Samstag, 22. Oktober 2011

5 Jahre Magmatismus und Geodynamik Deutschlands...

... und über 40 Posts. Zeit einen kleinen Rückblick zu machen und einen Ausblick für die Zukunft zu geben
Wir behandelten... :

Intraplattenvulkane: Schlackenkegel, MaareDomeTuffschlote
Vulkanfelder: Odenwald, Westeifel
Eruptionszentren: Laacher See, WartgesberggruppeBuerberg
Den Katzenbuckel: Teil 1, Teil 2, Teil 3
Große Einzelvulkane: Kaiserstuhl, Vogelsberg ( Teil 1, Teil 2, Teil 3Teil 4 )
Basalte

...desweiteren schauten wir uns verschiedene tektonische Begebenheiten an:

Riftzonen: Oberrheingraben,
Antiklinalen
Hebung

Die jüngsten Einträge beschäftigten sich mit der alternativen Energiequelle Geothermie:

Geothermie in: Vulkanfeldern, Vulkankomplexen, Riftzonen

In Zukunft wird es auch wieder Berichte von Exkursionszielen geben sowie aktuelle News aus der Geowelt.

Sonntag, 16. Oktober 2011

Geothermie in Deutschland Teil 3: "Geothermie in Grabenzonen."

Eine Grabenzone entsteht, wenn die Erdkruste gedehnt wird. Vereinfacht gesehen bilden sich zwei große Randstörungen, die steil einfallen und bis zur Conrad-Grenze (der Grenze zur verformbaren, weichen Kruste) in 20 km Tiefe reichen. Entlang dieser Randstörungen sinkt der Graben keilförmig ein. Jenseits der Conrad-Grenze fließt die Kruste bei Dehnung außeinander, da dort das Gestein plastisch deformierbar ist. An den Störungen bilden sich Kluftsysteme, die mehrere Kilometer in die Tiefe reichen. Wasser kann innerhalb dieser Bereiche zirkulieren, indem es entlang dieser Klüfte vordringt, sich aufheizt, und aufgrund seiner Volumenzunahme wieder aufsteigt.

Die größte Grabenzone in Deutschland ist der Oberrheingraben, sie entstand im Eozän vor ca. 45 Millionen Jahren als Hauptgraben des mitteleuropäischen Riftsystems. Das Riftsystem war hauptsächlich bis zum älteren Miozän vor ca. 17 Millionen Jahren aktiv und auch heute bewegen sich noch Teilbereiche der Gräben. Viele Thermalquellen zeugen am Oberrheingraben von offenen Kluftsystemen an den noch aktiven Störungen.
Gräben sind thermal aktive Gebiete, haben also erhöhte Geotherme. Lassen sich Standorte in Grabenzonen für die Geothermie nutzen?
Modellieren wir nun eine Grabenzone im Querschnitt. Der modellierte Krustenschnitt ist 30 km breit und 15 km tief, damit die Datenmenge nicht zu hoch ist, berechnen wir nur eine Grabenhälfte. Der Ausgangszustand ist wie in den Modellen der vorherigen Beiträge eine 80 km mächtige Lithosphäre mit einem Geotherm von 15°C pro km. Entlang der Randstörung berechnet das Modell nun die Zirkulation von Wasser, mit dem die Wärme aus der Tiefe konvektiv aufsteigen kann. Die aufsteigenden Wässer erhitzten das Gestein nahe der Erdoberfläche und kühlen den Ursprungsort an der Basis des Kluftsystems.
Die folgende Abbildung zeigt das Modell nach ca. 700.000 Jahren. Die Basis des Kluftsystem liegt bei 12 km und hat zur Absenkung der 175°C Isothermen geführt. Im Bereich eines Grabens kann es in größerer Tiefe sogar kühler sein als in den angrenzenden Gebieten.
Im folgenden Bild ist der konvektive Wärmestrom (Rot) entlang der Randstörung (Schwarz) eingetragen. Um den Schnitt zu vervollständigen ist die nichtberechnete gegenüberliegende Randstörung (Weiß) angedeutet.
Der Temperaturanstieg entlang der Randstörung ist zunächst sehr stark. Im Bereich des konvektiven Aufstiegs (Grün) nimmt die Temperatur über einen großen Tiefenbereich kaum mehr zu. In größerer Tiefe (bei ca. 12 km) gleicht sich der Geotherm wieder dem ungestörten Ausgangszustand (Rot) an.
Das Modell erreicht in 3 km Tiefe fasst 150°C, Geothermie wäre hier möglich.
 
Grabenzonen mit hydrothermalen Systemen eignen sich demnach als Geothermiestandorte, neben der erhöhten Temperatur steht auch zusätzlich Wasser als Transportmedium zur Verfügung.
 
