Heißes, salzhaltiges Tiefenwasser hat Auswirkung auf die Gewinnung tiefer geothermischer Energie sowie auf die Nutzung und Verunreinigung von Grundwasser, wodurch es von großem wissenschaftlichem und ökonomischem Interesse ist. Quellen sind Oberflächenerscheinungen, die auf gekoppelte physikalische Prozesse im tiefen Untergrund der Erde zurückgehen. In dieser Hinsicht stellen die TVZ und das NEGB zwei Extrembeispiele von deutlich unterschiedlicher Hydrologie und Thermodynamik dar. In der TVZ treten heiße Quellen oft spektakulär, zum Beispiel unter heftigem Kochen zu Tage, während Quellen im NEGB an Salzstrukturen im Untergrund gebunden sind und deren komplexes Verhalten von Auftriebseffekten gesteuert wird, die durch Salinitäts- und Temperaturgradienten hervorgerufen werden. Im Rahmen dieses Projektes sollen für beide Szenarien detaillierte numerische Modelle zum Fließverhalten von Wässern im Untergrund entwickelt werden. Damit wird dieses Forschungsvorhaben Einblicke in die Dynamik von Fluiden ermöglichen, die über Kluftsysteme die tieferen (heißen und salzreichen) Aquifere mit den kalten, oberflächennahen Wässern verbinden. Ziel ist es, die Dynamik saliner Quellen im Zusammenhang mit der regionalen Fluidmigration im NEGB zu erklären und die Fluiddynamik unter Umgebungsdruck, der z. B. durch die geothermische Produktion in der TVZ beeinflusst wird, zu verstehen. 

Ergebnisse

Die Zusammenarbeit hat bereits zu wichtigen Erkenntnissen zum Verhalten heißer/saliner Quellen in der Taupo Volcanic Zone (TVZ) in Neuseeland und im Nordostdeutschen Becken (NEGB) in Norddeutschland geführt, die bis dahin in den bisherigen Forschungsarbeiten fehlten. Die neuen Aspekte umfassen die Ursachen der natürlichen Schwankungen sowie Art und Tiefe des jeweiligen Einzugsgebietes. Obwohl die beiden Gebiete sich sowohl in ihrer Größenordnung als auch in den ablaufenden thermodynamische Prozessen unterscheiden (kalt und salin im NEGB gegenüber heiß und nicht-salin in TVZ), zeigen die Studien beider Gebiete übergreifende Ähnlichkeiten in ihren fluiddynamischen Prozessen. In beiden Arbeitsgebieten wird das Fluidverhalten in einem begrenzten permeablen Aquifer mit einer durchlässigen oberen Grenze behandelt. Anhand früher konzipierter Modelle war es bisher in Bezug auf die TVZ in Neuseeland nicht möglich, die effektive Zufuhr-/Pufferzone zwischen tiefen geothermischen Quellen (~8km) und flachen Grundwasserleitern (bis ~100m) im Detail zu modellieren. Im Rahmen dieses Projektes konnte nun festgestellt werden, dass diese Pufferzone die effektive Lokation der Einspeisepunkte für heiße Quellen ist, Abbildung 1. Konvektive Instabilitäten innerhalb dieser Zone, hervorgerufen durch thermische Effekte, ist die wahrscheinlichste Erklärung für das auftretende instationäre Verhalten der heißen Quellen. Im NEGB konnte im Gegensatz dazu die Undichtigkeit (Leakage) zu und vom tieferliegenden Grundwasserleiter als Hauptursache für die Versalzung der flachen Grundwässer aus tieferliegenden geologischen Strukturen identifiziert werden.  

Es ist Stand der Forschung, dass Konvektion in den tieferen Aquiferbereichen größtenteils eher von der Salinität angetrieben wird als von der Temperatur, wie im Falle der TVZ. Bisher ist es noch immer nicht möglich, die dynamischen Einzelheiten der Interaktion zwischen diesen beiden Aquiferen genau zu modellieren. Dennoch haben die Ergebnisse der ersten Modellierungsversuche gezeigt, dass die beobachteten Schwankungen in den Oberflächenerscheinungen möglicherweise vollständig durch konvektive Instabilitäten in dem flacheren System erfasst werden können. Modellierte Instabilitäten werden grundsätzlich durch Salinität verursacht, werden aber auch durch sekundäre Faktoren wie Aquifergeometrie und Permeabilität sowie aktive Störungssysteme beeinflusst. Dies wird in der zweiten Phase des Projektes eingehend untersucht werden.

Poster

Hot Spring Behaviour in the Taupo Volcanic Zone (TVZ), New Zealand