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In Zusammenarbeit mit seinen verschiedenen Partnern entwickelt das Institut für geothermisches Ressourcenmanagment (igem) neue Explorationskonzepte, welche sich vor allem auf die Exploration im Vorfeld der ersten Bohrung konzentrieren. Im Bereich der Exploration konzentriert sich die Forschung und Entwicklung des igem insbesondere auf die Erstellung von 3D-Ressourcenmodellen, geomechanischen Modellierungen, sowie der Identifikation von Störungen und hydrothermalen Fluiden im Untergrund mit elektromagnetischen Methoden und Potentialverfahren.



3D-Geologie und Reservoirmodelle
Magnetotellurik Gravimetrie und Magnetik Geomechanik


3D-Geologie-, Temperatur- und Ressourcenmodelle

Um die Wärmeressource in einem bestimmten Gebiet für eine geothermische Nutzung abschätzen zu können, muss zunächst ein dreidimensionales Modell des tieferen Untergrundes erstellt werden. Die Anforderungen an das Modell bzw. dessen Detailtreue ergeben sich aus der vorgesehenen Verwendung. Die Basis dieser geologischen Modellierung stellen recherchierte und evtl. neu aufgenommene geologische Informationen (z.B. Daten aus Tiefbohrungen, Daten geologischer Kartierungen, oder Interpretierte seismische Messergebnisse) dar. Das 3D Modell ermöglicht eine großräumige Darstellung und Verknüpfung der strukturellen und stratigraphischen Gegebenheiten im Betrachtungsgebiet. Im Zuge einer Exploration zur tiefengeothermischen Nutzung kann das geologische 3D Modell während des fortschreitenden Projektverlaufs, durch die Implementierung neu akquirierter Daten und Ergebnisse, ständig aktualisiert werden. Somit wird dem Erkenntnisgewinn durch zusätzliche Untersuchungen verschiedener Explorationsmethoden Rechnung zu tragen. Das 3D Modell stellt eine Synthese des aktuellen geologischen Wissensstands des Untersuchungsgebietes dar und ist die geometrische Grundlage für weitere geophysikalische Modellrechnungen, wie Temperaturberechnungen oder Vorwärtsmodellierungen/ Inversionen geophysikalischer Daten.

  

3Dmodel


Großräumiges geologisches 3D Modell mit implementierten Störungen

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Diskretisiertes 3D-Modell für Temperatur- und HIPD-Modellierung

Die direkte Diskretisierung geologischer 3D-Modelle ermöglicht eine zeitsparende Vorwärtsmodellierung der Temperatur und der flächenbezogenen verfügbaren Energie im Untergrund (HIPD). Die Kopplung von 3D-Geologie und Finite Differenzen Modellierung erlaubt die fortlaufende Aktualisierung der Temperatur- und Energieprognosen während der Entwicklung eines Geothermieprojektes. Neue Erkenntnisse über den geologischen Aufbau (Störungen, Schichtmächtigkeiten, usw.) des Ressourcengebietes können dadurch in einem einfachen iterativen Workflow ebenso eingebaut werden, wie es ansonsten oft nur für die Gesteinseigenschaften erfolgt.

 

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Magnetotellurik

Die Magnetotellurik ist eine Methode zur Abbildung der elektrischen Widerstands-verteilung im Erdinneren. Gemessen werden zeitliche Variationen des Erdmagnetfeldes und die dadurch induzierten elektrischen Felder im Erdinneren. In besonders gut elektrisch leitfähigen Strukturen fließen bevorzugt Ströme, so dass diese von ihrem Nebengestein unterschieden werden können. Aufgrund der großen Bandbreite des natürlichen Signalspektrums können Bereiche von Oberflächennähe (~100m) bis in große Tiefen (~100km) untersucht werden.

  

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Resultat der 2D-Inversionen eines Profils eine Störungeszone im Südschwarzwald.

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Das igem erforscht Möglichkeiten die Magnetotellurik zur Auffindung von salinaren Tiefenwässern einzusetzen. Vor allem die Funktion von Störungszonen als bevorzugte Fluidwegsamkeit oder Fluidblockade stehen dabei im Mittelpunkt des Interesses. Dazu wurden bspw. Messkampagnen am Geothermiestandort Soultz-sous-Forêts und im Südschwarzwald durchgeführt. Aktuell nimmt die Stärke des natürlichen Nutzsignals zu (Weltraumwetter). Das Signal/Rausch-Verhältnis ist somit in den nächsten Jahren günstig, um Untersuchungen in besiedelten Gebieten durchzuführen.

