Hydrogeochemie und Hydrogeologie
TiefenReservoir-Analyse und Charakterisierung von der Erdoberfläche (TRACE)
Geochemisch-isotopisches Multimethoden-Konzept zur Charakterisierung tiefer Aquifere im Gebiet des Oberrheingrabens
Geothermie ist eine umweltfreundliche Energiequelle, aus der Tag und Nacht wetterunabhängig (grundlastfähig) regenerative, CO2-arme Energie gewonnen werden kann. Allerdings gibt es noch großen Forschungs- und Entwicklungsbedarf um das enorme Potential der tiefen Geothermie angemessen und wirtschaftlich nutzen zu können.
Ziel des auf 3 Jahre angelegten und vom BMU geförderten Forschungs- & Entwicklungs-Projekts TRACE ist die Entwicklung einer kostengünstigen geochemischen und isotopischen Methodenkombinationen zur Fündigkeitsabschätzung in den Tiefengeothermie-Projekten Groß-Gerau, Heidelberg und Neuenburg/ Südbaden (Oberrheingraben). Die Fündigkeit setzt sich hauptsächlich aus der zu erwartenden Temperatur und der Fließrate des Fluids zusammen. Für eine Abschätzung sind Gesteinsart, Geometrie und Permeabilität (Porosität, Störungen, Klüfte, Verkarstung) des tiefen Aquifers sowie die Zusammensetzung des Fluids (Gasgehalt, Salzgehalt) essentiell. Im ungünstigsten Fall kann die Fündigkeit eines Nutzhorizontes zu gering sein oder durch Ausfällungen oder Korrosion von Fluiden im Thermalwasserkreislauf verringert werden und einer nachhaltigen Nutzung entgegenstehen. Im Rahmen von TRACE sollen daher im Vorfeld einer geothermischen Exploration mittels natürlich vorkommender Tracer die Verteilung, Ausbreitung und die Quellen der Stoffkomponenten sowie Mischungsprozesse identifiziert werden. Dies geschieht in einem Verbundprojekt der universitären Arbeitsgruppen der Hydrogeochemie und Hydrogeologie unter Leitung von Prof. Dr. Margot Isenbeck-Schröter (Heidelberg, Institut für Geowissenschaften), Grundwasser und Paläoklima unter Leitung von Prof. Dr. Aeschbach-Hertig (Heidelberg, Institut für Umweltphysik), einer Arbeitsgruppe im Bereich der Isotopengeologie (N.N.) und dem Karlsruher Ingenieurbüro GeoT (GeoThermal Engineering).
Ziel der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Isenbeck-Schröter ist es, aus der chemischen Zusammensetzung der Grundwässer auf Herkünfte und Fließwege durch das Reservoir zu schließen. Dies geschieht durch eine umfassende Modellierung der Hydraulik, des Wärmetransportes und des reaktiven Stofftransportes. Weiterhin soll ein geochemisches Modell erstellt werden, bei dem Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen, Mischungsvorgänge verschiedener Wässer, sowie Lösungs- und Fällungsvorgänge nachvollzogen werden können. Als Grundlage hierfür muss ein vollständiger geochemischer Datensatz aufgestellt werden. Standardmethoden zur Wasseranalytik werden mit Spezialmethoden der Spurenanalytik kombiniert. Unter den Spurenelementen sind Uran, Arsen, Blei, Yttrium und die Seltenen Erden von speziellem Interesse.
Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Aeschbach-Hertig beschäftigt sich mit der Analyse und Interpretation von Heliumisotopen in Grund- und Thermalwässern, um die Eignung dieses Tracers für die Erkundung der Geothermiestandorte zu untersuchen. Erhöhte 3He/4He Verhältnisse, die auf die Präsenz von Mantelfluiden und damit tiefe Zirkulation hindeuten, sollen identifiziert und detailliert untersucht werden. Die Heliumanalysen werden durch komplette Edelgasmessungen (Ne, Ar, Kr, Xe) und durch die Analytik der stabilen Isotope des Wassers (2H und 18O) ergänzt. Zudem können je nach Bedarf und Altersbereich eine Reihe von Datierungsmethoden (3H-3He, 222Rn, CFCs, SF6, 14C) für Grundwasser zum Einsatz gebracht werden.
Ein mobiler Analysator zur vor-Ort-Bestimmung der Kohlenstoff-Isotope der im Wasser gelösten Gase Kohlendioxid und Methan soll bereits im Gelände zum Einsatz kommen und gemeinsam mit Bodengas-Messungen und Helium-Isotopenanalysen zur Auskartierung von Störungen dienen. So können Hinweise auf erhöhte Permeabilitäten im Bereich tiefreichender hydraulisch wirksamer Störungen gewonnen werden.
