TY  - THES
A1  - Schütz, Felina
T1  - Surface heat flow and lithospheric thermal structure of the northwestern Arabian Plate
T1  - Oberflächenwärmefluß und thermische Struktur der Lithosphäre der nordwestlichen Arabischen Platte
N2  - The surface heat flow (qs) is paramount for modeling the thermal structure of the lithosphere. Changes in the qs over a distinct lithospheric unit are normally directly reflecting changes in the crustal composition and therewith the radiogenic heat budget (e.g., Rudnick et al., 1998; Förster and Förster, 2000; Mareschal and Jaupart, 2004; Perry et al., 2006; Hasterok and Chapman, 2011, and references therein) or, less usual, changes in the mantle heat flow (e.g., Pollack and Chapman, 1977). Knowledge of this physical property is therefore of great interest for both academic research and the energy industry. The present study focuses on the qs of central and southern Israel as part of the Sinai Microplate (SM). Having formed during Oligocene to Miocene rifting and break-up of the African and Arabian plates, the SM is characterized by a young and complex tectonic history. Resulting from the time thermal diffusion needs to pass through the lithosphere, on the order of several tens-of-millions of years (e.g., Fowler, 1990); qs-values of the area reflect conditions of pre-Oligocene times. The thermal structure of the lithosphere beneath the SM in general, and south-central Israel in particular, has remained poorly understood. To address this problem, the two parameters needed for the qs determination were investigated. Temperature measurements were made at ten pre-existing oil and water exploration wells, and the thermal conductivity of 240 drill core and outcrop samples was measured in the lab. The thermal conductivity is the sensitive parameter in this determination. Lab measurements were performed on both, dry and water-saturated samples, which is labor- and time-consuming. Another possibility is the measurement of thermal conductivity in dry state and the conversion to a saturated value by using mean model approaches. The availability of a voluminous and diverse dataset of thermal conductivity values in this study allowed (1) in connection with the temperature gradient to calculate new reliable qs values and to use them to model the thermal pattern of the crust in south-central Israel, prior to young tectonic events, and (2) in connection with comparable datasets, controlling the quality of different mean model approaches for indirect determination of bulk thermal conductivity (BTC) of rocks. The reliability of numerically derived BTC values appears to vary between different mean models, and is also strongly dependent upon sample lithology. Yet, correction algorithms may significantly reduce the mismatch between measured and calculated conductivity values based on the different mean models. Furthermore, the dataset allowed the derivation of lithotype-specific conversion equations to calculate the water-saturated BTC directly from data of dry-measured BTC and porosity (e.g., well log derived porosity) with no use of any mean model and thus provide a suitable tool for fast analysis of large datasets. The results of the study indicate that the qs in the study area is significantly higher than previously assumed. The new presented qs values range between 50 and 62 mW m⁻². A weak trend of decreasing heat flow can be identified from the east to the west (55-50 mW m⁻²), and an increase from the Dead Sea Basin to the south (55-62 mW m⁻²). The observed range can be explained by variation in the composition (heat production) of the upper crust, accompanied by more systematic spatial changes in its thickness. The new qs data then can be used, in conjunction with petrophysical data and information on the structure and composition of the lithosphere, to adjust a model of the pre-Oligocene thermal state of the crust in south-central Israel. The 2-D steady-state temperature model was calculated along an E-W traverse based on the DESIRE seismic profile (Mechie et al., 2009). The model comprises the entire lithosphere down to the lithosphere–asthenosphere boundary (LAB) involving the most recent knowledge of the lithosphere in pre-Oligocene time, i.e., prior to the onset of rifting and plume-related lithospheric thermal perturbations. The adjustment of modeled and measured qs allows conclusions about the pre-Oligocene LAB-depth. After the best fitting the most likely depth is 150 km which is consistent with estimations made in comparable regions of the Arabian Shield. It therefore comprises the first ever modelled pre-Oligocene LAB depth, and provides important clues on the thermal state of lithosphere before rifting. This, in turn, is vital for a better understanding of the (thermo)-dynamic processes associated with lithosphere extension and continental break-up.
