Seismological tools for geothermal exploration and monitoring
| dc.contributor.advisor | Krawczyk, Charlotte | |
| dc.contributor.advisor | Jousset, Philippe | |
| dc.contributor.author | Toledo Zambrano, Tania Andrea | |
| dc.contributor.grantor | Technische Universität Berlin | en |
| dc.contributor.referee | Krawczyk, Charlotte | |
| dc.contributor.referee | Maurer, Hansruedi | |
| dc.contributor.referee | Brehme, Maren | |
| dc.contributor.referee | Jousset, Philippe | |
| dc.date.accepted | 2021-04-13 | |
| dc.date.accessioned | 2021-07-02T15:51:11Z | |
| dc.date.available | 2021-07-02T15:51:11Z | |
| dc.date.issued | 2021 | |
| dc.description.abstract | Important aspects of geothermal exploration and exploitation are the assessment and mitigation of natural and/or induced seismicity, the imaging and resource assessment of a geothermal reservoir and the monitoring of the effects of the exploitation activities. With this thesis the analysis and application of various seismological tools for the planning, exploration, and monitoring of geothermal fields are given. The methods explored and further developed include survey design for microseismic network construction and assessment, local earthquake tomography, ambient noise tomography, and coda wave interferometry. These techniques were applied to study Los Humeros (Mexico), Theistareykir (Iceland) and Reykjanes (Iceland) geothermal fields. The geometry of seismological arrays is essential for high quality seismic event retrieval and minimal location errors. A sequential survey design algorithm that uses a quality measure based on the D-criterion was applied to extend the seismic network at Theistareykir and to qualify the geometry of the Reykjanes network. Assuming mean picking errors of tp =0.2 s and ts = 0.4 s, the extended Theistareykir network presented an improvement of ∼0.2 km for the computed hypocentral components of seismic events located within the new network. Conversely, we estimated that the Reykjanes network could spare up to 18 of its station locations and obtain comparable location errors nonetheless. This study showed thei mportance of prior survey design experiments to optimize the expenses for a geothermal project (required number of sensors) while obtaining good location estimates of expected seismic events (benefit/cost relations). To characterize the seismic structures at Los Humeros and Theistareykir geothermal fields, a local earthquake tomography and an ambient noise tomography were computed at both locations, respectively. A local earthquake tomography is feasible in areas with high seismicity and good ray coverage (earthquake/station geometries). On the other hand, an ambient noise tomography depends on a good and sufficiently dense station distribution. With the results of these studies, the seismic structures and the dynamics of these two producing fields were obtained for the first time. The seismicity distribution at Los Humeros was used to characterize structures and potential permeability enhancements in some of the existing faults. The retrieved Vp model was combined with available well log data and ultrasonic pulse measurements of collected rock samples to estimate the boundaries of different geologic units. The Vp/Vs model was then used in combination with resistivity data and surface CO2 measurements to deduce the geometry of the conductive clay cap (Vp/Vs ≤ 1.65 and resistivities ≤ 10 Ωm), to identify fluid (Vp reduction, Vp/Vs ≥ 1.71, and resistivities between ∼ 10-60 Ωm), and to locate gas bearing regions (Vp/Vs ≤ 1.55 and high surface CO2 concentrations). A similar study was carried out at Theistareykir, where the Vs model was combined with resistivity data to identify magmatic and/or hydrothermal bodies (Vs ≤ -7 %, resistivities ≤ 30 Ωm). An important conclusion from these studies is that the combination of seismic