C r eine Konstante (Achsenabschnitt)
Konstruktionsskizze einer
konventionellen Nadelsonde
(Beardsmore und Cull, 2001)
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Indirekte Ermittlung von Temperaturen
Geothermie: Geothermometer
Geophysikalische Methoden
Gravimetrie
Geoelektrik
Magnetik
seismische (Geschwindigkeitstomographie)
Geothermometer (Lösungsgleichgewichte)
SiO2-Termometer
Na-K-Ca-Thermometer
Na-Li- und Na-K-Thermometer
Spaltspuren
Inkohlung ( Sedimentbecken)
Isotopenverhältnisse (Paläotemperaturen)
Da alle Abschätzungen große Ungenauigkeiten ausweisen können, ist eine
Kombination mehrerer wichtig.
Photo: N. Kukowski
N. Kukowski, SS2013

Geothermie: Geothermometer
Temperaturermittlung aus gravimetrischen Messungen
Dichteunterschiede im Untergrund können verschiedene Ursachen haben, z.B. die
Anwesenheit unterschiedlicher Materialien, Porositätsunterschiede, oder
Temperaturunterschiede.
Um aus (mikro)gravimetrischen Messungen Rückschlüsse ziehen zu können, muss man die
Struktur des Untergrundes sehr detailliert kennen und dazu die ungefähre Position einer
thermischen Anomalie. Anwendungen sind z.B. die Detektion der Aufstiegswege heißer
Wässer. Für die temperaturbedingte Schwereanomalie gilt:
und
Daher ist eine erhöhte Temperatur i. a. mit einer negativen Schwereanomalie verbunden.
f(x) beschreibt die Geometrie des Modellkörpers,
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Geothermie: Geothermometer
Temperaturermittlung aus geo-elektrischen Messungen
Der elektrische Widerstand eines Gesteins setzt sich aus dem (hohen) Widerstand der Matrix
und dem (geringen) des Porenfluids (Elektrolyt) zusammen. Für ihn gilt: R = R e φ -m S -2 mit R
= Widerstand, S = Sättigung (0 ≤ S ≤ 1), R e = Widerstand des Elektrolyten (< 10 2 Ωm), m =
empirische Konstante (1 für Lockersedimente, 2.2 für stark kompaktierte Sedimente), φ =
Porosität.
Die spezifische Leitfähigkeit ergibt sich zu σ = σ E / (F + σ q ) mit σ E der Leitfähigkeit des
Elektrolyten, F einem Formationsfaktor (Beschreibt die Porosität, die Porengeometrie,
Porengröße, den Tonanteil) und σ q der Grenzflächenleitfähigkeit. Die Ionenleitfähigkeit des
Elektrolyten ist temperaturabhängig:
α el = 0.026 K -1 für 0°C ≤ T ≤ 200°C, 0.001 K -1 für 200°C ≤ T ≤ 350°C. Damit ist
bzw., wenn der Formationsfaktor nicht bekannt ist:
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Magnetische Eigenschaften
und Magnetotellurik
Geothermie: Geothermometer
Hierbei nutzt man niederfrequente (< 1Hz), natürliche elektromagnetische Felder, die tief in
die Kruste, bzw. in den oberen Mantel eindringen. Für die Temperaturabhängigkeit der
spezifischen Leitfähigkeit gilt:
Mit E = mittlere Aktivierungsenergie, K B = Boltzmann Konstante und σ 0 = σ für T → ∞ .
Man kann auf diese Weite eine Übersicht über die Temperaturverteilung erhalten. Jedoch: bei
niedrigen Temperaturen und Tiefen ist σ E dominant, E und σ 0 sind für große Tiefen und hohe
Temperaturen nur schlecht bekannt.
Weitere Möglichkeiten zur Temperaturermittlung liegen darin, die magnetischen
Eigenschaften des Magnetits (Fe 3 O 4 ) auszunutzen (Ferrimagnetismus). Oberhalb der Curie-
Temperatur (etwa 580 °C für reinen Magnetit; nimmt mit zunehmenden Titangehalt deutlich
ab) verschwinden die ferrimagnetischen Eigenschaften. Man kann daraus eine Isotherme
ableiten und aus der Tiefenlage dieser Isotherme den Temperaturgradienten. Also geben
negative magnetische Anomalien hinweise auf Gebiete mit erhöhten Temperaturen. Die
Curie-Fläche ist z.B. im Raum Urach (gut untersuchtes Geothermalfeld im Schwarzwald)
aufgewölbt.
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Temperaturabhängigkeit
seismischer Geschwindigkeiten
Geothermie: Geothermometer
Abhängigkeit der Kompressions- und Scherwellengeschwindigkeit von der
Temperatur, Perowskit, Eisen und Kalzium als Funktion der Tiefe. Im T-
Bereich von 100°C bis 600°C kann die v p -Variation für Granit bei hohem
Quarzgehalt etwa 5% ausmachen
(Deschamps und Trampert, 2003)
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Temperaturabhängigkeit
seismischer Geschwindigkeiten
Geothermie: Geothermometer
(Deal et al., 1999a)
N. Kukowski, SS2013