N2  - Der Oberflächenwärmefluss (qs) ist maßgeblich für die Modellierung der thermischen Struktur der Lithosphäre. Änderungen im qs, innerhalb eines speziellen lithosphärischen Abschnitts, reflektieren direkt Änderungen in der krustalen Zusammensetzung und damit der radiogenen Wärmeproduktion (e.g., Rudnick et al., 1998; Förster und Förster, 2000; Mareschal und Jaupart, 2004; Perry et al., 2006; Hasterok und Chapman, 2011) oder aber, weniger häufig, Änderungen im Mantelwärmefluss (e.g., Pollack und Chapman, 1977). Die Kenntnis dieses physikalischen Parameters ist daher von großem Interesse, sowohl für die Forschung als auch für die Energiewirtschaft. Die vorliegende Studie befasst sich mit dem qs von Süd- und Zentralisrael als Teil der Sinai Mikroplatte (SM), welche während des Riftings und Auseinanderbrechens der Afrikanischen und Arabischen Platte im Oligozän entstand und durch diese, sehr junge und komplexe tektonische Geschichte, geprägt ist. Die thermische Diffusion benötigt einige Zehner-Millionen Jahre (e.g., Fowler, 1990) um die Lithosphäre zu durchlaufen, qs-Werte der Region reflektieren daher prä-oligozäne Bedingungen. Die thermische Struktur der Lithosphäre in Süd- und Zentralisrael, ist bis heute nur sehr wenig verstanden. Um dieses Problem anzugehen wurden die Parameter die für die qs-Bestimmung benötigt werden, eingehend untersucht. An zehn ehemaligen Wasser- und Erdölexplorationsbohrungen wurden neue Temperaturmessungen durchgeführt, und die Wärmeleitfähigkeit von 240 Bohrkern- und Aufschlussproben wurde im Labor gemessen. Die Wärmeleitfähigkeit ist in der qs-Bestimmung der sensitive Parameter. Die Labormessungen wurden sowohl an trockenen sowie an wasser-gesättigten Proben durchgeführt, was personal-und zeitaufwendig ist. Eine andere Möglichkeit ist die Messung der Wärmeleitfähigkeit im trockenen Zustand und das Konvertieren zu einem saturierten Wert unter der Verwendung von Mischungsgesetzen. Das Vorhandensein eines umfangreichen und sehr diversen Wärmeleitfähigkeit-Datensatzes ermöglicht (1) in Verbindung mit dem Temperaturgradienten die Berechnung von neuen zuverlässigen qs-Werten sowie deren Verwendung zur Modellierung der thermischen Struktur der prä-oligozänen Kruste in Israel und (2) in Verbindung mit vergleichbaren Datensätzen, die vorhandenen Mischungsgesetzte zur indirekten Bestimmung der saturierten Gesamtwärmeleitfähigkeit (BTC) qualitativ zu überprüfen. Die Zuverlässigkeit numerisch bestimmter BTC-Werte variiert für die verschiedenen Mischungsgesetze und ist darüber hinaus stark von der Lithologie der Proben abhängig. Mittels spezifischer Korrekturgleichungen können Abweichungen zwischen gemessenen und berechneten Werten jedoch erheblich reduziert werden. Die Datenanzahl und die statistische Analyse ermöglichte darüber hinaus die Ableitung von lithotypspezifischen Konvertierungsgleichungen, um die saturierte BTC anhand von trocken gemessenen BTC- und Porositätswerten (z.B. aus Logs) zu berechnen. Dieser Ansatz führt, für alle Lithotypen, zu einer guten Reproduzierbarkeit gemessener Werte und ist daher eine nützliche Alternative, wann immer große Probenmengen behandelt werden. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass der qs im Untersuchungsgebiet signifikant höher ist, als bisher angenommen. Die qs-Werte, die in dieser Studie für Israel bestimmt wurden, schwanken zwischen 50 und 62 mW m⁻². Ein schwacher Trend abnehmender Werte von Ost nach West (55-50 mW m⁻²), und ein leichter Trend ansteigender Werte vom Toten Meer nach Süden (55-62 mW m⁻²) können identifiziert werden. Diese beobachteten Schwankungen lassen sich mit Variationen in der krustalen Zusammensetzung (Wärmeproduktion) erklären, einhergehend mit regionalen Änderungen der Krustenmächtigkeit. Die neuen qs-Daten können dann, im Zusammenhang mit petrophysikalischen