Stand des Forschungs- und Entwicklungsprojektes '3D … · Ausbisslinien Isolinien (Seismik) Hoppe & Mittelbach (1999) 4. Tiefengeothermie-Forum | 15. September 2009 | Darmstadt 4

Stand des Forschungs- und Entwicklungsprojektes ldquo3D-Modell dergeothermischen Tiefenpotenziale von Hessenrdquo

Arne BuszligDirk ArndtAndreas HoppeIngo Sass

Technische Universitaumlt DarmstadtInstitut fuumlr Angewandte Geowissenschaften

15 September 2009

4 Tiefengeothermie-Forum

Auftraggeber Kooperationspartner

Hessisches Ministeriumfuumlr Umwelt Energie Landwirtschaft und Verbraucherschutz

Hessisches Landesamtfuumlr Umwelt und Geologie

4 Tiefengeothermie-Forum | 15 September 2009 | Darmstadt 2

Tiefengeothermische Potenzialkarte Hessen

Teilprojekt IErstellung eines digitalen geologischen 3D-Strukturmodells Modellierung der Stoumlrungen und

stratigraphischen Horizonte

Teilprojekt IIErstellung eines digitalen geothermischen 3D-Potenzialmodells Ermittlung und Zuordnung physikalischer

Gesteinsparameter


Strukturmodell

Generierung von Stoumlrungsflaumlchen Stoumlrungsnetz Geologische Schnitte (Seismik)

Generierung von Horizontflaumlchen Bohrdaten Geologische Schnitte Ausbisslinien Isolinien (Seismik)

Hoppe amp Mittelbach (1999)


Modellhorizonte I

Keuper

BuntsandsteinMuschelkalk

Tertiaumlr

Lias

Quartaumlr

Top KeuperTop Muschelkalk

Top Buntsandstein



Modellhorizonte II

Zechstein

Rotliegend

Kristallin

Schiefergebirge

Karbon

Top BuntsandsteinTop Zechstein

Top Rotliegend

Top Grundgebirge




Verbreitung Keuper

Maximale Teufe ca 400 m

Maximale Maumlchtigkeit ca 400 m

Dominierende Gesteine Tonsteine Mergelsteine

Fuumlr die tiefengeothermische Nutzung

nicht prioritaumlr


Verbreitung Muschelkalk



Dominierende Gesteine Kalksteine Mergelsteine


nicht prioritaumlr


Verbreitung Buntsandstein

Maximale Teufe im Oberrheingraben bis zu 3500 m


Dominierende Gesteine Sandsteine Ton- und Siltsteine

Tiefengeothermische Nutzung zukuumlnftig

evtl moumlglich


Verbreitung Zechstein



Dominierende Gesteine Salzgesteine Tonsteine Mergelsteine Kalkgesteine

Beispiel Top Plattendolomit

TOP in m u GOK

Koumltt amp Kracht (2009)

lt 200gt200 - 400gt400 - 600gt600 - 800gt800 -1000

gt1000 -1200gt1200 -1400gt1400


als Deckschicht relevant


Verbreitung Rotliegend


Maximale Maumlchtigkeit theoretisch 2000 m moumlglich ca 850 m nachgewiesen

Dominierende Gesteine Sandsteine Konglomerate Vulkanite

TOP in m u GOKlt 400

gt400 - 800gt800 -1200

gt1200 -1600gt1600 -2000gt2000 -2400gt2400Koumltt amp Kracht (2009)

Fuumlr die tiefengeothermische Nutzung relevant


Verbreitung Grundgebirge

Dominierende Gesteine Metasedimentite

(und Metavulkanite) Kristallin

Schiefergebirge

Kristallin



Bohrungen

Mehr als 3900 digitalisierte Bohrungen

Bohrungen aus der Datenbank der Kohlenwasserstoffindustrie muumlssen noch integriert werden

