ALBERT

Description: Ziel dieser Arbeit ist die Quantifizierung von Modalbeständen magmatischer Gesteine anhand ihrer Infrarot-Spektren, basierend auf einer spektralen Einzelmineralanalyse. Dazu wurde eine neue, modellbasierte, spektrale Entmischungsmethode entwickelt. Diese Methode basiert auf reflexionsspektroskopischen Messungen im thermalen Infrarot von 8 - 14 μm, da in diesem Wellenlängenbereich silikatische Minerale und damit auch magmatische Gesteine ihre stärksten Spektralmerkmale (Reststrahlenbanden) aufweisen. Als Grundlage dienten Gesteinsproben des präkambrischen Gesteinskomplex Mt. Timna in Südisrael, der sich aus verschiedenen granitoiden Gesteinen und einer ultrabasischen Gesteinseinheit zusammensetzt. Die hier vorgestellte Arbeit entstand im Zusammenhang mit vorbereitenden Untersuchungen zur Entwicklung neuer Analysemethoden für einen neuen hyperspektralen Thermalsensors (ARES), der ab 2005 vom GFZ und dem DLR operationell betrieben werden soll.

Description: Die Arbeit untersucht die Möglichkeiten einer Anwendung der Aerogravimetrie bei der Schwerefeldberechnung. Aus fluggestützten Messungen werden Schwerestörungen berechnet, die der Bestimmung regionaler Geoidlösungen dienen. Zunächst wird das Messgerät und seine Funktionsweise erläutert. Anschließend werden drei Verfahren zur Geoidberechnung verglichen, die sich unterschiedlicher Konzepte bedienen: ein Integralverfahren mit abgewandeltem Stokes-Kern, die schwerpunktmäßig behandelte Methode der Multipole sowie das Kollokationsverfahren. Im Gegensatz zum Intergralverfahren arbeiten die Verfahren der Multipole sowie das der Kollokation ohne eine Feldfortsetzung nach unten. Im praktischen Teil der Arbeit werden die Verfahren auf den CHICAGO-Datensatz angewendet, der im Herbst 2002 in Südchile gemessen wurde. Die Genauigkeit sowohl der Messwerte als auch die der Geoidlösungen wird durch einen Vergleich mit unabhängigen Daten untersucht. Es stellt sich heraus, dass alle Verfahren im Rahmen der Genauigkeit zu akzeptablen Lösungen führen. Außerdem wird festgestellt, dass für niedrige Flughöhen der Einfluss der Feldfortsetzung vernachlässigt werden kann.

Description: Die südlichen Anden sind Teil des aktiven Kontinentalrandes von Südamerika, der durch eine Kombination subduktionsgebundener Prozesse gebildet wurde. Die andine Gebirgskette erstreckt sich über den gesamten südamerikanischen Kontinent, variiert jedoch merklich in Höhe und Krustenmächtigkeit. Während die Zentralen Anden, vor allem auch die tieferen Strukturen bis in den oberen Mantel, vergleichsweise gut erforscht sind , ist über den geophysikalischen Aufbau der südlichen Anden bisher relativ wenig bekannt. Aus diesem Grund wurde das seismische Experiment ISSA2000 in den südlichen Anden durchgeführt. In dieser Arbeit wurde mithilfe der Methode der lokalen Erdbebentomographie ein 3-D Modell der seismischen Geschwindigkeitstruktur erstellt. Die gleichzeitig durchgeführte Lokalisierung der registrierten Erdbeben, ergibt darüberhinaus ein detailliertes Bild der Verteilung der Seismizität im Untersuchungsgebiet. Im Rahmen des ISSA2000-Experimentes wurde ein seismologisches Netzwerk mit 62 Seismographen betrieben, das die Subduktionszone von der Küste bis in den backarc zwischen 36° und 40°S überdeckt. Die Hypozentren der 440 lokalen Erdbeben zeigen eine ~30° geneigte Wadati-Benioff-Zone mit kontinuierlicher Seismizität bis in 120km Tiefe, die vereinzelt bis in 200km Tiefe zu beobachten ist. Sowohl die generell geringe Seismizität im Untersuchungsgebiet als auch die geringe Tiefenerstreckung der Wadati-Benioff-Zone u.a. im Vergleich zu den Zentralen Anden sowie die Konzentration der mitteltiefen Erdbeben in 60km Tiefe, spiegeln wahrscheinlich den Einfluß des jungen Alters und des damit verbundenen hohen thermischen Zustandes der Nazca-Platte auf das Subduktionsregime wider. Das tomographische Vp Modell zeigt zum ersten Mal die Geschwindigkeitsstruktur der südlichen Anden bis in eine Tiefe von 100km. Die Nazca-Platte ist durch die Lage der Erdbeben definiert und durch hohe Vp Geschwindigkeiten gekennzeichnet . Die durchschnittlichen Geschwindigkeiten in der kontinentalen Kruste sind im gesamten Vp Modell relativ hoch . Die tieferliegende Struktur kann in drei Gebiete unterteilt werden. Erniedrigte Vp Geschwindigkeiten in 30-50km Tiefe unterhalb der Küstenkordillere und oberhalb der abtauchenden Platte deuten eine mögliche Hydratisierung und Serpentinisierung des kontinentalen Mantelkeils an. Die Konzentration der Erdbeben in 60km Tiefe, die auf Dehydratisierungsprozesse innerhalb der subduzierten ozeanischen Lithosphäre zurückzuführen ist, könnte mit der beobachteten Geschwindigkeitsanomalie verbunden sein. Der Bereich unterhalb des Längstals ist von einer markanten Anomalie erhöhter Vp Geschwindigkeiten geprägt, die das gesamte Untersuchungsgebiet von N nach S durchzieht. Mantelgeschwindigkeiten werden hier ab 40km Tiefe erreicht. Weiter nach Osten nimmt die Krustenmächtigkeit zu und erreicht 50-55km unterhalb der Hauptkordillere und des aktiven vulkanischen Bogens. Geringe Geschwindigkeiten, ein erhöhtes Vp/Vs Verhältnis und die sich durch die Spektralanalyse andeutende Zone erhöhter seismischer Dämpfung könnte auf das Vorhandensein partieller Schmelzen und deren mögliche Anlagerung unterhalb der Kruste hindeuten.