Temperaturabhängigkeit
seismischer Geschwindigkeiten
Geothermie: Geothermometer
(Deal et al., 1999b)
N. Kukowski, SS2013

Geothermie: Geothermometer
Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit und Lösungsgleichgewichte
Löslichkeit von SiO 2 in Wasser, gepunktete
Kurve ist Eichkurve für Deutschland
(Buntebarth, 1980)
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Na-K-Ca-Thermometer
Geothermie: Geothermometer
Vorteil: man braucht nur die Verhältnisse der Konzentrationen zur Berechnung der
Temperatur des Lösungsgleichgewichtes, was zu kleineren Fehlern führt.
Gleichgewichtstemperatur:
Fehler entstehen durch unterschiedliche, bzw. nicht bekannte Salinitäten der untersuchten
Wässer.
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Na-K-Ca-Thermometer
Geothermie: Geothermometer
Eichkurve für das Na-K-Ca Thermometer
(Buntebarth, 1980)
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Stabile Isotope als Geothermometer
Geothermie: Geothermometer
Isotope
Elemente mit gleicher Protonenzahl (P) aber verschiedener Neutronenzahl (N)
(z.B.
,…)
Stabile Isotope
Isotopenverhältnis
Bsp.
δ-Notation
Angabe in „per mille“
Die Standardverhältnisse (u.a. von der IAEA festgelegt):
VSMOW – Vienna Standard Mean Ocean Water (für O und H)
VPDB – Vienna Pee Dee Belemnite (für C und O)
N. Kukowski, SS2013

Stabile Isotope als Geothermometer
Geothermie: Geothermometer
• Massenunterschiede führen zu unterschiedlichen
Isotopenverhältnissen, da dadurch Moleküle
unterschiedliche physikalisch-chemischen
Reaktionen zeigen
N. Kukowski, SS2013

Stabile Isotope als Geothermometer
Geothermie: Geothermometer
δ > 0: Die Probe ist an schweren Isotopen angereichert
δ < 0: Die Probe ist an schweren Isotopen erschöpft
Bei einer Reaktion (
) gibt der Fraktionierungsfaktor α das
Verhältnis der Isotopenverhältnisse vor und nach der Reaktion an
Anreicherungsfaktor: ε = α - 1
ε > 1: Anreicherung des schweren Isotops
ε < 1: Abreicherung des schweren Isotops
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Stabile Isotope als Geothermometer
Geothermie: Geothermometer
Experimentell
gezeigt:
(Angabe in per mille)
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Stabile Isotope als Geothermometer
Geothermie: Geothermometer
Beeinflussung des Klimas durch periodische
extraterrestrische Einflüsse (Milanković-Zyklen):
Exzentrizität (400 ka und 100ka)
Erdneigung (41 ka)
Präzession (23 ka)
Bei langzeitiger Klimabetrachtung sollten diese 3
Einflüsse zu sehen sein
Untersuchungen von mehr als
40 über die Erde verteilten Bohrungen
(Zachos et al., 2003)
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Stabile Isotope als Geothermometer
Geothermie: Geothermometer
(Zachos et al., 2003)
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