Teufe



Digitalisierung geologischer Schnitte

Erfasste geologische Schnitte stammen aus Geologischen Karten GK200 GK25 Geologische Jahrbuumlcher Hessen Geologische Abhandlungen Hessen Weitere Literatur

Alle Schnitte (262) wurden gescannt georeferenziert und in GOCAD integriert

digitalisiertnoch ausstehend




Isolinienplaumlne und vorhandene Modelle

Vorhandene strukturelle 3D ModelleNoumlrdlicher Oberrheingraben (Baumlr 2008)Hanau Seligenstaumldter Senke (Lang 2007)

IsolinienplaumlneBasaltbasis Vogelsberg (Ehrenberg 1985)Top Buntsandstein (GK)Top Unterer Buntsandstein (GK)Basis Kupferschiefer (Kulick 1984)Top Plattendolomit (K+S)


Stoumlrungen

Das Stoumlrungsnetz der Geologischen Uumlbersichtskarte 1300000 ist sehr detailliert

Auswahloptionen von Stoumlrungslinien auf Basis der Tektonischen Karte Deutschlands (Zitzmann 1981)


Vorgehensweise Strukturmodellierung

Modellierungsschritte

Schritt 1 Zusammenstellung der digitalen raumlumlichen Informationen

Schritt 2 3D-Modellierung des vereinfachten Stoumlrungssystems

Schritt 3 Modellierung der indizierten Formationsoberflaumlchen - die Aufloumlsung des

Flaumlchennetzes haumlngt von der Informationsdichte ab

Schritt 4 = Schritt 1 des geothermischen Modells Aufbau von SGRIDs und

Zuweisung geothermischer Gesteinskennwerte


Bohrungen mit Temperaturdaten

Geologische Uumlbersichtskarte von Hessen HLUG (2007)

100000000 - 1000000000

1000000001 - 2000000000

2000000001 - 3604500000

Teufe in m unter NN 100 ndash 1000lt 2000lt 3600


Porositaumlts- und Permeabilitaumltsdaten aus der Kohlenwasserstoffdatenbank

Waumlhrend der Bohrarbeiten wurden in relevanten Teufenabschnitten Bohrkerne gewonnen

Die Porositaumlten und Permeabilitaumlten wurden im Labor bestimmt



Auswertung von hydraulischen Tests

Aus hydraulischen in-situ Tests in Kohlenwasserstoffbohrungen (Oberrheingraben) werden rechnerisch Permeabilitaumlten ermittelt

Zeitveraumlndert nach Personenkreis Tiefe Geothermie (2008)

Flieszlig-periode

Druckaufbau-periode

2 Flieszlig-periode

2 Druckaufbau-periode

zu zu zuoffen offen

Dru

ck

Formationsdruck Pf

Beispiel Drill Stem Test


Zonen struktureller und lithologisch-faziellerKriterien zur Beprobung

Hessisches Schiefergebirge

Taunus

Oberrheingraben Mainzer Becken und Hanau-Seligenstaumldter SenkeKristalliner Odenwald Sprendlinger Horst SpessartBuntsandstein Odenwald Kinzigtal

Vogelsberg

Nordosthessische Buntsandsteinscholle

Wetterau

Hessische Senke und Nordhessische Becken


Strategie zur Bestimmung der Gesteinskennwerte

Dominierende Gesteine

Hintertaunus Silt- und TonschieferTaunuskamm Quarzite und QuarzsandsteineVordertaunus Gruumlnschiefer und Phyllite

Hintertaunus

Taunuskamm

Vordertaunus



Waumlrmeleitfaumlhigkeiten

Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit der Gesteine wird als rein konduktive Groumlszlige gemessen und stellt somit einen Gesteinskennwert dar

Da Waumlrmeleitfaumlhigkeit immer auch konvektiven Einfluumlssen unterliegt muss immer das Wertepaar Permeabilitaumlt und Waumlrmeleitfaumlhigkeit gemeinsam betrachtet werden


