TY  - THES
A1  - Fuchs, Sven
T1  - Well-log based determination of rock thermal conductivity in the North German Basin
T1  - Bestimmung der Gesteinswärmeleitfähigkeit aus geophysikalischen Bohrlochmessungen im Norddeutschen Becken
N2  - In sedimentary basins, rock thermal conductivity can vary both laterally and vertically, thus altering the basin’s thermal structure locally and regionally. Knowledge of the thermal conductivity of geological formations and its spatial variations is essential, not only for quantifying basin evolution and hydrocarbon maturation processes, but also for understanding geothermal conditions in a geological setting. In conjunction with the temperature gradient, thermal conductivity represents the basic input parameter for the determination of the heat-flow density; which, in turn, is applied as a major input parameter in thermal modeling at different scales. Drill-core samples, which are necessary to determine thermal properties by laboratory measurements, are rarely available and often limited to previously explored reservoir formations. Thus, thermal conductivities of Mesozoic rocks in the North German Basin (NGB) are largely unknown. In contrast, geophysical borehole measurements are often available for the entire drilled sequence. Therefore, prediction equations to determine thermal conductivity based on well-log data are desirable. In this study rock thermal conductivity was investigated on different scales by (1) providing thermal-conductivity measurements on Mesozoic rocks, (2) evaluating and improving commonly applied mixing models which were used to estimate matrix and pore-filled rock thermal conductivities, and (3) developing new well-log based equations to predict thermal conductivity in boreholes without core control. Laboratory measurements are performed on sedimentary rock of major geothermal reservoirs in the Northeast German Basin (NEGB) (Aalenian, Rhaethian-Liassic, Stuttgart Fm., and Middle Buntsandstein). Samples are obtained from eight deep geothermal wells that approach depths of up to 2,500 m. Bulk thermal conductivities of Mesozoic sandstones range between 2.1 and 3.9 W/(m∙K), while matrix thermal conductivity ranges between 3.4 and 7.4 W/(m∙K). Local heat flow for the Stralsund location averages 76 mW/m², which is in good agreement to values reported previously for the NEGB. For the first time, in-situ bulk thermal conductivity is indirectly calculated for entire borehole profiles in the NEGB using the determined surface heat flow and measured temperature data. Average bulk thermal conductivity, derived for geological formations within the Mesozoic section, ranges between 1.5 and 3.1 W/(m∙K). The measurement of both dry- and water-saturated thermal conductivities allow further evaluation of different two-component mixing models which are often applied in geothermal calculations (e.g., arithmetic mean, geometric mean, harmonic mean, Hashin-Shtrikman mean, and effective-medium theory mean). It is found that the geometric-mean model shows the best correlation between calculated and measured bulk thermal conductivity. However, by applying new model-dependent correction, equations the quality of fit could be significantly improved and the error diffusion of each model reduced. The ‘corrected’ geometric mean provides the most satisfying results and constitutes a universally applicable model for sedimentary rocks. Furthermore, lithotype-specific and model-independent conversion equations are developed permitting a calculation of water-saturated thermal conductivity from dry-measured thermal conductivity and porosity within an error range of 5 to 10%. The limited availability of core samples and the expensive core-based laboratory measurements make it worthwhile to use petrophysical well logs to determine thermal conductivity for sedimentary rocks. The approach followed in this study is based on the detailed analyses of the relationships between thermal conductivity of rock-forming minerals, which are most abundant in sedimentary rocks, and the properties measured by standard logging tools. By using multivariate statistics separately for clastic, carbonate and evaporite rocks, the findings from these analyses allow the development of prediction equations from large artificial data sets that predict matrix thermal conductivity within an error of 4 to 11%. These equations are validated successfully on a comprehensive subsurface data set from the NGB. In comparison to the application of earlier published approaches formation-dependent developed for certain areas, the new developed equations show a significant error reduction of up to 50%. These results are used to infer rock thermal conductivity for entire borehole profiles. By inversion of corrected in-situ thermal-conductivity profiles, temperature profiles are calculated and compared to measured high-precision temperature logs. The resulting uncertainty in temperature prediction averages < 5%, which reveals the excellent temperature prediction capabilities using the presented approach. In conclusion, data and methods are provided to achieve a much more detailed parameterization of thermal models.
