Geothermie

Der ständig wachsende Energiebedarf und das im ver­ gangenen Jahrzehnt geprägte Bewußtsein der limitier­ ten fossilen Energiereserven, aus denen die Stei­ gerung im Energieverbrauch sorglos gedeckt werden konnte, haben nun bei der Suche nach Alternativ­ energien auch der Geothermie zu einer Blütezeit verholfen. Nicht nur in der angewandten Geothermie, die auf Prospektion und Förderung der Erdwärme ausgerichtet ist, werden bedeutende Erkenntnisse gesammelt, son­ dern auch in der allgemeinen Geothermie, die den thermischen Zustand unseres Erdkörpers aus allge­ mein naturwissenschaftlicher Sicht betrachtet, haben die entwickelten Methoden der Temperaturer­ mittlung unser Bild des thermischen Zustandes auf und in der Erde mit mehr Details darzustellen ge­ holfen. Die überaus große Fülle von Einzelarbeiten zu geo­ thermischen Themen ist jedoch kaum dazu geeignet, einem interessierten Leser und Studierenden der Geowissenschaften einen einführenden Uberblick über die in letzter Zeit so viel beachtete Geothermie zu geben. Wenngleich im vorliegenden Beitrag nicht der Versuch unternommen wurde, eine Monographie der Geo­ thermie vorzulegen, so soll doch der Interessierte an die Geothermie herangeführt werden, und die vor­ liegende Abhandlung soll den Einstieg in die spezi­ elle Thematik erleichtern helfen. Die Geothermie wird als Teil der Geophysik an Hoch­ schulen und Universitäten gelehrt und gehört als Fachgebiet zur Ausbildung von Studenten der Geowis­ senschaften. Diese Einführung in die Geothermie rich­ tet sich besonders an die Studierenden der Geophysik und ist zum Gebrauch neben Vorlesungen gedacht. Der Dank für das Zustandekommen dieser Arbeit gilt meinem verehrten Lehrer, Herrn Prof. Dr. o. Rosenbach.