Waumlrmeleitfaumlhigkeit und Permeabilitaumlt der Gesteine des Taunus

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10

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10E-18 10E-17 10E-16 10E-15 10E-14 10E-13 10E-12Permeabilitaumlt in msup2

Waumlr

mel

eitfauml

higk

eit i

n W

(mK

)

Silt- undTonschiefer



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Waumlr

mel

eitfauml

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eit i

n W

(mK

) Silt- undTonschiefer

Gruumlnschiefer undPhyllit



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Waumlr

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(mK

) Silt- undTonschieferGruumlnschiefer undPhyllitQuarzit


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Waumlr

mel

eitfauml

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(mK

) Silt- undTonschieferGruumlnschiefer undPhyllitQuarzsandstein

Quarzit



Teufenkorrektur der Kennwerte

Bei den ermittelten Kennwerten handelt es sich um Messungen an trockenen Bohrkernen unter Umgebungsbedingungen

Das Modell soll die temperatur- und tiefenabhaumlngige (Druck) Veraumlnderung der Kennwerte beruumlcksichtigen

Rechnerische Ermittlung von Werten fuumlr wassergesaumlttigte Gesteine unter realistischen Druck und Temperaturbedingungen fuumlr relevante

Teufen und Validierung uumlber Thermotriaxversuche


Hochdruck-Hochtemperatur Triaxialzelle

Zellendruck-anschluss

Kopfplatte

Druckkappe

Porenwasser-druck-

anschluumlsse

Membran

Druckstempel

Druck-behaumllter

Grundplatte

σ1

σ1

σ3σ3

Spezialanfertigung von Wille Geotechnik


Folgende Kennwertzuweisung ist vorgesehen Permeabilitaumlt Waumlrmeleitfaumlhigkeit Porositaumlt Dichte Waumlrmekapazitaumlt Modellqualitaumlt Sonstiges

Schnittstelle geologisches ndash geothermischesModell

Die Integration der geothermischen Kennwerte in das Strukturmodell wird voraussichtlich uumlber SGRIDs erfolgen Bei SGRIDs handelt es sich um definierte Volumenkoumlrper die sich in ihrer Form an die modellierten Flaumlchen anpassen koumlnnen Jedem SGRID koumlnnen unabhaumlngig eine Vielzahl an (geologischen) Kennwerten zugewiesen werden

Lerch (2005) 10 km


Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit

Das Projekt wird im Auftrag des Hessischen Ministeriums fuumlr Umwelt Energie Landwirtschaft und Verbraucherschutz durchgefuumlhrt Wir danken fuumlr die Finanzierung und Foumlrderung des Projektes

Unserem Kooperationspartner dem Hessischen Landesamt fuumlr Umwelt und Geologie danken wir fuumlr das Bereitstellen der fachlichen Daten und dem intensiven wissenschaftlichen Austausch



Tiefengeothermische Potenzialkarte Hessen

Teilprojekt IErstellung eines digitalen geologischen 3D-Strukturmodells Modellierung der Stoumlrungen und

stratigraphischen Horizonte

Teilprojekt IIErstellung eines digitalen geothermischen 3D-Potenzialmodells Ermittlung und Zuordnung physikalischer

