ALBERT

Description: 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.

Description: 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.

Description: Gashydrate, auch „brennendes Eis“ genannt, sind faszinierende, eisähnliche Feststoffe, die aus Wasser- und Gasmolekülen aufgebaut sind und weltweit an allen aktiven und passiven Kontinentalhängen und in Permafrostgebieten vorkommen. Doch ihr unauffälliges Erscheinungsbild täuscht: Die Einschlussverbindungen können beachtliche Mengen Methangas enthalten. Daher besteht einerseits die Hoffnung auf einen möglichen neuen Energieträger und andererseits die Sorge um eine nicht zu unterschätzende Quelle an klimaschädlichem Methangas. Gashydrate, hat die neueste Forschung gezeigt, bieten zudem in vielen Bereichen industrieller Anwendung eine durchaus vielversprechende Alternative zu konventionellen Verfahren. Das vorliegende Buch gibt eine Einführung in die physikalisch-chemischen Grundlagen der Hydratbildung und die Strukturen der Gashydratphasen. Basierend auf diesem grundlegenden Verständnis erklärt es die natürlichen Gashydratvorkommen und zeichnet mögliche Methoden des Abbaus und der Gewinnung von Methangas auf. Es beleuchtet Risiken, die von den Gashydratvorkommen in der Natur ausgehen könnten, und führt in die Möglichkeiten der Nutzung dieser Einschlussverbindungen in verschiedenen industriellen Anwendungsbereichen wie z.B. der Aufbereitung von Abwässern oder der Speicherung von Gasen ein. Zielgruppe dieser kompakten Einführung in die verschiedenen Aspekte der Gashydratforschung sind Studierende der Chemie und Geowissenschaften, Ingenieure, Techniker oder auch Wissenschaftler.

Description: This study presents an enhancement to the Global Navigation Satellite Systems (GNSS) by integrating low Earth orbiters (LEOs) to a joint precise orbit determination (POD) processing. The Global Position System (GPS) operated by the United States is studied as a representative of all GNSS. The LEOs equipped with GNSS receivers supplement the receivers of the ground stations, especially for regions with a limited number of employed stations, which can be caused by various reasons. Due to the altitude and high velocity of LEOs, they not only contribute with additional observations, but also with a rapidly-changing observation geometry. Moreover, space-based observations have additional advantages over ground-based observations, e.g., signals are received without the impact of the troposphere. LEOs not only act as kinematic stations for GNSS satellites, but also bring additional orbit dynamics to the integrated system. The constraints caused by these orbit dynamics have an important impact on the determination of the orbits of the GNSS satellites and other parameters beyond that. In this thesis, the following topics are presented: 1) Background information and the basic principles related to the POD of GNSS satellites and LEOs, 2) the separated POD of GNSS satellites and LEOs, 3) the integrated POD, 4) the determination of the antenna phase center offsets (PCOs) of the GPS satellites and other geodetic parameters in the integrated POD. The orbit modeling and processing configuration used in this study for GNSS satellites and LEOs are verified to be compatible with state-of-the-art studies by the separated POD. The orbits of the GNSS satellites and LEOs reach an accuracy of a few centimeters and are comparable with the state-of-art studies. A more efficient outlier detection method has been developed to improve the position determined by using pseudo-range observations. In the study about the enhancement of the GPS orbits by integrating LEOs, a 26-station ground network in a global and sparse distribution is supplemented by different subsets of seven LEOs including GRACE-A/B, OSTM/Jason-2, Jason-3 and, Swarm-A/B/C. A 34% improvement of the GPS orbit in 1D-mean RMS (from 37.5 mm to 23.9 mm) is achieved by including the seven LEOs. Both the number of space-based observations and the LEOs' orbital geometry affect the GPS orbits where the orbital geometry is shown to be more important. The estimated GPS PCOs are also improved by including LEOs. For the x- and y-components of the GPS PCOs, the formal error is reduced significantly due to the additional observations and expanded nadir angle coverage brought by the LEOs during the periods of large solar-elevation angle. The z-component of the GPS PCOs (z-PCO) are strongly correlated with the scale of the terrestrial reference frame. By introducing the orbit dynamics of the seven LEOs to the processing without applying a no-net-scale constraint, the correlation coefficients between the GPS z-PCOs and the scale are reduced from 0.85 to 0.30. Consequently, the GPS z-PCOs can be estimated independently from the a-priori scale and a purely GNSS-based scale can be determined as well. A system-specific -25.5 cm offset of the GPS z-PCOs relative to the values offered by the International GNSS Service (IGS) is computed based on the seven-LEO-integrated solution. Another approach based on Galileo also solves this problem. The GPS satellites, multi-GNSS stations, and Galileo satellites with ground calibrated PCOs are processed jointly to calibrate the GPS z-PCOs and simultaneously determine a Galileo-based scale simultaneously. Based on the comparison and cross-check, a good agreement is shown between the LEO-based and Galileo-based methods. There is a slight improvement in the geocenter when including three Swarm satellites to the processing with about 80 ground stations over a half year. Based on the analysis in theory and the results derived from real data, an obvious enhancement to various aspects of GNSS by the integrated processing with LEOs is shown. More LEOs equipped with GNSS receivers and carefully calibrated PCOs are expected for further missions or even the next generation of GNSS.