Inhaltsangabe1. Physikalische Grundlagen zur Wärmeleitung.- 1.1 Temperatur und Temperaturgradient.- 1.2 Wärmeflußdichte, Wärme- und Temperaturleitfähigkeit.- 1.3 Die Wärmeleitungsgleichung.- 2. Thermische Eigenschaften von gebirgsbildenden Gesteinen.- 2.1 Die Wärmeleitfähigkeit.- 2.1.1 Temperatureinfluß auf die Wärmeleitfähigkeit.- 2.1.2 Druckeinfluß auf die Wärmeleitfähigkeit.- 2.1.3 Wärmeleitfähigkeit anisotroper Körper.- 2.1.4 Wärmeleitfähigkeit poröser Gesteine.- 2.2 Die spezifische Wärme.- 2.3 Die radiogene Wärmeproduktion.- 2.3.1 Die Gesteinsradioaktivität an der Erdoberfläche.- 2.3.2 Methoden zur Abschätzung der radiogenen Wärmeproduktion im Erdinnern.- 3. Analytische Behandlung von konduktiven Temperaturausgleichsvorgängen in der Erdkruste.- 3.1 Temperaturausgleich im homogenen Halbraum.- 3.1.1 Der Halbraum mit einer Grenzfläche.- 3.1.2 Untergrund mit Lavabedeckung.- 3.2 Temperaturausgleich im Modellkörpern.- 3.2.1 Abkühlung von Eruptivgängen.- 3.2.2 Abkühlung von kugelförmigen Intrusionen.- 3.2.3 Abkühlung von quaderförmigen Intrusionen.- 4. Der thermische Zustand des Erdinnern.- 4.1 Der thermische Zustand der oberen Erdkruste.- 4.1.1 Der Einfluß von Klimaschwankungen auf die Oberflächentemperatur.- 4.1.1.1 Der Tages- und Jahresgang der Oberflächentemperatur.- 4.1.1.2 Langfristige Temperaturschwankungen.- 4.1.2 Der topographische Einfluß auf das Temperaturfeld im Untergrund.- 4.1.3 Veränderungen des Temperaturfeldes durch Wasserbewegungen.- 4.1.4 Das Temperaturfeld in verschiedenartigen geologischen Strukturen.- 4.1.5 Die terrestrische Wärmflußdichte.- 4.1.5.1 Die regionale Variation der Wärmeflußdichte.- 4.1.5.2 Die zeitliche Variation der Wärmeflußdichte.- 4.2 Der thermische Zustand in der unteren Kruste und im tieferen Erdinnern.- 4.2.1 Der thermische Zustand in der unteren Kruste und im oberen Mantel.- 4.2.2 Zum thermischen Zustand des unteren Erdmantels.- 4.2.3 Zum thermischen Zustand des Erdkerns.- 4.3 Thermische Aspekte bei der Plattentektonik.- 5. Methoden der Temperaturermittlung.- 5.1 Geothermometer zur Bestimmung von Reaktionstemperaturen.- 5.1.1 Lösungsgleichgewichte als Temperaturindikatoren.- 5.1.1.1 Das SiO2-Thermometer.- 5.1.1.2 Das Na-K-Ca-Thermometer.- 5.1.2 Isotopenverhältnisse als Geothermometer.- 5.1.3 Spurenelemente in Salzen und Erzen.- 5.1.4 Das Granat-Pyroxen-Thermometer.- 5.1.5 Der Inkohlungsgrad organischer Einschlüsse in Sedimentgesteinen.- 5.2 Geophysikalische Methoden der Temperaturbestimmung.- 5.2.1 Direkte Messung an der Oberfläche und im Bohrloch.- 5.2.2 Indirekte Verfahren zur Ermittlung der Temperatur.- 5.2.2.1 Temperaturermittlung aus gravimetrischen Messungen.- 5.2.2.2 Temperaturermittlung aus geoelektrischen Messungen.- 5.2.2.3 Ergebnisse der Magnetotellurik als Temperaturindikatoren.- 5.2.2.4 Die CURIE-Fläche als Isotherme.- 5.2.2.5 Temperaturermittlung aus seismischen Ergebnissen.- 6. Erdwärme als Energiequelle.- 6.1 Prospektionsmethoden auf Wärmereservoire.- 6.1.1 Geochemische und geologische Methoden.- 6.1.1.1 Kartierung hydrothermaler Gesteinsveränderungen.- 6.1.1.2 Thermalwasseruntersuchungen.- 6.1.1.3 Spurenelemente im Boden.- 6.1.1.4 Veränderung kohliger Substanzen im Sedimentgestein.- 6.1.2 Geophysikalische Methoden.- 6.1.2.1 Infrarotmessungen.- 6.1.2.2 Messungen der Oberflächentemperatur und der Wärmeflußdichte.- 6.1.2.3 Gravimetrische Messungen.- 6.1.2.4 Geoelektrische Messungen.- 6.1.2.5 Seismische Methoden.- 6.2 Nutzung der geothermischen Energie.- 6.2.1 Thermalwassernutzung in Bädern.- 6.2.2 Thermalwässer zur Raumbeheizung.- 6.2.3 Umwandlung in elektrische Energie.- 6.2.3.1 Nutzung von Dampfvorkommen.- 6.2.3.2 Trockene heiße Gesteine als Energiequelle.- 6.2.3.3 Nutzung von heißem Wasser.- 6.2.4 Umweltbelastung bei der Nutzung geothermischer Energie.- 7. Anhang.- 8. Literaturverzeichnis.- 9. Sachregister.

1. Physikalische Grundlagen zur Wärmeleitung.- 1.1 Temperatur und Temperaturgradient.- 1.2 Wärmeflußdichte, Wärme- und Temperaturleitfähigkeit.- 1.3 Die Wärmeleitungsgleichung.- 2. Thermische Eigenschaften von gebirgsbildenden Gesteinen.- 2.1 Die Wärmeleitfähigkeit.- 2.2 Die spezifische Wärme.- 2.3 Die radiogene Wärmeproduktion.- 3. Analytische Behandlung von konduktiven Temperaturausgleichsvorgängen in der Erdkruste.- 3.1 Temperaturausgleich im homogenen Halbraum.- 3.2 Temperaturausgleich im Modellkörpern.- 4. Der thermische Zustand des Erdinnern.- 4.1 Der thermische Zustand der oberen Erdkruste.- 4.2 Der thermische Zustand in der unteren Kruste und im tieferen Erdinnern.- 4.3 Thermische Aspekte bei der Plattentektonik.- 5. Methoden der Temperaturermittlung.- 5.1 Geothermometer zur Bestimmung von Reaktionstemperaturen.- 5.2 Geophysikalische Methoden der Temperaturbestimmung.- 6. Erdwärme als Energiequelle.- 6.1 Prospektionsmethoden auf Wärmereservoire.- 6.2 Nutzung der geothermischen Energie.- 7. Anhang.- 8. Literaturverzeichnis.- 9. Sachregister.