Gesteinsparameter


Strukturmodell





Modellhorizonte I

Keuper


Tertiaumlr

Lias

Quartaumlr


Top Buntsandstein



Modellhorizonte II

Zechstein

Rotliegend

Kristallin

Schiefergebirge

Karbon


Top Rotliegend

Top Grundgebirge




Verbreitung Keuper





nicht prioritaumlr







nicht prioritaumlr







evtl moumlglich







TOP in m u GOK


lt 200gt200 - 400gt400 - 600gt600 - 800gt800 -1000

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Schiefergebirge

Kristallin



Bohrungen



Teufe














Stoumlrungen















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Flieszlig-periode

Druckaufbau-periode

2 Flieszlig-periode


zu zu zuoffen offen

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Taunus


Vogelsberg


Wetterau






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Taunuskamm

Vordertaunus








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Quarzit











Kopfplatte

Druckkappe

Porenwasser-druck-

anschluumlsse

Membran

Druckstempel

Druck-behaumllter

Grundplatte

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σ3σ3






Lerch (2005) 10 km







Strukturmodell





Modellhorizonte I

Keuper


Tertiaumlr

Lias

Quartaumlr


Top Buntsandstein



Modellhorizonte II

Zechstein

Rotliegend

Kristallin

Schiefergebirge

Karbon


Top Rotliegend

Top Grundgebirge




Verbreitung Keuper





nicht prioritaumlr







nicht prioritaumlr







evtl moumlglich







TOP in m u GOK


lt 200gt200 - 400gt400 - 600gt600 - 800gt800 -1000

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Schiefergebirge

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Flieszlig-periode

Druckaufbau-periode

2 Flieszlig-periode


zu zu zuoffen offen

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Vogelsberg


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Taunuskamm

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Kopfplatte

Druckkappe

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anschluumlsse

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Druckstempel

Druck-behaumllter

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Lerch (2005) 10 km







Modellhorizonte I

Keuper


Tertiaumlr

Lias

Quartaumlr


Top Buntsandstein



Modellhorizonte II

Zechstein

Rotliegend

Kristallin

Schiefergebirge

Karbon


Top Rotliegend

Top Grundgebirge




Verbreitung Keuper





nicht prioritaumlr







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evtl moumlglich







TOP in m u GOK


lt 200gt200 - 400gt400 - 600gt600 - 800gt800 -1000

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Flieszlig-periode

Druckaufbau-periode

2 Flieszlig-periode


zu zu zuoffen offen

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Vogelsberg


Wetterau






Hintertaunus

Taunuskamm

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Druckkappe

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Druck-behaumllter

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Lerch (2005) 10 km







Modellhorizonte II

Zechstein

Rotliegend

Kristallin

Schiefergebirge

Karbon


Top Rotliegend

Top Grundgebirge




Verbreitung Keuper





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Kristallin



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Flieszlig-periode

Druckaufbau-periode

2 Flieszlig-periode


zu zu zuoffen offen

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Hintertaunus

Taunuskamm

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Druckkappe

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Druck-behaumllter

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Lerch (2005) 10 km







Verbreitung Keuper





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Flieszlig-periode

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Druck-behaumllter

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Lerch (2005) 10 km












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TOP in m u GOK


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Druckstempel

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Lerch (2005) 10 km












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Schiefergebirge

Kristallin



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Teufe














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Lerch (2005) 10 km










Schiefergebirge

Kristallin



Bohrungen



Teufe














Stoumlrungen















100000000 - 1000000000

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Lerch (2005) 10 km







Bohrungen



Teufe














Stoumlrungen















100000000 - 1000000000

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Lerch (2005) 10 km



















Stoumlrungen















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Lerch (2005) 10 km


















Stoumlrungen















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Lerch (2005) 10 km













Stoumlrungen















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Lerch (2005) 10 km












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Lerch (2005) 10 km











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Lerch (2005) 10 km







Stoumlrungen















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Lerch (2005) 10 km


















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Druck-behaumllter

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Lerch (2005) 10 km









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Lerch (2005) 10 km















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Waumlr

mel

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eit i

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Quarzit











Kopfplatte

Druckkappe

Porenwasser-druck-

anschluumlsse

Membran

Druckstempel

Druck-behaumllter

Grundplatte

σ1

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Lerch (2005) 10 km








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Stand des Forschungs- und Entwicklungsprojektes '3D … · Ausbisslinien Isolinien (Seismik) Hoppe & Mittelbach (1999) 4. Tiefengeothermie-Forum | 15. September 2009 | Darmstadt 4