properties with additional geological and/or geophysical data avoids ambiguities and provides robust interpretations of the dynamics and structure of a geothermal reservoir. Finally, a coda wave interferometry technique (stretching method) was applied to two years of ambient noise records at the Theistareykir geothermal field with the aim to monitor possible velocity changes due to the exploitation activities. Here, the effects of the injection and production changes were very small on the computed Δv/v ratio and only a small long-term velocity reduction (possibly due to production) was detected (-0.05 %/year at the producing field compared to a regional -0.04 %/year). Such observations are also very relevant for the safe long-term continuation of exploitation activities. Although not yet a standard practice, the computation of these changes is very useful to control aseismic processes prior to potentially triggered/induced large seismic events and is complementary to microseismic monitoring. With these results, this thesis contributes to the efforts of the International Energy Agency to develop and increase the use of geothermal energy. | en |
| dc.description.abstract | Wichtige Aspekte der geothermischen Exploration und Nutzung sind die Bewertung und Reduzierung der natürlichen und/oder induzierten Seismizität, die Abbildung und Ressourcenbewertung eines geothermischen Reservoirs, sowie die Überwachung der Auswirkungen der Explorationsaktivitäten. In dieser Arbeit werden die Analysen und Anwendungen verschiedener seismologischer Methoden zur Planung, Erkundung und Überwachung geothermischer Felder vorgestellt. Die untersuchten und hier weiterentwickelten Methoden umfassen das Design für den Aufbau und die Bewertung mikroseismischer Netzwerke, die lokale Erdbebentomographie, die Ambient-Noise-Tomographie und die Coda-Wellen-Interferometrie. Diese Techniken werden angewendet, um die geothermischen Felder Los Humeros (Mexiko), Theistareykir (Island) und Reykjanes (Island) zu untersuchen. Die Geometrie seismologischer Arrays ist essentiell für eine gute Bestimmung seismischer Ereignisse mit kleinen Lokationsungenauigkeiten. Ein sequenzieller Algorithmus zum Design des Arrays, der eine Qualitätskennzahl auf der Grundlage des D-Kriteriums verwendet, wurde benutzt, um das seismische Netzwerk in Theistareykir zu erweitern und die Geometrie des Reykjanes-Netzwerks zu testen. Unter der Annahme von mittleren Ablesefehlern von tp = 0.2 s und ts = 0.4 s für P- und S- Wellen verbessert das erweiterte Theistareykir-Netzwerk die berechneten Hypo-Zentren um 0.2 km innerhalb des neuen Netzes. Das Reykjanes-Netz könnte andererseits um bis zu 18 Stationsstandorte reduziert werden und dennoch vergleichbare Lokationsgenauigkeiten erzielen. Diese Studie zeigte die Wichtigkeit vor den eigentlichen Feld-Experimenten Tests möglicher Array-Designs durchzuführen um die Kosten für ein geothermisches Projekt (erforderliche Anzahl von Sensoren) zu optimieren und gleichzeitig gute Lokationen für erwartete seismische Ereignisse zu erhalten (Nutzen/Kostenverhältniss). Um die seismischen Strukturen der geothermischen Felder Los Humeros und Theistareykir zu charakterisieren, wurden an beiden Standorten eine lokale Erdbebentomographie und eine Ambient-Noise-Tomographie berechnet. Eine lokale Erdbebentomographie ist in Gebieten mit hoher Seismizität und guter Strahlenabdeckung (Erdbeben/Stationsgeometrie) möglich. Eine Ambient-Noise-Tomographie hängt nur von einer guten und ausreichend dichten Stationsverteilung ab. Mit den Ergebnissen dieser Studien wurden dann erstmals die seismischen Strukturen und die Dynamik dieser beiden produzierenden Felder ermittelt. Die Seismizitätsverteilung in Los Humeros wurde verwendet, um Strukturen und potenzielle Verbesserungen in der Durchlässigkeit einiger Störungszonen zu charakterisieren. Das abgeleitete Vp-Modell