Joint exploration of geothermal systems using geophysical and geochemical techniques [Vorläufige Version]

Für den globalen, zukünftigen Energiemix prognostiziert die internationale Energieagentur (IEA) einen erheblichen Beitrag aus geothermischer Energie. Dabei soll die grundlastfähige, dezentrale und permanent verfügbare Energiequelle helfen, fossile Energieträger zu ersetzen. Aktuell konzentriert sich die Erschließung geothermischer Lagerstätten vor allem auf konventionelle High-Enthalpy Ressourcen, die oftmals in Zusammenhang mit Vulkanismus oder Magmatismus an aktiven Kontinentalrändern oder Rifting-Prozessen auftreten. Die aktiven Kontinentalränder, die den Pazifik umspannen (auch "pazifischer Feuerring" genannt), werden von vielen Anrainern geothermisch genutzt. Lediglich in der Andenregion konnten bislang keine nennenswerten geothermischen Ressourcen erschlossen werden. Chile hat, nach Inbetriebnahme des ersten geothermischen Kraftwerks, begonnen das geothermische Potential systematisch zu entwickeln. Dabei sollen, um eine nachhaltige Energieversorgung zu gewährleisten, neben der Erschließung von High-Enthalpy Lagerstätten auch Low/Medium-Enthalpy Reservoire genutzt werden. Global gesehen sind Low/Medium-Enthalpy Reservoire oft an große Störungssysteme oder geothermische geeignete Gesteinsformationen gebunden. Zur Auffindung und Charakterisierung der Lagerstätten bedarf es einer angepassten Explorationsstrategie, da klassische geothermische Exploration auf High-Enthalpy Ressourcen ausgelegt ist. Im Rahmen dieser Doktorarbeit soll eine Explorationsstrategie für Low/Medium Enthalpy Geothermierreservoire in Chile entwickelt werden. Als Forschungsstandort wurde das Geothermalsystem am Vulkan Villarrica gewählt, da der Erfolg der Explorationsstrategie zur Charakterisierung des komplexen Störungszonensystems und eines markanten Lithologie Wechsel getestet werden kann. Um sowohl die Reservoirgeometrie als auch Reservoirprozesse quantifizieren zu können, wurde ein interdisziplinarer Ansatz gewählt, der geochemische und geophysikalische Methoden koppelt. Störungszonensysteme besitzen eine übergeordnete Bedeutung zur Ausbildung des geothermischen Zirkulationssystems und somit zur Bildung der Lagerstätte. Der Forschungsstandort ist gekennzeichnet durch das Schneiden zweier überregionaler Störungszonen, der Liquiñe-Ofqui Störungssystem (LOFS) und der Mocha-Villarrica Störungszone (MVFZ), die mit geophysikalischen Methoden untersucht werden. Mit Hilfe hoch aufgelöster magnetotellurischer Messungen können beide Störungszonen durch verminderte elektrische Widerstände identifiziert werden. Diese Widerstandsreduktion wird durch das Auftreten von leitfähigen geothermischen Tiefenwässern und/oder hydrothermalen Alterationsprodukten hervorgerufen werden. Für die MVFZ zeigen die Untersuchungen eine nordwärts einfallende Störungszone, die mit einer Zone erhöhter elektrischer Leitfähigkeit in der mittleren Kruste verbunden ist. Der Ausbiss der Störungszone fällt mit der Lage der Villarrica-Quetrupillán- Lanín Vulkankette zusammen. Die LOFS zeigt sich als vertikale Zone erhöhter Leitfähigkeit, die sich von der Erdoberfläche bis zum Spröd-Duktilen Übergang erstreckt. Ein mögliches Eindringen in den duktilen Bereich mit potentieller Verbindung zu einer vorhandenen Zone erhöhter Leitfähigkeit in der mittleren Kruste wird durch erhöhte Leitfähigkeiten der duktilen Kruste maskiert. Parallel zu den MT Profilen werden gravimetrische Messungen durchgeführt. Die LOFS zeichnet sich durch eine markante negative Bouguer Anomalie aus, die räumlich mit den erhöhten Leitfähigkeiten übereinstimmt. Die Anwendung von Butterworth Filtern in Kombination mit gravimetrischer Modellierung ermöglicht die Bestimmung der Störungszonengeometrie und die Quantifizierung des Dichtekontrasts. In einer gemeinsamen Interpretation magnetotellurischer und gravimetrischer Daten können die Eigenschaften der LOFS in Bezug auf Tonmineralgehalt und Porosität berechnet werden um die Permeabilität der Störungszone abzuschätzen. Mit Hilfe geochemischer Methoden sollen die Reservoirprozesse charakterisiert werden. Dazu werden die Thermalwasseraustritte als Fenster zum Untergrund genutzt um den Ursprung und die Genese der Thermalwässer zu bestimmen. Es kann gezeigt werden, dass die Thermalwässer meteorische Ursprungs sind und durch intensive Reaktion mit Kristallin Gestein entstehen. Obwohl räumliche Nähe zu aktiven Vulkanen besteht, kann kein substantieller Einfluss magmatischer Fluide oder Gase festgestellt werden. Nachfolgend werden die Gesteins-Wasser Wechselwirkungen durch eine vergleichende Studie der Thermalwässer und möglicher Reservoirgesteine untersucht. Dabei wird der markante Lithologie Kontrast, zwischen plutonischen Gesteinen des Nord Patagonischen Batholiths (NPB) und vulkano-klastischen Gesteinen der Cura-Mallín Formation, durch die Analyse von Strontium Isotopen nachgezeichnet. Durch Analyse von FCKW Spezies und Sauerstoff Isotopen des SO4-H2O Systems kann gezeigt werden, dass in beiden Formationen unterschiedliche Fluidzirkulationssysteme auftreten. Im NPB kommt es zu einer Konzentration der Thermalwasserzirkulation auf Hauptstörungszonen, wohingegen für die Cura-Mallín Formation eine verzweigtere Fluidzirkulation nachgewiesen werden kann. Die Analyse der verschiedenen FCKW Spezies ermöglicht die Quantifizierung der Vermischungsprozesse im Untergrund und kann so genutzt werden um die in-situ Thermalwasserzusammensetzung zu ermitteln. Erst diese ermöglicht eine genaue Bestimmung der Reservoirbedingungen und des geothermischen Potentials. Der Villarrica Geothermalsystem besitzt ein erhöhtes geothermisches Potential. Durch Thermalwasseraufstieg entlang der Hauptstörungszonen bilden sich Reservoire in erschließbarer Tiefe. Als unterirdischer Wärmetauscher eignet sich vor allem die Cura-Mallín Formation durch das verzweigte Fließfeld. Maximale Reservoirtemperaturen 140–180°C eignen sich beispielsweise zur Wärmeversorgung der Stadt Pucón durch eine Fernwärmesystem.