Description: Der vorliegende Report fasst die wissenschaftlichen und technischen Arbeiten zur Steigerung der Produktivität von Thermalwasser in der Geothermie-Forschungsbohrung Groß Schönebeck 3/90 zusammen, die von 2002 bis 2004 durchgeführt wurden. Das Ziel des Projektes ist die Erschließung von heißen Wässern in tiefen Speichergesteinen, die sich zur Erzeugung von elektrischem Strom eignen. Dies erfordert die Bereitstellung einer kontinuierlichen Förderung heißer Tiefenwässer mit Temperaturen 〉 150 °C und Fließraten 〉 50 m³/h. In Tiefen mit Mindesttemperaturen um 150 °C ist die natürliche Permeabilität (Durchlässigkeit) der Gesteine jedoch nicht ausreichend. Die Gesteine müssen stimuliert werden, d. h. zu vorhandenen Rissen werden zusätzliche künstlich erzeugt, damit das Wasser ungehindert zirkulieren kann. Bereits vorliegende Erkenntnisse zur Erschließung und Charakterisierung der in weiten Regionen des Norddeutschen Sedimentbeckens in Tiefen von etwa 4000 bis 5000 Metern verbreiteten Speichertypen basieren größtenteils auf Erfahrungen der Erdöl- und Erdgasindustrie. Für die geothermische Nutzung sind diese jedoch nur eingeschränkt anwendbar, da bei der Erschließung von Kohlenwasserstoffen schon kleine Fließraten genügen. Daher liegt der Schlüssel zum Durchbruch der Geothermie in der Entwicklung effektiver Stimulationstechniken zur gezielten Produktivitätssteigerung geothermischer Reservoire. Die Geothermiebohrung Groß Schönebeck schließt geothermisch relevante Horizonte des Norddeutschen Beckens zwischen 3900 m und 4300 m in einem Temperaturniveau von etwa 150 °C auf. Diese Bohrung bietet derzeit die einzigartige Möglichkeit, die geothermische Nutzbarkeit unterschiedlicher Gesteinsformationen des Rotliegenden vertiefend zu untersuchen: die Vulkanite an der Basis und den darüber liegenden Sandstein. Experimente zur Erhöhung der Zuflussrate von heißen Wässern aus Sandsteinformationen durch hydraulische Stimulation konnten bereits erfolgreich durchgeführt werden (siehe Berichte zu den Projekten BEO 0327063 und ZIP 0327063C). Die erzielten Fließraten reichten jedoch für eine wirtschaftliche Elektrizitätserzeugung noch nicht aus. Daher wurden die Sandsteinformationen gemeinsam mit darunter liegenden Vulkaniten durch neu konzipierte Stimulationsverfahren erschlossen. Die angewendeten Methoden gleichen den vorhergehenden Projekten, wo durch hydraulisches Pumpen zusätzliche Risse im Gestein geschaffen werden. Bei entsprechender Produktionssteigerung von heißen Wässern aus dem Untergrund ist als anschließender Schritt eine zweite Bohrung geplant, mit der ein Förder- und Versenkkreislauf hergestellt werden kann. Ein geothermisches Kraftwerk vervollständigt die Installation. Da im Sedimentbecken von den Niederlanden über Norddeutschland bis nach Polen ähnliche geologische Verhältnisse vorliegen, haben die Ergebnisse aus der Bohrung Groß Schönebeck Pioniercharakter. Der Lern- und Anwendungseffekt aus den Experimenten kann unter diesem Aspekt als besonders beachtenswert eingestuft werden.