N2  - Die thermische Modellierung des geologischen Untergrundes ist ein wichtiges Werkzeug bei der Erkundung und Bewertung tiefliegender Ressourcen sedimentärer Becken (e.g., Kohlenwasserstoffe, Wärme). Die laterale und vertikale Temperaturverteilung im Untergrund wird, neben der Wärmestromdichte und der radiogenen Wärmeproduktion, hauptsächlich durch die Wärmeleitfähigkeit (WLF) der abgelagerten Gesteinsschichten bestimmt. Diese Parameter stellen die wesentlichen Eingangsgrößen für thermische Modelle dar. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Bestimmung der Gesteins-WLF auf verschiedenen Skalen. Dies umfasst (1) laborative WLF-Messungen an mesozoischen Bohrkernproben, (2) die Evaluierung und Verbesserung der Prognosefähigkeit von Mischgesetzten zur Berechnung von Matrix- und Gesamt-WLF sedimentärer Gesteine, sowie (3) die Entwicklung neuer Prognosegleichungen unter Nutzung bohrlochgeophysikalischer Messungen und multivariater Analysemethoden im NGB. Im Nordostdeutschen Becken (NEGB) wurden für die wichtigsten geothermischen Reservoire des Mesozoikums (Aalen, Rhät-Lias-Komplex, Stuttgart Formation, Mittlerer Buntsandstein) Bohrkerne geothermischer Tiefbohrungen (bis 2.500 m Tiefe) auf Ihre thermischen und petrophysikalischen Eigenschaften hin untersucht. Die WLF mesozoischer Sandsteine schwankt im Mittel zwischen 2,1 und 3,9 W/(m∙K), die WLF der Gesteinsmatrix hingegen im Mittel zwischen 3,4 und 7,4 W/(m∙K). Neu berechnete Werte zur Oberflächenwärmestromdichte (e.g., 76 mW/m², Stralsund) stehen im Einklang mit den Ergebnissen früherer Studien im NEGB. Erstmals im NDB wurde für das mesozoisch/känozoischen Intervall am Standort Stralsund ein in-situ WLF-Profil berechnet. In-situ Formations-WLF, für als potentielle Modelschichten interessante, stratigraphische Intervalle, variieren im Mittel zwischen 1,5 und 3,1 W/(m∙K) und bilden eine gute Grundlage für kleinskalige (lokale) thermische Modelle. Auf Grund der in aller Regel nur eingeschränkt verfügbaren Bohrkernproben sowie des hohen laborativen Aufwandes zur Bestimmung der WLF waren alternative Methoden gesucht. Die Auswertung petrophysikalischer Bohrlochmessungen mittels mathematischer-statistischer Methoden stellt einen lang genutzten und erprobten Ansatz dar, welcher in seiner Anwendbarkeit jedoch auf die aufgeschlossenen Gesteinsbereiche (Genese, Geologie, Stratigraphie, etc.) beschränkt ist. Daher wurde ein leicht modifizierter Ansatz entwickelt. Die thermophysikalischen Eigenschaften der 15 wichtigsten gesteinsbildenden Minerale (in Sedimentgesteinen) wurden statistisch analysiert und aus variablen Mischungen dieser Basisminerale ein umfangreicher, synthetischer Datensatz generiert. Dieser wurde mittels multivariater Statistik bearbeitet, in dessen Ergebnis Regressionsgleichungen zur Prognose der Matrix-WLF für drei Gesteinsgruppen (klastisch, karbonatisch, evaporitisch) abgeleitet wurden. In einem zweiten Schritt wurden für ein Echtdatenset (laborativ gemessene WLF und Standardbohrlochmessungen) empirische Prognosegleichungen für die Berechnung der Gesamt-WLF entwickelt. Die berechneten WLF zeigen im Vergleich zu gemessenen WLF Fehler zwischen 5% und 11%. Die Anwendung neu entwickelter, sowie in der Literatur publizierter Verfahren auf den NGB-Datensatz zeigt, dass mit den neu aufgestellten Gleichungen stets der geringste Prognosefehler erreicht wird. Die Inversion neu berechneter WLF-Profile erlaubt die Ableitung synthetischer Temperaturprofile, deren Vergleich zu gemessenen Gesteinstemperaturen in einen mittleren Fehler von < 5% resultiert. Im Rahmen geothermischer Berechnungen werden zur Umrechnung zwischen Matrix- und Gesamt-WLF häufig Zwei-Komponenten-Mischmodelle genutzt (Arithmetisches Mittel, Harmonische Mittel, Geometrisches Mittel, Hashin-Shtrikman Mittel, Effektives-Medium Mittel). Ein umfangreicher Datensatz aus trocken- und gesättigt-gemessenen WLF und Porosität erlaubt die Evaluierung dieser Modelle hinsichtlich Ihrer Prognosefähigkeit. Diese variiert für die untersuchten Modelle stark (Fehler: 5 – 53%), wobei das geometrische Mittel die größte, quantitativ aber weiterhin unbefriedigende Übereinstimmungen zeigt. Die Entwicklung und Anwendung mischmodelspezifischer Korrekturgleichungen führt zu deutlich reduzierten Fehlern. Das korrigierte geometrische Mittel zeigt dabei, bei deutlich reduzierter Fehlerstreubreite, erneut die größte Übereinstimmung zwischen berechneten und gemessenen Werten und scheint ein universell anwendbares Mischmodel für sedimentäre Gesteine zu sein. Die Entwicklung modelunabhängiger, gesteinstypbezogener Konvertierungsgleichungen ermöglicht die Abschätzung der wassergesättigten Gesamt-WLF aus trocken-gemessener WLF und Porosität mit einem mittleren Fehler < 9%. Die präsentierten Daten und die neu entwickelten Methoden erlauben künftig eine detailliertere und präzisere Parametrisierung thermischer Modelle sedimentärer Becken.
KW  - Wärmeleitfähigkeit
KW  - Temperaturfeld
KW  - Nordostdeutsches Becken
KW  - Bohrlochmessungen
KW  - Multivariate Analyse
KW  - Thermal-conductivity
KW  - Well-log analysis
KW  - Northeast German Basin
KW  - temperature field analysis
KW  - Multivariate statistic
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-67801
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  -