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The geothermal potential of Luxembourg

Das geothermische Potenzial von Luxemburg

  • 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 theThe 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.show moreshow less
  • 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 GeologieDie 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.show moreshow less

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Metadaten
Author:Tom Vincent Schintgen
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-87110
Subtitle (English):geological and thermal exploration for deep geothermal reservoirs in Luxembourg and the surroundings
Subtitle (German):geologische und thermische Erkundung nach tiefen geothermischen Lagerstätten in Luxemburg und Umgebung
Advisor:Andrea Förster, Maria Mutti
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2016
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2015/12/02
Release Date:2016/03/04
Tag:Beckenentwicklung; Beckenstruktur; Buntsandstein; Eifeler Nord-Süd-Zone; Geothermie; Luxemburg; Mesozoikum; Oberflächenwärmefluss; Pariser Becken; Perm; Rhenohercynische Zone; Südeifel; Trier-Luxemburger Becken; Trier-Luxemburger Bucht; Unterdevon; Weilerbach-Mulde; Wittlicher Senke; Wärmeleitfähigkeit; hydrothermale Systeme; petrothermale Systeme; radiogene Wärmeproduktion; thermische Modellierung
Buntsandstein; Eifel Depression; Enhanced Geothermal Systems; Lower Devonian; Luxembourg; Mesozoic; Paris Basin; Permian; Rhenohercynian Zone; South Eifel; Trier-Luxembourg Basin; Trier-Luxembourg Embayment; basin evolution; basin structure; geothermal energy; hydrothermal systems; petrothermal systems; radiogenic heat production; surface heat flow; thermal conductivity; thermal modelling
Pagenumber:XXII, 313
RVK - Regensburg Classification:TP 5430, RL 40701
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
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