Modelling Program:
Wohletz, K.H., 1999, KWare Heat3D software for multithreaded, 3-D,
heterogeneous heat flow simulation. Los Alamos National Laboratory Computer
Code LA-CC 99-27 (http://geodynamics.lanl.gov/Wohletz/Heat.htm), Los Alamos
New Mexico

Dienstag, 15. März 2011

Geothermie ist grundlastfähig!

Es ist einfach grotesk, bei allem Leid, dass die Japaner erfahren müssen, schafft es unsere Regierung nicht einen festen Entschluss zu fassen und vorbildhaft den Atomausstieg zu beginnen. Nein da müssen die vor einem halben Jahr noch angeblich sicheren AKWs überprüft werden, drei Monat Fristen um Zeit über die Wahl zu schinden.
Die Hauptargumente für die Betreibung der AKWs ist ihre Grundlastfähigkeit bei minimalen CO2 ausstoß. "Ökostrom" der aus Windenergie und Solarzellen stammt, kann auch kein AKW ersetzen da eben diese Fähigkeit zur Grundlastnutzung fehlt.
Als sauberste Energiequelle kann hier die Geothermie helfen. Selbst nach Jahrzehnten der Energieentnahme sinkt die Temperatur des Reservoirs kaum, auf menschliche Maßstäbe also eine unendliche Energiequelle.
Die Tiefengeothermie ist oft wegen der entstehenden Erdbeben (z.B. Basel, Landau) in verruf gekommen. Diese sind von der Magnitude jedoch minimal und die davon ausgehende Gefahr steht in keinem Verhältnis zu der Gefahr von AKWs, starke Erdbeben sind auf jedenfall ausgeschlossen!
Kernenergie wird jedoch trotzdem noch begrüßt, selbst wenn die Gefahren so offensichtlich sind.

Es ist endlich an der Zeit, dass sich alle Nationen der Kernenergie entledigen, gerade Japan mit seinen über 40 Vulkanen hätte genug Potential für günstige Geothermie.

Freitag, 4. März 2011

Geothermie in Deutschland Teil 2: "Geothermisches Potential der jungen Vulkankomplexe des Osteifel Vulkanfeldes."

Mein vorheriger Eintrag erklärte uns, dass unter kleinen Vulkanfeldern keine nennenswerte thermische Anomalien entstehen können, da die Magmenkammern in zu großen Tiefen liegen. Es gibt in der Osteifel jedoch drei Lokalitäten (Rieden-Caldera, Wehrer-Kessel und Laacher See-Caldera) an denen kleine Magmakammern bis in mindestens 6 km Tiefe aufgestiegen sind. Damit unterscheidet sich die Osteifel von einem "normalen" Vulkanfeld (z.B. Westeifel), was durch die Abwesenheit von oberflächennahen Magmenkammern charakterisiert ist.
Könnte vielleicht unter diesen drei größeren Vulkankomplexen das Gestein heiß genug für die Erschließung von Geothermie sein?
Die Abbildung zeigt nun einen Schnitt durch die oberen 10 km der Kruste mit einem Geotherm von 15°C pro Kilometer. An der Basis des Schnittes, befindet sich eine Magmakammer, die in ihrer Größe der des Laacher See Vulkans entspricht.
Der obere Teil in lila besteht aus dem eruptionsfähigen (phonolithischen-) Magma und umfasst ein Volumen von 6 km³. Die rote Basis ist eine mafische Lage die noch einmal 3 km³ umfasst und nicht eruptiert.
Direkt nach der massiven Eruption ist der Schlotbereich erhitzt und an der Oberfläche herrschen direkt unter dem Krater eine Temperatur von über 400°C! Die mafische Lage an der Basis der Magmakammer ist nicht eruptiert, da sie an magmatischen Gasen verarmt als kristallreiche, dichte Lage immobil bleibt.
Lassen wir nun das System abkühlen und die Zeit verstreichen bis das Modell das heutige Alter des Laacher See Vulkans erreicht hat.
Die mafische Lage an der Basis der Magmakammer ist nun erstarrt. Seismisch gibt es nun keinen Hinweis mehr auf eine Magmakammer. Der Schlotbereich ist jedoch noch sehr heiß.
Der Geotherm erreicht im Bereich des Kraters schon in 1.5 km Tiefe eine Temperatur von 150°C. Die für die Geothermie notwendigen Temperaturen sind dort also schon in geringen Tiefen verfügbar. Dies belegen auch die Quellen um den Laacher See, sie haben eine leicht erhöhte Temperatur von 20°C. Diese Temperatur wird im Modell in 1 km Tiefe erreicht und deckt sich also ganz gut mit den Beobachtungen. Als Nächstes betrachten wir den Fall, wenn das Modell das Alter des Wehr Vulkans von 150.000 Jahren erreicht.
 