Daten und Informationen über die Struktur und Zusammensetzung der Lithosphäre, verwendet werden um ein Model des prä-oligozänen thermischen Zustandes der Kruste Zentral- und Südisraels abzugleichen. Das stationäre 2-D Temperatur-Modell wurde entlang einer E-W Traverse, basierend auf dem seismischen DESIRE-Profil (Mechie et al., 2009), berechnet. Es reicht bis zur Lithosphären–Asthenosphären Grenze (LAB) und bezieht sich auf das aktuellste Wissen über die prä-oligozäne Lithosphäre, also vor dem Einsetzen von Rifting und plumebedingten thermischen Störungen. Durch den Abgleich zwischen gemessenen und modellierten qs-Werten ist es möglich auf die prä-oligozäne LAB-Tiefe zurückzuschließen. Als wahrscheinlichste Tiefe ergeben sich 150 km, was konsistent ist mit LAB-Tiefen Abschätzungen aus vergleichbaren stabilen Regionen des Arabischen Schildes. Dies liefert wichtige Anhaltspunkte über den thermischen Zustand der Lithosphäre vor dem Einsetzen von Rifting in der Region und ist wiederum entscheidend für ein besseres Verständnis der dynamischen Prozesse in Assoziation mit Extension der Lithosphäre und dem kontinentalem Auseinanderbrechen.
KW  - Oberflächenwärmefluß
KW  - thermisches Modell
KW  - Lithosphäre
KW  - Arabische Platte
KW  - surface heat flow
KW  - thermal model
KW  - lithosphere
KW  - Arabian Plate
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69622
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schintgen, Tom Vincent
T1  - The geothermal potential of Luxembourg
T1  - Das geothermische Potenzial von Luxemburg
BT  - geological and thermal exploration for deep geothermal reservoirs in Luxembourg and the surroundings
BT  - geologische und thermische Erkundung nach tiefen geothermischen Lagerstätten in Luxemburg und Umgebung
N2  - The aim of this work is the evaluation of the geothermal potential of Luxembourg. The approach consists in a joint interpretation of different types of information necessary for a first rather qualitative assessment of deep geothermal reservoirs in Luxembourg and the adjoining regions in the surrounding countries of Belgium, France and Germany. For the identification of geothermal reservoirs by exploration, geological, thermal, hydrogeological and structural data are necessary. Until recently, however, reliable information about the thermal field and the regional geology, and thus about potential geothermal reservoirs, was lacking. Before a proper evaluation of the geothermal potential can be performed, a comprehensive survey of the geology and an assessment of the thermal field are required.
As a first step, the geology and basin structure of the Mesozoic Trier–Luxembourg Basin (TLB) is reviewed and updated using recently published information on the geology and structures as well as borehole data available in Luxembourg and the adjoining regions. A Bouguer map is used to get insight in the depth, morphology and structures in the Variscan basement buried beneath the Trier–Luxembourg Basin. The geological section of the old Cessange borehole is reinterpreted and provides, in combination with the available borehole data, consistent information for the production of isopach maps. The latter visualize the synsedimentary evolution of the Trier–Luxembourg Basin. Complementary, basin-wide cross sections illustrate the evolution and structure of the Trier–Luxembourg Basin. The knowledge gained does not support the old concept of the Weilerbach Mulde. The basin-wide cross sections, as well as the structural and sedimentological observations in the Trier–Luxembourg Basin suggest that the latter probably formed above a zone of weakness related to a buried Rotliegend graben. The inferred graben structure designated by SE-Luxembourg Graben (SELG) is located in direct southwestern continuation of the Wittlicher Rotliegend-Senke.