Darüber hinaus werden von der isotopengeologischen Arbeitsgruppe an Grund- und Thermalwässern sowie an Festgesteinen Strontium-, Neodym- und Blei-Isotopenanalysen durchgeführt. Mittels dieser soll das Potential einer Kombination isotopischer Methoden ausgelotet werden. Die Komponentenmischung in den Wässern zur Charakterisierung der lithologischen Einheiten der tiefen Aquifere und die Verteilung, Ausbreitung und Quellen der Stoffkomponenten sowie Mischungsprozesse sollen identifiziert werden. An selbigen Proben werden darüber hinaus Schwefel-Isotopenanalysen durchgeführt. Sie sollen dazu beitragen, den Beitrag salinarer Gesteine an der Lösungsfracht zu identifizieren.
Das Ingenieurbüro GeoT fungiert als Projektkoordinator und verfügt über eine weitreichende Expertise bei Fragestellungen bezüglich der hydrogeothermischen Exploration und der Geologie des Oberrheingrabens. Der Datensatz wird durch bereits akquirierte seismische- und publizierte Widerstandsmessungen vervollständigt. Ziel von GeoT ist es die Ergebnisse der drei universitären Arbeitsgruppen zusammenzufügen und in die Explorationsstrategie einfließen zu lassen. So sollen Risiken bei der Exploration verringert und kostengünstiger durchgeführt werden.
Schmidt, G., Al Najem, S., Isenbeck-Schröter, M., Freundt, F., Kraml, M., Eichstädter, R., Aeschbach, W. Ascending deep fluids into shallow aquifer at hydraulically active segments of the Western Boundary Fault of the northern Upper Rhine Graben, Germany: Constraints from 87Sr/86Sr ratios. Procedia Earth and Planetary Science (2017), pp. 81-84 http://dx.doi.org/10.1016/j.proeps.2016.12.001
Schmidt, G., Al Najem, S., Isenbeck-Schröter, M., Freundt, F., Kraml, M., Aeschbach, W. 87Sr/86Sr ratios in shallow and deep aquifers from the southern Upper Rhine Graben, Germany. Procedia Earth and Planetary Science (2017), pp. 626-629 http://dx.doi.org/10.1016/j.proeps.2016.12.168
Schmidt, G., Al Najem, S., Isenbeck-Schröter, M., Freundt, F., Kraml, M., Aeschbach, W. 87Sr/86Sr ratios in thermal water from the southern Upper Rhine Graben, Germany. Procedia Earth and Planetary Science (2017). pp. 364-367 http://dx.doi.org/10.1016/j.proeps.2016.12.092
Schmidt, G., Al Najem, S., Isenbeck-Schröter, M., Freundt, F., Kraml, M., Eichstädter, R., Aeschbach, W. 87Sr/86Sr ratios in shallow and deep aquifers and thermal water from the Eastern Boundary Fault of the northern Upper Rhine Graben at the Heidelberg Basin, Germany. Procedia Earth and Planetary Science (2017), pp. 108-111 http://dx.doi.org/10.1016/j.proeps.2016.12.017
Kraml, M., Jodocy, M., Freundt, F., Schmidt, G., Al Najem, S., Reinecker, J., Kreuter, H., Aeschbach, W., Isenbeck-Schröter, M. Ergebnisse des Forschungsprojekts TRACE zur Senkung des Fündigkeitsrisikos. Geothermie Kongress 2016, 29. Nov. - 01. Dez., Haus der Technik, Essen Vortrag zum Thema „Verminderung des Fündigkeitsrisikos“ am 30.11.2016, 15:00 Uhr, Hörsaal A1 http://www.geothermie.de/aktuelles/der-geothermiekongress-2016.html
Schmidt, G., Al Najem, S., Isenbeck-Schröter, M., Freundt, F., Kraml, M., Eichstädter, R., Aeschbach, W. Ascending deep fluids into shallow aquifer at hydraulically active segments of the Western Boundary Fault of the northern Upper Rhine Graben, Germany: Constraints from 87Sr/86Sr ratios. 15th Water-Rock Interaction International Symposium, WRI-15, 16 to 21 October 2016, Évora, Portugal. – oral presentation 20.10.2016, http://wri15portugal.org/
Schmidt, G., Al Najem, S., Isenbeck-Schröter, M., Freundt, F., Kraml, M., Aeschbach, W. 87Sr/86Sr ratios in shallow and deep aquifers from the southern Upper Rhine Graben, Germany. 15th Water-Rock Interaction International Symposium, WRI-15, 16 to 21 October 2016, Évora, Portugal. – E-Poster presentation 20.10.2016, http://wri15portugal.org/
Schmidt, G., Al Najem, S., Isenbeck-Schröter, M., Freundt, F., Kraml, M., Aeschbach, W. 87Sr/86Sr ratios in thermal water from the southern Upper Rhine Graben, Germany. 15th Water-Rock Interaction International Symposium, WRI-15, 16 to 21 October 2016, Évora, Portugal. – E-Poster presentation 20.10.2016, http://wri15portugal.org/