Die Wärme der abkühlenden Magmakammer breitet sich konduktiv in das umgebende Gestein aus.
Die für die Geothermie erforderlichen 150°C werden nun in 4 km Tiefe erreicht. Als letztes untersuchen wir die älteste Caldera der Osteifel, dem Riedener Vulkankomplex. Dieser hatte vor über 300.000 Jahren seine letzte Eruption.
Die Magmakammer ist sichtlich kälter geworden und die Hitze ist weit in das umgebende Gestein gewandert.
Während die Magmakammer sich weiter abgekühlt hat wird die für die Geothermie nötige Temperatur nun in 4.5 km Tiefe erreicht.
Dieses Modell hat uns gezeigt, dass es in Vulkanfeldern mit oberflächennahen Magmenkammern in der Tat erschließenswerte Geothermiestandorte gibt. In allen drei Fällen aus der Osteifel, besonders am Laacher See, sollte eine schlotnahe Bohrung einen erhöhten Geotherm vorfinden. Das Problem bei diesem Modell ist, dass bei diesen drei Vulkanen, die ja Calderen sind, der Untergrund stark zerrüttet ist. Eine geothermische Erschließung währe wohl mit viel Aufwand verbunden. Ebenfalls lässt die Tatsache, dass diese drei Wärmeanomalien räumlich sehr begrenzt sind, die Attraktivität sinken.

Modelling Program:
Wohletz, K.H., 1999, KWare Heat3D software for multithreaded, 3-D,
heterogeneous heat flow simulation. Los Alamos National Laboratory Computer
Code LA-CC 99-27 (http://geodynamics.lanl.gov/Wohletz/Heat.htm), Los Alamos
New Mexico.

http://rapidshare.com/files/450922284/Magmakammercooling.avi
Das Video zeigt die Abkühlung der Magmakammer bis zum thermischen Gleichgewicht nach 3.5 Millionen Jahren.

Mittwoch, 23. Februar 2011

Geothermie in Deutschland Teil 1: "Geothermische Energie aus unseren Vulkangebieten?"

Geothermie ist ein aktuelles Thema in den erneuerbaren Energien. So sind doch 99% der Erde heißer als 1000°C, man muss sie nur irgendwie erreichen können. Um mit der Geothermie Strom zu erzeugen brauch man mindestens 150°C heißes Wasser, diese Temperaturen werden in geologisch ruhigen Gebieten erst in über 5 km Tiefe erreicht und für die Kosten einer Bohrung zählt jeder Meter der eingespart werden kann.
Am naheliegensten währen also Gebiete, bei denen die Temperatur schon in geringeren Tiefen sehr hoch ist. Island, die Insel die ihre Energie außschließlich aus Geothermie gewinnt und sich damit autark versorgt, ist als Extrem anzusehen, dort gibt es viel Vulkanismus und hydrothermale Systeme die die Hitze der Magmakammern an die Erdoberfläche transportieren.
Währe es also anzunehmen, dass auch unter den jungen mitteleuropäischen Vulkangebieten die Erde heißer als normal ist und für einen Geothermiestandort in Frage käme? 
Die folgenden Abbildungen zeigen Schnitte durch die Erdkruste und ihre thermalen Zustände.
Modellieren wir die mitteleuropäische Lithosphäre, welche ca. 80 km mächtig ist und an ihrer Basis, der Grenze zur Asthenosphäre 1200°C erreicht. Das ergäbe einen geothermischen Gradienten von 15°C pro km. Die Folgende Abbildung zeigt nun die oberen 30 km der Lithosphäre (der Erdkruste) und ihren thermischen Zustand.
Der Geotherm ist linear und erreicht an der Basis der Kruste in 30 km Tiefe 450°C.
Man muss ziemlich tief bohren (Rot) um die erforderlichen 150°C für die Stromerzeugung zu erreichen, werden sie in diesem Modell doch erst in 10 km Tiefe erreicht.
 