The lack of deep boreholes and subsurface temperature prognosis at depth is circumnavigated by using thermal modelling for inferring the geothermal resource at depth. For this approach, profound structural, geological and petrophysical input data are required. Conceptual geological cross sections encompassing the entire crust are constructed and further simplified and extended to lithospheric scale for their utilization as thermal models. The 2-D steady state and conductive models are parameterized by means of measured petrophysical properties including thermal conductivity, radiogenic heat production and density. A surface heat flow of 75 ∓ 7 (2δ) mW m–2 for verification of the thermal models could be determined in the area. The models are further constrained by the geophysically-estimated depth of the lithosphere–asthenosphere boundary (LAB) defined by the 1300 °C isotherm. A LAB depth of 100 km, as seismically derived for the Ardennes, provides the best fit with the measured surface heat flow. The resulting mantle heat flow amounts to ∼40 mW m–2. Modelled temperatures are in the range of 120–125 °C at 5 km depth and of 600–650 °C at the crust/mantle discontinuity (Moho). Possible thermal consequences of the 10–20 Ma old Eifel plume, which apparently caused upwelling of the asthenospheric mantle to 50–60 km depth, were modelled in a steady-state thermal scenario resulting in a surface heat flow of at least 91 mW m–2 (for the plume top at 60 km) in the Eifel region. Available surface heat-flow values are significantly lower (65–80 mW m–2) and indicate that the plume-related heating has not yet entirely reached the surface.
Once conceptual geological models are established and the thermal regime is assessed, the geothermal potential of Luxembourg and the surrounding areas is evaluated by additional consideration of the hydrogeology, the stress field and tectonically active regions. On the one hand, low-enthalpy hydrothermal reservoirs in Mesozoic reservoirs in the Trier–Luxembourg Embayment (TLE) are considered. On the other hand, petrothermal reservoirs in the Lower Devonian basement of the Ardennes and Eifel regions are considered for exploitation by Enhanced/Engineered Geothermal Systems (EGS). Among the Mesozoic aquifers, the Buntsandstein aquifer characterized by temperatures of up to 50 °C is a suitable hydrothermal reservoir that may be exploited by means of heat pumps or provide direct heat for various applications. The most promising area is the zone of the SE–Luxembourg Graben. The aquifer is warmest underneath the upper Alzette River valley and the limestone plateau in Lorraine, where the Buntsandstein aquifer lies below a thick Mesozoic cover. At the base of an inferred Rotliegend graben in the same area, temperatures of up to 75 °C are expected. However, geological and hydraulic conditions are uncertain. In the Lower Devonian basement, thick sandstone-/quartzite-rich formations with temperatures >90 °C are expected at depths >3.5 km and likely offer the possibility of direct heat use. The setting of the Südeifel (South Eifel) region, including the Müllerthal region near Echternach, as a tectonically active zone may offer the possibility of deep hydrothermal reservoirs in the fractured Lower Devonian basement. Based on the recent findings about the structure of the Trier–Luxembourg Basin, the new concept presents the Müllerthal–Südeifel Depression (MSD) as a Cenozoic structure that remains tectonically active and subsiding, and therefore is relevant for geothermal exploration. Beyond direct use of geothermal heat, the expected modest temperatures at 5 km depth (about 120 °C) and increased permeability by EGS in the quartzite-rich Lochkovian could prospectively enable combined geothermal heat production and power generation in Luxembourg and the western realm of the Eifel region.
N2  - Die Zielsetzung dieser Arbeit ist die Bewertung des geothermischen Potenzials in Luxemburg. Der Ansatz besteht aus einer gemeinsamen Ausdeutung verschiedener Daten die für eine erste eher qualitative Abschätzung der tiefen geothermischen Lagerstätten in Luxemburg und den angrenzenden Regionen in den benachbarten Ländern Belgien, Frankreich und Deutschland notwendig sind. Für die Erkennung geothermischer Lagerstätten durch Erkundung sind geologische, thermische, hydrogeologische und strukturgeologische Kenntnisse erforderlich. Bis vor kurzem jedoch waren verlässliche Informationen über das thermische Feld und die Geologie und somit über mögliche geothermische Lagerstätten nicht verfügbar. Bevor eine genaue Bewertung des geothermischen Potenzials durchgeführt werden kann müssen eine umfassende Untersuchung der regionalen Geologie und eine Abschätzung des thermischen Feldes erfolgen.