Schmidt, G., Al Najem, S., Isenbeck-Schröter, M., Freundt, F., Kraml, M., Eichstädter, R., Aeschbach, W. 87Sr/86Sr ratios in shallow and deep aquifers and thermal water from the Eastern Boundary Fault of the northern Upper Rhine Graben at the Heidelberg Basin, Germany. 15th Water-Rock Interaction International Symposium, WRI-15, 16 to 21 October 2016, Évora, Portugal. – E-Poster presentation 20.10.2016, http://wri15portugal.org/
Kraml, M., Jodocy, M., Reinecker, J., Leible, D., Freundt, F., Al Najem, S., Schmidt, G., Aeschbach, W., Isenbeck-Schröter, M. TRACE: Detection of Permeable Deep Reaching Fault Zone Sections in the Upper Rhine Graben, Germany, During Low Budget Isotope Geochemical Surface Exploration. European Geothermal Congress 2016, Paper Number: S-GC-98, Strasbourg, France https://www.geothermal-energy.org/pdf/IGAstandard/EGC/2016/EGC2016-S-GC-98.pdf
Isenbeck-Schröter, M., Aeschbach, W., Al Najem, S., Freundt, F., Schmidt, G. TRACE - TiefenReservoir-Analyse und Charakterisierung von der Erdoberfläche: Geochemisch-isotopisches Multimethoden-Konzept zur Charakterisierung tiefer Aquifere im Gebiet des Oberrheingrabens, Abschlussbericht TRACE Teil B. Technische Informationsbibliothek Hannover (2016) 95 S. DOI: 10.2314/GBV:871282461
Freundt, F., Al Najem, S., Aeschbach-Hertig, W., Isenbeck-Schröter, M., Schmidt, G., Kraml, M., Geothermal exploration using He isotopes in shallow aquifers of the Upper Rhine Graben. In 7th German-Brazilian Symposium, Heidelberg, Oktober 04 - 10. 2015. (Vortrag) http://www.geow.uni-heidelberg.de/md/chemgeo/geow/tagung/SBA-DBS/abstract-book_sba-dbs.pdf
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Freundt, F., Al Najem, S., Aeschbach-Hertig, W., Isenbeck-Schröter, M., Schmidt, G., Kraml, M., Application of helium isotopes in shallow groundwater for geothermal exploration in the Upper Rhine Graben. 25th Annual V. M. Goldschmidt Conference, Prag, August 16 - 21. 2015. http://goldschmidt.info/2015/uploads/abstracts/origPDFs/2109.pdf (Poster)
Schmidt, G., Al Najem, S., Isenbeck-Schröter, H.-M. Seitz, N. Gaspers, M., Freundt, F., Aeschbach-Hertig, W., Kraml, M., Hochfraktionierte Lithium-Isotopenverhältnisse (negative δ7Li-Werte) in Grundwässern und Mineralquellen der westlichen Grabenrandstörungszone des nördlichen Oberrheingrabens. Forschungsseminar Universität Heidelberg, 5. Mai 2015 (Vortrag). http://www.geow.uni-heidelberg.de/veranstaltungen/forschungsseminar.html
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Kraml, M., Freundt, F., Schmidt, G., Al Najem, S., Aeschbach-Hertig, W., Isenbeck-Schröter, M., Grobe, R., Trace – Tiefenreservoir Analyse und Charakterisierung von der Erdoberfläche – Forschungsprojekt zur Detektion von permeablen tiefreichenden Störungszonen im Oberrheingraben. 9. Tiefengeothermie-Forum am 30. September 2014 an der Technischen Universität Darmstadt http://hessenenergie.de/Downloads/Dl-Nach/dln-tgf/tgf-14/tgf-14-pdfs/05_Kraml_140930.pdf
Schmidt, G., Al Najem, S., Isenbeck-Schröter, M., Freundt, F., Aeschbach-Hertig, W., Grobe, R., Kraml, M., 2014. Detection of ascending fluids in shallow groundwater at the western marginal fault of the northern Upper Rhine Graben, Germany: Constraints from 87Sr/86Sr isotopic ratios and trace elements. Schriftenreihe der Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften, Heft 85, S. 559 – 560. GeoFrankfurt 2014, Goethe Universität Frankfurt a.M., 21.-24. September 2014 (Vortrag)
Freundt, F., Al Najem, S., Aeschbach-Hertig, W., Isenbeck-Schröter, M., Schmidt, G., Grobe, R., Kraml, M., A multi-tracer approach for the exploration of deep geothermal energy potential and fault zone characterisation, applied in the Upper Rhine Graben. Geophysical Research Abstracts, Vol. 16, EGU2014-13059, 2014, EGU General Assembly 2014 http://meetingorganizer.copernicus.org/EGU2014/EGU2014-13059.pdf
Schmidt, G., Al Najem, S., Isenbeck-Schröter, M., Freundt, F., Aeschbach-Hertig, W., Kraml, M., Grobe, R., 87Sr/86Sr-Isotopenverhältnisse in Grundwässern des nördlichen Oberrheingraben, Workshop TRACE –TiefenReservoir-Analyse und Charakterisierung von der Erdoberfläche, FKZ: 0325390, Institut für Geowissenschaften, Universität Heidelberg, 23.05.2014 (Vortrag)
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