 

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Gravimetrie 

Die Gravimetrie wie auch die Magnetik gehören zu den klassischen geophysikalischen Erkundungsmethoden. Es werden hierbei die ortsabhängigen Variationen der Erdbeschleunigung bzw. des Erdmagnetfeldes vermessen. Verursacht werden diese Anomalien durch Unterschiede in der Gesteinsdichte bzw. der magnetischen Suszeptibilität der Gesteine im Untergrund. Das igem wendet diese Methoden an um Informationen über den lithologischen und strukturellen Bau des Untergrundes zu erhalten und um Störungen im Gestein zu identifizieren bzw. deren Beschaffenheit zu untersuchen. Es lassen sich kostengünstig große Gebiete flächendeckend untersuchen, sodass teure Seismikkampagnen besser geplant werden bzw. Informationslücken in 2D-Seismiknetzen geschlossen werden können.

  


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Gravimetermessungen

Edge Detection Gravity

Resultat der Poisson-Wavelet-Analyse der gravimetrischen Anomalien im Untersuchungsgebiet. Der dreidimensionale Datensatz erlaubt Streichen und Einfallen von Dichtekontrasten zu visualisieren.

  

Moderne Feldtransformationsverfahren wie die Poisson-Waveletanalyse erlauben es, detaillierte strukturelle Hinweise in 3D aus den gemessenen Daten zu extrahieren. Die Kenntnis vorhandener Störungen, bekannt aus geologischen Kartierungen und 2D-Seismik, kann so deutlich erweitert werden. Die Abbildung zeigt Ergebnisse einer Poisson-Wavelet-Analyse der gravimetrischen Daten.


 


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Geomechanische Modellierungen


Am igem kommen, je nach speziellem Anwendungsgebiet, zwei verschiedene Methoden zur numerischen Modellierung geomechanischer Prozesse zum Einsatz. Mit Hilfe kontinuumsbasierter Ansätze wie z.B. der Methode der Finiten Elemente (FEM), werden geomechanische Probleme im regionalen Maßstab untersucht sowie thermo-hydro-mechanische Modelle im Reservoirmaßstab. Zur Untersuchung spröder Deformationsvorgänge sowie der Bruchmechanik im kleinen Maßstab wird außerdem die Methode der Diskreten Elemente (DEM) verwendet.

DE-Modellierungen

Die Methode der Diskreten Elemente (Discrete Element Method - DEM) ist ein Ansatz zur numerischen Modellierung spröder Deformationsvorgänge. Dabei wird das Material durch eine große Anzahl miteinander interagierender Partikel modelliert. Je nach Typ der verwendeten Interaktionen können dadurch insbesondere Bruchvorgänge in realistischer Weise modelliert werden.

DEM-normal

DEM-Modell einer Abschiebung in einem spröden Gestein (ca. 1.5 Millionen Partikel)

    DEM-Triax

Simulation eines Triaxialtests. Dargestellt sind die Deformation der modellierten Gesteinsprobe (links) sowie die lokale Porosität (rechts)

FE-Modellierungen

Die Methode der Finiten Elemente (FEM) ist ein Ansatz zur numerischen Modellierung, unter anderem zur Untersuchung von Problemen mit geomechanischer, hydraulischer oder thermischer Fragestellung sowie Kombinationen daraus. Es können dabei sowohl komplizierte Modellgeometrien als auch ein weites Spektrum von Materialeigenschaften berücksichtigt werden. Am igem werden diese Methoden zum einen eingesetzt um die Spannungsverteilung und das sich daraus ergebende Verhalten von geologischen Störungen in einem regionalen Kontext zu untersuchen. Zum anderen wird mit Hilfe von FEM-Modellen die Wechselwirkung zwischen thermischen, hydraulischen und mechanischen Vorgängen bei der Bruchausbreitung innerhalb geothermischer Reservoirs erforscht.


   FEM-Mod Geomechanisches FEM-Modell einer deformierten Region mit mehreren Störungen.

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