|
|
Charakterisierung geothermischer Felder durch thermische Modellierung: eine Explorationsmethode aus der Erdölindustrie für die Geothermie–ein Anwendungsbeispiel aus dem Oberrheingraben (SW-Deutschland)
Der Oberrheingraben ist unter mehreren Gesichtspunkten ein ideales Explorationsgebiet für die Geothermie. (1) Dieses Grabensystem besitzt einen hohen geothermischen Gradienten, mit einem durchschnittlichen Anstieg um 60K/km, stellenweise sogar um 110K/km.(2) Ferner existiert für den Oberrheingraben infolge der langjährigen Kohlenwasserstoffexploration eine hohe Datendichte an Bohrungen und seismischen Linien–ein Datensatz der ebenfalls für die Aufsuchung geothermischer Lagerstätten verwendet werden kann. (3) Darüber hinaus spricht die Infrastruktur und die Industrialisierung der Region sowie die momentane Situation der Subventionen für erneuerbare Energien (Land, Bund, EU) für eine verstärkte Nutzung der geothermischen Energie.
Bisherige Geothermieprojekte stecken jedoch zumeist in der Erprobungsphase (HDR in Soultz, Frankreich) oder sind aufgrund einiger Rückschläge auch wieder zurückgefahren worden. Bei Berücksichtigung der existierenden Daten und der Anwendung modernster mathematischer Auswerteverfahren ist jedoch eine Reduktion des Explorationsrisikos, eine erleichterte Auffindung und quantitative Beschreibung hydrothermaler geothermischer Felder sowie letztlich eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von Erdwärmeprojekten möglich. Daher wurde vom Geologisch-Paläontologischen Institut der Universität Heidelberg und dem neu gegründeten Heidelberger Institut für GeoRessourcen das Projekt „3D characterisation of geothermal potential of the Upper Rhine graben (Tertiary, SW Germany)“ iniziiert. Ziele des Projektes sind u.a.:
- die Erstellung eines 3D stratigraphischen Grundgerüstes der untertägig aufgeschlossenen tertiären Beckenfüllung anhand von lithofazieller und sequenzstratigraphischer Korrelation der Bohrkerndaten, anhand von Daten aus Bohrlochmessungen (Logs, FMIs) und verfügbarer 2D/3D Seismik,
- die 3D Modellierung der rezenten Temperaturverteilung und Berechnung der Migrationswege hydrothermaler Fluide in ausgewählten Gebieten sowie die detaillierte Simulation der thermischen Entwicklung (Wärmefluss, Entwicklung der lokalen geothermischen Gradienten) im Grabensystem ab der K/T Grenze,
- die 3D thermische Antwort ausgewählter hydrothermaler Lagerstätten im Oberrheingraben auf die Entnahme von geothermischer Energie (d.h. die Entnahme hydrothermaler Fluide).
Die numerische thermische Modellierung der geologischen Entwicklung eines Sedimentbeckens dient dazu, die Versenkungs- und Temperaturgeschichte zeitlich und geometrisch zu beschreiben. Auf der Basis der Analyse der thermischen Parameter eines Sedimentbeckens (Reife- und Inkohlungsmuster anhand von Vitrinitreflektion, t-T Entwicklung anhand von Apatit- oder Zirkonspaltspuren, Illitkristallinität, Fluideinschlüsse etc.) kann eine thermische Modellierung–z.B. mit der Software PetroMod™ (IES GmbH, Aachen, www.ies.de)–durchgeführt werden. Die Kalibration der Simulation geschieht dabei anhand von theoretischen Modellen zur thermischen Reife und t-T Entwicklung:
- Sweeney & Burnham (1990): EASY%Ro-Algorithmus
- Larter (1989): %Ro-Algorithmus
- Dutta (1986): Illit-Modell
- Pytte & Reynolds (1989): Illit-Modell
- Laslett et al. (1987): Apatitspaltspurmodell
- Gallagher (1995): Apatitspaltspurmodell
Ziel der thermischen Modellierung ist zum einen die Erstellung eines Modells der thermischen Rahmenbedingungen (t-T Pfade) sowie der Wärmefluss-Geschichte, zum anderen werden Angaben zur Migration von Fluiden und der Entstehung von Kohlenwasserstoffen gewonnen. Weiterhin kann mit Hilfe der thermischen Modellierung der Zeitpunkt der maximalen Versenkung der gesamten Beckenfüllung, sowie der Umfang von Erosion während Zeiten subaerischer Emersion bestimmt werden.
1D und 2D integrierte dynamische Beckenmodellierung ausgewählter Beckenbereiche; Quantifizierung primärer Kontrollfaktoren der Becken- und Plattformentwicklung
Die letzten Jahrzehnte haben aufgrund neu entwickelter Methoden und dem Vergleich mit rezenten Ablagerungsräumen eine Fülle neuer Daten zur Genese von Sedimentbecken erbracht. Auf deren Basis konnten einzelne Prozesse und die jeweiligen Kontrollfaktoren qualitativ erfasst werden, was letztlich zur Aufstellung verschiedener Sedimentationsmodelle führte. Der Einfluss spezifischer Kontrollfaktoren für die Beckenentwicklung ist bei der Anwendung qualitativer Methoden jedoch nicht oder nur schwer zu erfassen.
Eine numerische Beckenmodellierung basiert auf mathematischen Gleichungssystemen, welche die einzelnen Prozesse und deren Interaktion beschreiben (u.a. Massen- und Energietransport im Sedimentbecken sowie die physikalischen und physikochemischen Veränderungen des Sediments als Funktion der Zeit und Temperatur). Hierdurch erhält man zum einen quantitative Aussagen zu einzelnen Prozessen, zum anderen kann das Verständnis bestimmter Kontrollfaktoren, welche die Entwicklung eines Sedimentbeckens beeinflussen, verbessert werden.
Die von den Mitarbeitern des Heidelberger Institutes für GeoRessourcen durchgeführten integrierten dynamischen Beckenmodellierungen, bestehend aus 1D-thermischer Modellierung, 2D-Rückwärtsmodellierung und 2D-stratigraphischer Vorwärtsmodellierung (Abb. 6.1) beruhen auf einem Arbeitsansatz, bei dem diese Methoden stufenweise aufeinander aufbauen und sich gegenseitig bedingen. Ein derartiger Ansatz, der realistische und geologisch widerspruchsfreie Minimum-/Maximummodelle der Beckenentwicklung liefert, wurde bisher kaum verfolgt.
Auf der Basis dieses Arbeitsansatzes konnten Beckenbeiche aus dem Bereich der Dolomiten, den Lombardischen Alpen und Nordafrika erfolgreich quantitativ modelliert werden:
(1) Thesis M. Seeling
(2) Thesis A. Emmerich
(3) Emmerich et al. 2005
|
|