Description: For identification of the impact of salt-free and soured fluids injected for hydraulic stimulation on the about 4,000 m deep Rotliegend sandstones, cross-flow tests were carried out in combination with petrographic and fluid-chemical investigations. As a consequence of the swelling and the potential mobilisation of the clay minerals, a reduction of the permeability was expected. However, the test did not produce any significant change of the permeability for the cross-flow of differently conditioned waters under modified p/T conditions. But there could be proven the mobilisation of heavy metals and the solution of carbonate cement. As these cement minerals form a small fraction only in the total rock and due to their uneven distribution, no damage of the aquifer has to be expected. A local transport of finest particles could be observed which is probably connected with the carbonate solution. In case of suddenly increasing pore pressures, there is a risk of particle discharge, so that damaging of the pore reservoir cannot be excluded due to this small-scale transport of particles.

Description: Während der letzten Jahre sind in Deutschland extreme Naturereignisse aufgetreten, die zu großen, teilweise gar verheerenden Schäden geführt haben. Die Aufarbeitung dieser Katastrophen hat gezeigt, dass Deutschland nicht genügend auf solche Extremsituationen vorbereitet ist. Notwendig ist ein intelligenter Umgang mit Naturgefahren, der sich auf wissenschaftlich fundierte Analysen und Methoden stützt. Dazu gehört, dass Risiken durch Naturgefahren in ihrer raum-zeitlichen Entwicklung und in ihrer Wechselwirkung mit anthropogenen Einflüssen identifiziert und quantifiziert werden, zuverlässige Vorhersage-, Frühwarn- und Informationssysteme zur Verfügung stehen und Vorsorgestrategien eingesetzt werden, die auf einer umfassenden, konsistenten und transparenten Risikobewertung basieren. Die Entwicklung und Bereitstellung solcher Methoden und Werkzeuge erfordern einerseits das Zusammenwirken der verschiedenen Wissenschaftsdisziplinen und andererseits den engen Austausch zwischen Wissenschaft und operativem Katastrophenmanagement.