Als erstes wird die Geologie und Struktur des Mesozoischen Trier–Luxemburger Beckens (TLB) mittels kürzlich erschienenen Erkenntnissen über die Geologie und Strukturen sowie verfügbaren Bohrdaten in Luxemburg und den angrenzenden Gebieten überprüft und aktualisiert. Eine Bouguer Schwerekarte liefert einen Einblick in die Tiefe, Morphologie und Strukturen des variskischen Grundgebirges welches unter dem Trier–Luxemburger Becken verborgen ist. Die Schichtenfolge in der alten Bohrung Cessingen wird neu gedeutet und bietet in der Gesamtdeutung der verfügbaren Bohrdaten einheitliche Angaben für die Erzeugung von Mächtigkeitskarten. Diese veranschaulichen die synsedimentäre Entwickung des Trier–Luxemburger Beckens. Ergänzende, beckenübergreifende geologische Schnitte verdeutlichen die Entwicklung und Struktur des Trier–Luxemburger Beckens. Die gewonnenen Erkenntnisse widerlegen das alte Konzept der Mulde von Weilerbach. Die beckenumspannenden Schnitte, sowie die strukturgeologischen und sedimentologischen Beobachtungen im Trier–Luxemburger Becken legen nahe dass die Beckenentwicklung wahrscheinlich über einer Schwächezone stattgefunden hat die durch einen verborgenen Rotliegendgraben erzeugt wird. Die vermutete Grabenstruktur mit der Bezeichnung ‚Südost-Luxemburg Graben‘ befindet sich in unmittelbarer südwestlicher Fortsetzung der Wittlicher Rotliegend-Senke.
Das Fehlen von Tiefbohrungen und einer Vorhersage der Untergrundtemperaturen in der Tiefe wird durch thermische Modellierung als Mittel zur Bestimmung der tiefen geothermischen Resourcen umgangen. Für diese Herangehensweise werden tiefgreifende strukturgeologische, geologische und gesteinsphysikalische Eingangsdaten benötigt. Konzeptionelle geologische Krustenschnitte werden erstellt und dann für die Benutzung als thermische Modelle vereinfacht und auf Lithospärenmaßstab erweitert. Die thermisch stationären und konduktiven Modelle werden mittels im Labor gemessenen petrophysikalischen Eigenschaften wie der Wärmeleitfähigkeit, der radiogenen Wärmeproduktion und der Gesteinsdichte parameterisiert. Ein terrestrischer Oberflächenwärmestrom von 75 ∓ 7 (2δ) mW m–2 zur Überprufung der thermischen Modelle konnte im Untersuchungsgebiet ermittelt werden. Die Modelle sind weiter begrenzt durch die geophysikalisch ermittelte Tiefe der Lithospäre-Asthenosphärengrenze (LAB) die sich durch die 1300 °C Isotherme definiert. Eine LAB-Tiefe von 100 km, wie seismisch für den Bereich der Ardennen bekannt, führt zur besten Übereinstimmung mit dem ermittelten Oberflächenwärmestrom. Der sich ergebende Mantelwärmestrom beträgt ∼40 mW m–2. Die Modelltemperaturen liegen im Bereich von 120–125 °C in 5 km Tiefe und 600–650 °C an der Krustenuntergrenze (Moho). Die möglichen thermischen Auswirkungen des 10–20 Ma alten, sogenannten Eifelplumes, der offenbar einen Aufstieg des asthenosphärischen Mantels bis in 50–60 km Tiefe verursacht hat, wurden mit Hilfe eines thermisch stationären Szenarios modelliert und ergeben einen Oberflächenwärmestrom von mindestens 91 mW m–2 (im Fall eines Plume Top in 60 km Tiefe) im Gebiet der Eifel. Die vorliegenden Wärmestromwerte sind deutlich niedriger (65–80 mW m–2) und zeigen dass die durch den Plume bedingte Lithospären- und Krustenerwärmung die Oberfläche noch nicht erreicht hat.