Nun heizen wir dem Modell ein und fügen die typischen magmatischen Formen, eines monogenetischen Vulkanfeldes, welche sich durch kleine Intrusionen charakterisieren, über die Zeit hinzu.
Während der Aktivität eines Vulkanfeldes befindet sich an der Basis der Kruste eine flach ausgedehnte Magmakammer, die von kleinen Magmaschüben aus dem Erdmantel gespeißt wird.
Hin und wieder steigen auch Magmakammern bis auf 15-20 km Tiefe auf, da dort in der Kruste eine Barriere ist. Diese Barriere, die Conrad-Grenze, ist eine Grenzschicht zwischen der weichen, deformierbaren unteren Kruste, in die Magmen leicht eindringen können und der spröden oberen Kruste, die das eindringen von Magmen nur unter Bildung von Brüchen zulässt.
Die folgende Abbildung zeigt das Vulkanfeld nach ca. 200.000 Jahren, die Basis der Kruste ist sichtlich heißer geworden durch die rege magmatische Aktivität und die Conrad-Grenze wurde im Bereich der Intrusionen angehoben (rote Linie).
Der Wärmeherd in 15-20 km tiefe entstand durch zahlreiche kleine Intrusionen die sich in den vergangenen 200.000 Jahren ereignet haben und an der Conrad-Grenze steckengeblieben sind.
Vulkanische Aktivität an der Oberfläche wird durch nur meterdicke Dykes (vulkanische Fördergänge) gespeist und kann daher nicht modelliert werden (eine modellierte Zelle ist 1 km breit und hoch) fällt aber auch nicht sonderlich ins Gewicht, da so ein Gang sehr rasch in einem Zeitraum von Monaten bis Jahren abkühlt .
 Nun ist das Vulkanfeld fast 300.000 Jahre alt und die jüngeren Intrusionen wandern immer weiter hinauf da durch die freiwerdende Hitze auch die Conrad-Grenze in geringere Tiefen verlegt. Wieder erkennt man den Wärmedom der sich um die Intrusionen ausbildet.

Nun betrachten wir das geothermische Potential das sich ergibt, wenn das Vulkanfeld das Alter der Eifel erreicht, also ca. 600.000 Jahre.
Durch weitere Intrusionsvorgänge hat sich eine beträchtliche Menge an Wärme in der mittleren und unteren Kruste gesammelt. Lohnt es sich nun hier Geothermie zu betreiben?
Der Blick auf den Geotherm zeigt uns nun keinen linearen Anstieg mehr. Die Temperatur ist nun an der Basis der Kruste doppelt so hoch wie zu dem Zeitpunkt bevor die magmatische Aktivität begann. Die Temperatur macht hier sogar in einer Tiefe von 15 km, das Temperaturprofil ist links neben der jüngsten Intrusion, einen Bogen im verlauf.
Jedoch hat die Temperatur in 10 km Tiefe nach wie vor einen Wert von ca. 150°C, das Gebiet ist geothermisch gesehen also uninteressant! Selbst wenn an der Erdoberfläche nun hunderte Vulkane stehen!
 
Nehmen wir nun einmal den hypothetischen Fall an, dass die Hitze erst noch Zeit brauch um konduktiv bis zur Oberfläche zu Steigen. Es gibt ältere Vulkangebiete in Mitteleuropa die vielleicht intressanter für die Geothermie währen, da dort die Hitze vielleicht konduktiv schon aufgestiegen ist. Im folgenden Szenario kommt es nach dem erlöschen des Vulkanfeldes zur Abkühlung der Magmenkammern. Im Modell intrudierten in die mittlere Kruste ca. 50 km³ Magma und an der Basis wurden ca. 300 km³ durch underplating angelagert, was für ein kleines Vulkanfeld wie die Eifel durchaus realistisch ist.
15 Millionen Jahre älter als die Eifel entspricht dem mittleren Alter der nächst jüngeren Vulkanfelder in Deutschland. Nach erlöschen der magmatischen Aktivität hat sich die Wärme der intrudierten Magmen fast homogen unter dem Vulkangebiet verteilt, ein schwacher, aber ausgebreiteter Wärmedom ist noch erkennbar.
Der Geotherm ist nun fast wieder linear. Die Temperatur an der Basis der Kruste hat wieder ihren ursprünglichen Wert von 450°C, in 10 km liegt sie nun bei 160°C, ist also nur um 10°C erhöht!
Uns hat dieses Modell gezeigt, dass sich in einem kleinen Vulkanfeld, keine nennenswerte Temperaturanomalie ausbildet, die für die geothermische Nutzung erschließenswert währe.

Modelling Program:
Wohletz, K.H., 1999, KWare Heat3D  software for multithreaded, 3-D,
heterogeneous heat flow simulation. Los Alamos National Laboratory Computer
Code LA-CC 99-27 (http://geodynamics.lanl.gov/Wohletz/Heat.htm), Los Alamos
New Mexico.

Videozusammenschnitt der Vulkanfeldentwicklung: http://rapidshare.com/files/449350436/Evolution.avi
Das Video zeigt die Entwicklung des Modells mit magmatischen Intrusionen und die darauffolgende Abkühlung.