Description: The investigation of heat flow is one of the prerequisites for modeling the thermal structure of sedimentary basins and allows the determination of its geodynamic state as well as the composition and structure of the basement. Although maps of the surface heat flow in the Northeast German Basin are published, our knowledge of this parameter is rather flaw. With this work a well-founded determination and evaluation of heat flow in the NEGB are presented for the first time. Under conductive and stationary conditions heat-flow density is calculated as the product of temperature gradient of a depth interval and its representative thermal conductivity. Therefore, the thermal conductivity of the rocks must be known, and temperature measurements must be available. The surface heat flow then can be calculated adding to this q the amount of heat generated by the radiogenic elements of the overburden. Deep boreholes, drilled in the course of oil and natural gas exploration, particularly in the years 1962-1990, were used in this study for the determination of q. Due to the targets of drilling and coring the depth intervals examined were predominantly in Permian rocks . Laboratory-derived thermal conductivity was determined in 363 core samples in dry and saturated conditions. The variability of TC within the lithotypes is related to facies, cementation, and degree of diagenesis. Based on the TC of lithotypes, the TC value of formations was estimated taking into account the respective facies conditions in the particular borehole. The TC of lithotypes and formations have higher values than previously supposed and used in modelings of the NEGB. Heat production of rocks was determined on the one hand by direct measurement of the content of U, Th, and K in 52 rock samples and on the other hand indirectly by evaluating borehole measurements. In order to do so, total gamma-ray intensity logs recorded in older gamma units were converted to modern API units using an empirical equation: GR[APIc]= 4.95433 × GR[GEc] - 27.24. The A value for the entire sedimentary succession of the NEGB calculated from GR logs amounts to 1-6 µW/m3 . The determination of q is accomplished and described in detail for 13 borehole locations. Possible disturbances were considered, and different correction procedures were applied. The corrections comprise the in-situ temperature correction of TC measured under room conditions, the corrections of temperature disturbances caused by the drilling process, corrections of lateral heat refraction at salt structures, and corrections of palaeoclimatic effects. The determined q values show an uncertainty, which is assumed to be approximately 15% for all locations. The qs values range between 70-90 mW/m2 . It is shown that both, different magmatic successions at the basin basis and the different Mesozoic and Cenozoic deposits affect a differentiation of qs. The qs values of this study do not coincide with the distribution pattern of former qs maps. In order to investigate the thermal consequences of different assumptions of structure and composition of the crust and the lithosphere, 2D sections were modelled under steady-state conditions. Variable compositions of the crust and different thicknesses of the lithosphere could explain the determined qs values. It is assumed that the Pritzwalk gravity anomaly of dense rock with less heat production causes a negative thermal anomaly at the surface. Without a better knowledge of the deeper underground of the NEGB it cannot be estimated as to which parts the determined mean q depends on a high heat production of the crust or a high mantle heat flow. It also cannot be ascertained whether the assumption of a thermal stationary regime, which represents a substantial part of the computations, is justified for the NEGB.

Description: Hawaii gehört zu den bekanntesten Beispielen für Hotspot-Vulkanismus weltweit. Die von weiteren tektonischen Einflüssen isolierte Position inmitten des Pazifischen Ozeans macht Hawaii zu einem interessanten Untersuchungsobjekt auf dem Gebiet der Mantelplumes. Weder die Entstehungstiefe noch die genaue Lage des Plumeschlauches im Erdmantel sind bislang genau bekannt - Fragen, deren Beantwortung auch neue Erkenntnisse bezüglich der dynamischen Prozesse des Mantels, wie etwa der Konvektion, liefern könnte. In dieser Arbeit wurde die Methode der Receiver Functions angewendet, um die Strukturen bis in den obersten Teil des unteren Mantels unter Hawaii zu untersuchen. Zur Auswertung standen Daten von elf temporären Breitbandstationen auf den vier größten Hawaii-Inseln zur Verfügung, welche im Zeitraum von Juni bzw. November 1999 bis Mai 2001 kontinuierlich registrierten, sowie zusätzliche Daten permanenter Breitbandstationen. Die Untersuchung ergab eine Reihe von neuen Ergebnissen der seismischen Struktur in verschiedenen Tiefenbereichen. In Übereinstimmung mit früheren Studien konnte die Moho in Tiefen zwischen 12 - 17 km beobachtet werden. Im jüngeren Teil der Inselkette, von Big Island bis etwa Oahu, tritt zusätzlich eine sehr starke Konvertierte auf, die innerhalb der Kruste erzeugt wird und zum jüngeren Bereich hin systematisch früher auftritt. Deutlich ausgeprägt erscheint im Messgebiet die Lithosphären-Asthenosphären-Grenze. Der langfristige Einfluss des Plumes bewirkte eine Ausdünnung der Lithosphäre im älteren Teil der Inselkette. Innerhalb der Asthenosphäre wurde eine lokale Niedriggeschwindigkeitszone unterhalb von Big Island nachgewiesen, deren Ursprung ebenfalls mit dem Plume in Verbindung gebracht wird. Die Diskontinuitäten der Mantelübergangszone in 410 km und 660 km Tiefe konnten klar identifiziert werden. Stellenweise konnten außerdem konvertierte Phasen aus 520 km sowie aus größeren Tiefen beobachtet werden. Anhand der Ankunftszeiten der P410s und P660s konnte das Messgebiet in drei Regionen unterteilt werden: Der Südosten der Inselkette bis zur Mitte von Big Island zeigt keinerlei Einflüsse des Plumes, während der nordwestliche Teil auf reduzierte S-Wellengeschwindigkeiten im oberen Mantel schließen lässt. Südwestlich von Big Island jedoch weist eine deutliche Ausdünnung der Mantelübergangszone auf die Position des Plumes hin. Für dessen Kernbereich wurde ein Radius von etwa 120 km ermittelt.