wurde mit Bohrloch-Daten und Ultraschall-Messungen an Gesteinsproben kombiniert, um die Grenzen verschiedener geologischer Einheiten abzuschätzen. Das Vp/Vs-Modell wurde dann in Kombination mit Widerstandsdaten und Oberflächen-CO2-Messungen verwendet, um die Geometrie der leitfähigen Tonkappe abzuleiten (Vp/Vs ≤ 1.65 und Widerstand ≤ 10 Ωm), um Fluide zu identifizieren (reduzierte Vp Werte, Vp/Vs ≥ 1.71 und Widerstände zwischen 10-60 Ωm) und um gasführende Bereiche zu lokalisieren (Vp/Vs ≤ 1.55 und hohe CO2-Konzentrationen). Eine ähnliche Studie wurde in Theistareykir durchgeführt, wo das Vs-Modell mit Widerstandsdaten kombiniert wurde, um magmatische und/oder hydrothermale Körper zu identifizieren (Vs ≤ -7 %, Widerstände ≤ 30 Ωm). Eine wichtige Schlussfolgerung aus diesen Studien ist, dass die Kombination von seismischen Eigenschaften mit zusätzlichen geologischen und/oder geophysikalischen Daten Mehrdeutigkeiten vermeidet und robuste Interpretationen der Dynamik und Struktur eines geothermischen Reservoirs liefert. Weiterhin wurde eine Coda-Wellen-Interferometrie-Technik (Dehnungsmethode) auf zwei Jahre Ambient-Noise-Daten im Geothermiefeld Theistareykir angewendet, um mögliche Geschwindigkeitsänderungen aufgrund der Nutzung des Feldes zu überwachen. Hier waren die Auswirkungen der Injektions- und Produktionsveränderungen auf das Δv/v-Verhältnis sehr gering und nur eine kleine, möglicherweise produktionsbedingte, langfristige Geschwindigkeitsreduktion wurde festgestellt (-0.05 %/Jahr innerhalb des Produktionsbereichs im Vergleich zum regionalen Wert von -0.04 %/Jahr). Solche Beobachtungen sind für die sichere langfristige Ausbeutung von geothermischen Feldern von großer Bedeutung. Obwohl es noch keine Standardpraxis ist, ist die Berechnung dieser Änderungen weiterhin sehr nützlich, um aseismische Prozesse vor potenziell ausgelösten/induzierten großen seismischen Ereignissen zu steuern, sie ergänzen weiterhin die mikroseismische Überwachung. Mit diesen Ergebnissen trägt die vorgelegte Arbeit zu den Bemühungen der Internationalen Energieagentur bei, die Nutzung von Geothermie zu entwickeln und zu erhöhen. | de |
| dc.description.sponsorship | EC/H2020/727550/EU/GEMex: Cooperation in Geothermal energy research Europe-Mexico for development of Enhanced Geothermal Systems and Superhot Geothermal Systems/GEMex | en |
| dc.identifier.uri | https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/13057 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-11853 | |
| dc.language.iso | en | en |
| dc.relation.haspart | 10.14279/depositonce-11527 | en |
| dc.rights.uri | http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/ | en |
| dc.subject.ddc | 550 Geowissenschaften | de |
| dc.subject.other | Geothermal exploration | en |
| dc.subject.other | geothermal energy | en |
| dc.subject.other | seismology | en |
| dc.subject.other | seismic imaging | en |
| dc.subject.other | seismic monitoring | en |
| dc.subject.other | geothermische Erkundung | de |
| dc.subject.other | geothermische Energie | de |
| dc.subject.other | Seismologie | de |
| dc.subject.other | seismische Bildgebung | de |
| dc.subject.other | seismische Überwachung | de |
| dc.title | Seismological tools for geothermal exploration and monitoring | en |
| dc.title.translated | Seismologische Tools zur geothermischen Exploration und Überwachung | de |
| dc.type | Doctoral Thesis | en |
| dc.type.version | acceptedVersion | en |
| tub.accessrights.dnb | domain | en |
| tub.affiliation | Fak. 6 Planen Bauen Umwelt::Inst. Angewandte Geowissenschaften::FG Angewandte Geophysik | de |
| tub.affiliation.faculty | Fak. 6 Planen Bauen Umwelt | de |
| tub.affiliation.group | FG Angewandte Geophysik | de |
| tub.affiliation.institute | Inst. Angewandte Geowissenschaften | de |
| tub.publisher.universityorinstitution | Technische Universität Berlin | en |