Description: In dieser Arbeit wird eine Verbesserung der globalen Satellitennavigationssysteme (GNSS) durch die Einbindung von Satelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen (LEOs) in eine gemeinsame präzise Bahnbestimmung (POD) vorgestellt. Das von den Vereinigten Staaten betriebene Global Positioning System (GPS) wird stellvertretend für alle GNSS untersucht. Die mit GNSS-Empfängern ausgestatteten LEOs ergänzen die Empfänger der Bodenstationen, vor allem in Regionen, in denen aus verschiedenen Gründen nur wenige Stationen verfügbar sind. Aufgrund der Orbithöhe und schnellen Bewegung der LEOs tragen diese nicht nur mit zusätzlichen Beobachtungen bei, sondern auch mit einer sich schnell verändernden Beobachtungsgeometrie. Darüber hinaus haben weltraumgestützte Beobachtungen zusätzliche Vorteile gegenüber bodengestützten Beobachtungen, z. B. werden Signale ohne den Einfluss der Troposphäre empfangen. LEOs stellen nicht nur kinematische Stationen für die GNSS-Satelliten dar, sondern bringen auch eine zusätzliche Bahndynamik in das integrierte System ein. Die durch diese Bahndynamik gegebenen Beschränkungen sind sowohl für die Bahnbestimmung der GNSS Satelliten als auch für weitere Parameter äußerst relevant. In dieser Arbeit werden die folgenden Themen behandelt: 1) Hintergrundinformationen und Grundprinzipien der POD von GNSS-Satelliten und LEOs, 2) eine separate POD von GNSS-Satelliten und LEOs, 3) eine integrierte POD, 4) die Schätzung der Antennen-Phasenzentrumsversätze (PCOs) der GPS-Satelliten und anderer geodätischer Parameter in der integrierten POD. Die separaten PODs bestätigen, dass die in dieser Studie verwendete Bahnmodellierungs- und Prozessierungskonfiguration der GNSS-Satelliten und LEOs mit dem aktuellen Stand der Forschung kompatibel ist. Die Bahnen der GNSS-Satelliten und LEOs erreichen eine Genauigkeit von wenigen Zentimetern. Es wurde eine effizientere Methode zur Erkennung von Ausreißern entwickelt, um die mit Hilfe von Pseudo-Range-Beobachtungen ermittelte Position zu verbessern. Ein Bodennetz mit 26 global dünn verteilten Stationen wird verwendet, um die Verbesserung der GPS-Bahnen durch die Integration von verschiedenen Teilgruppen der sieben LEOs GRACE-A/B, OSTM/Jason-2, Jason-3 und Swarm-A/B/C zu untersuchen. Bei der Einbeziehung aller sieben LEOs ergibt sich eine Verbesserung des 1D RMS Mittelwertes der GPS-Orbits von 34 % (von 37,5 mm auf 23,9 mm). Sowohl die Anzahl der weltraumgestützten Beobachtungen als auch die Geometrie der Bahnen der LEOs beeinflussen die GPS-Bahnen, wobei die Orbitgeometrie sich als der wichtigere Faktor erweist. Die geschätzten GPS PCOs werden durch die Einbeziehung von LEOs ebenfalls verbessert. Der formale Fehler der x- und y-Komponenten der GPS PCOs wird durch die zusätzlichen Beobachtungen und die größere Abdeckung des Nadirwinkels, den die LEOs während Perioden eines großen Sonnenstandswinkels mit sich bringen, erheblich reduziert. Die z-Komponente der GPS PCOs (z-PCO) ist mit dem Maßstabsfaktor des terrestrischen Referenzrahmens stark korreliert. Durch die Berücksichtigung der Bahndynamik der sieben LEOs in der Prozessierung werden ohne Fixierung des Maßstabes (d.h. ohne eine No-Net-Scale Bedingung) die Korrelationskoeffizienten zwischen den GPS z-PCOs und dem Maßstabsfaktor von 0,85 auf 0,30 reduziert. Folglich können zum einen die GPS z-PCOs unabhängig von einem externen Maßstab geschätzt werden und zum anderen kann ein rein GNSS-basierter Maßstabsfaktor bestimmt werden. Mit der integrierten Lösung mit sieben LEOs ergibt sich ein systemspezifischer Versatz der GPS z-PCOs von -25,5 cm relativ zu den vom International GNSS Service (IGS) veröffentlichten Werten. Ein anderer Ansatz basierend auf Galileo löst dieses Problem ebenfalls. Die GPS Satelliten, Multi-GNSS Bodenstationen und Galileo Satelliten mit bodenkalibrierten PCOs werden gemeinsam prozessiert, um die GPS z-PCOs zu kalibrieren und gleichzeitig einen Galileo-basierten Maßstabsfaktor zu bestimmen. Ein Vergleich zur Überprüfung zeigt eine hohe Übereinstimmung der LEO- und Galileo-basierten Methoden. Die Einbeziehung von drei Swarm Satelliten in eine Prozessierung mit etwa 80 Bodenstationen über ein halbes Jahr hinweg zeigt eine leichte Verbesserung des Geozentrums. Auf der Grundlage der theoretischen Analyse und der aus realen Daten abgeleiteten Ergebnisse zeigt sich eine deutliche Verbesserung verschiedener Aspekte der GNSS durch die Integration von LEOs. Es ist zu erwarten, dass mehr LEOs, ausgestattet mit GNSS-Empfängern und sorgfältig kalibrierten PCOs, für künftige Missionen oder sogar die nächste GNSS Generation eingesetzt werden.