Nach der Erstellung der konzeptionellen geologischen Modelle und der Berechnung des thermischen Feldes kann das geothermische Potenzial von Luxemburg und den angrenzenden Gebieten abgeschätzt werden. Die Bewertung geschieht durch die Einbeziehung der Hydrogeologie, des Stressfeldes und unter Berücksichtigung tektonisch aktiver Gebiete. Zum einen werden Niedrigenthalpie-Lagerstätten in mesozoischen Aquiferen in der Trier–Luxemburger Bucht (TLE) in Betracht gezogen. Andererseits werden petrothermale Lagerstätten im unterdevonischen Grundgebirge der Ardennen und der Eifel für die Erschließung durch EGS (Enhanced/Engineered Geothermal Systems) berücksichtigt. Unter den mesozoischen Aquiferen ist der Buntsandstein Aquifer mit Temperaturen bis 50 °C ein geeignetes hydrothermales Reservoir das mittels Wärmepumpen oder direkte Wärmebereitstellung für verschiedene Nutzungsmöglichkeiten in Frage kommen könnte. Das thermisch günstigste Gebiet befindet sich im Bereich des Südost-Luxemburg Graben unter dem oberen Alzettetal sowie dem Kalksteinplateau im nördlichen Lothringen wo der Buntsandstein Aquifer unter einer mächtigen Mesozoischen Bedeckung liegt. An der Basis des vermuteten Rotliegendgrabens in demselben Gebiet werden Temperaturen bis 75 °C erwartet. Allerdings sind die geologischen Verhältnisse und die hydraulichen Eigenschaften unbekannt. In dem unterdevonischen Grundgebirge werden mächtige sandsteinlastige beziehungsweise quarzitreiche geologische Formationen mit Temperaturen >90 °C in Tiefen >3,5 km erwartet und ermöglichen wahrscheinlich eine direkte Wärmenutzung. Die geologische Situation der Südeifel einschliesslich der Region des Müllerthales nahe Echternach (Luxemburg) als tektonisch aktive Zone könnte tiefe hydrothermale Reservoire im geklüfteten unterdevonischen Grundgebirge zur Folge haben. Auf Basis der erarbeiteten Kenntnisse über das Trier–Luxemburger Becken in Luxemburg und speziell der Südeifel wurde das neue Konzept der Müllerthal–Südeifel Depression (MSD) aufgestellt. Es handelt sich um eine gegenwärtig tektonisch aktive und absinkende känozoische Struktur und hat deshalb eine große Bedeutung für die zukünftige geothermische Erkundung. Neben der direkten Nutzung geothermischer Wärme ermöglichen die mäßigen Temperaturen von 120 °C in 5 km Tiefe und eine verbesserte Durchlässigkeit der quarzitreichen Schichten des Lochkoviums mittels EGS potentiell die kombinierte Wärmebereitstellung und Stromproduktion in Luxemburg und im westlichen Bereich der Eifel.
KW  - Mesozoikum
KW  - Perm
KW  - Beckenentwicklung
KW  - Beckenstruktur
KW  - Eifeler Nord-Süd-Zone
KW  - Weilerbach-Mulde
KW  - Pariser Becken
KW  - Wittlicher Senke
KW  - Trier-Luxemburger Becken
KW  - Trier-Luxemburger Bucht
KW  - Oberflächenwärmefluss
KW  - thermische Modellierung
KW  - Wärmeleitfähigkeit
KW  - radiogene Wärmeproduktion
KW  - Rhenohercynische Zone
KW  - Luxemburg
KW  - Geothermie
KW  - Südeifel
KW  - Buntsandstein
KW  - Unterdevon
KW  - hydrothermale Systeme
KW  - petrothermale Systeme
KW  - Mesozoic
KW  - Permian
KW  - basin evolution
KW  - basin structure
KW  - Eifel Depression
KW  - Paris Basin
KW  - Trier-Luxembourg Basin
KW  - Trier-Luxembourg Embayment
KW  - surface heat flow
KW  - thermal modelling
KW  - thermal conductivity
KW  - radiogenic heat production
KW  - Rhenohercynian Zone
KW  - Luxembourg
KW  - geothermal energy
KW  - South Eifel
KW  - Buntsandstein
KW  - Lower Devonian
KW  - hydrothermal systems
KW  - petrothermal systems
KW  - Enhanced Geothermal Systems
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-87110
ER  -