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Untersuchung des thermo-hydraulischen Feldes und der Wärmeflussdichte in der Nähe eines aktiven Mantelplumes (Insel Hawaii) mit Hilfe von Bohrlochtemperaturmessungen

Dannowski, Grit

Die NSF (National Science Foundation) hat in Zusammenarbeit mit dem ICDP (International Continental Scientific Drilling Program) mit dem Abteufen einer Tiefbohrung auf Hawaii (HSDP2) die Möglichkeit geboten, die vulkanischen Gesteinsabfolgen an der Flanke des Mauna Kea zu studieren. Ziel der hier vorliegenden Arbeit war es, im Rahmen dieses Bohrprojektes das regionale thermische und hydraulische Feld in der Umgebung der Bohrung mit Hilfe von Temperaturmessungen näher zu untersuchen. Die Daten, die in die gekoppelte thermo-hydraulische Modellierung eingingen bzw. mit deren Hilfe die Modelle verifiziert wurden, waren im Labor bestimmte petrophysikalische Eigenschaften sowie in der Bohrung HSDP2 gemessene Temperatur-Tiefen-Profile. Die petrophysikalischen Eigenschaften: Porosität, Dichte, Permeabilität und Wärmeleitfähigkeit wurden an 34 Kernstücken gemessen. Die gemessenen Werten zeigten die aus der Literatur für basaltische Gesteine bekannte Variabilität innerhalb und zwischen den verschiedenen lithologischen Einheiten. Die Temperaturmessungen, die in drei unterschiedlichen Stadien des Ausbaus der Bohrung durchgeführt wurden, zeigten Tiefenbereiche mit unterschiedlichem Temperaturverhalten. In einer Zone zwischen 450 und 600 m wurden nahezu alle Messungen durch einen starken Temperaturabfall und einen negativen Temperaturgradienten charakterisiert. Eine erste Betrachtung der Temperaturprofile legte die Vermutung nahe, dass die kalten Temperaturen (12 °C) durch abwärtsgerichtete Strömung von meteorischem Wasser aus ca. 2000 m Höhe zu erklären sind. Ab 600 m wurden mit der Tiefe zunehmende Temperaturen mit unterschiedlichen Temperaturgradienten verzeichnet. Dieser Bohrlochabschnitt stellt einen Übergangsbereich von einem advektiv zu einem eher konduktiv geprägten Bereich dar. Die verschiedene Szenarien der Modellierung stellten eine schrittweise Annäherung der Modelle an die beobachteten Verhältnisse dar. Mit einer rein thermischen Modellierung (Szenario 1) konnten die beobachteten Temperatur-Tiefen-Profile nicht angepasst werden, so dass eine Erweiterung auf eine gekoppelte thermo-hydraulische Modellierung (Szenario 2) erforderlich war. Dieses Szenario musste durch den Stofftransport (Szenario 3) ergänzt werden, da sonst das in ca. 2000 m beobachtete Salzwasser unberücksichtigt blieb. Unter Berücksichtigung der Salzwasserdichte und der damit verbundenen Konzentrationsverteilung gegenüber Szenario 2 ergaben sich teilweise unterschiedliche Ergebnisse. In beiden Fällen ist der oberste Bohrlochbereich von Niederschlägen in 2000 m Höhe beeinflusst. Zur Anpassung der berechneten an die gemessenen Temperaturprofile ist die Annahme verschiedener Schichten unterschiedlicher Permeabilität notwendig. In Szenario 2 ist das Temperaturfeld im unteren Bohrlochabschnitt ebenfalls von den bergab fließenden Fluiden beeinflusst. Diese drängen die tiefen, meerseitig eindringenden Fluide bis zur Küstenlinie zurück und erreichen nicht die Bohrung. In Szenario 3 erfolgte zur Anpassung der berechneten an die gemessenen Temperaturprofile eine Überarbeitung der Potentialhöhenverteilung in der flachen Küstenregion und eine Veränderung der Permeabilität. Der untere Bohrlochabschnitt ist, anders als in Szenario 2, durch die untermeerischen Bedingungen und das Salzwasser beeinflusst. Das Salzwasser-Interface befindet sich knapp unter dem durch die Bohrung erfassten Tiefenbereich. Mit weiteren Informationen, besonders in Bezug auf die Verteilung der Potentialhöhe, die nicht zur Verfügung standen, wäre eine Verbesserung des Modells möglich. Unter den bekannten Voraussetzungen liefert die thermo-hydraulische Modellierung unter Berücksichtigung der Salzwasserdichte jedoch eine plausible Erklärung für die beobachtete Temperatur-Tiefen-Verteilung in der Bohrung HSDP2.