Heat transfer processes in the upper crust: influence of structure, fluid flow, and palaeoclimate

Mottaghy, Darius Christopher; Clauser, Christoph

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-19201

Heat transfer processes in the upper crust: influence of structure, fluid flow, and palaeoclimate = Wärmetransportprozesse in der Oberkruste : strukturelle, advektive und paläoklimatische Einflüsse

Mottaghy, Darius Christopher

2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Darius Christopher Mottaghy

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

UmfangVIII, 94 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Zusammenfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Clauser, Christoph (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-04-02

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-19201
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62428/files/Mottaghy_Darius.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik (500000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Wärmestrom (Genormte SW) ; Modellierung (Genormte SW) ; Inversion <Mathematik> (Genormte SW) ; Paläoklima (Genormte SW) ; Petrophysik (Genormte SW) ; Geowissenschaften (frei) ; heat flow (frei) ; temperature gradient (frei) ; petrophysical properties (frei) ; inversion (frei) ; palaeoclimate (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550
pacs: 92.60.Iv P * 02.30.Zz I * 91.35.Dc H

Kurzfassung
Numerische Modelle, welche auf geologischen und geophysikalischen Daten beruhen, sind Voraussetzung für ein Verständnis der thermischen Eigenschaften der Erdkruste. Thema dieser Dissertation ist die Modellierung des Wärmetransports in der Oberkruste, um die verschiedenen Einflüsse auf die Wärmestromverteilung zu untersuchen. Die bekannte vertikale Variation des spezifischen Wärmestroms wird durch unterschiedliche Prozesse verursacht. Dazu gehören Temperaturänderungen an der Erdoberfläche, Strömung und Heterogenität im Untergrund. Insbesondere der erste Effekt enthält wertvolle Informationen, da die Temperaturen im Untergrund direkt mit paläoklimatischen Temperaturänderungen an der Oberfläche in Zusammenhang stehen. Im Gegensatz zu anderen Proxy-Methoden stellt das in den Untergrund diffundierende Temperatursignal eine direkte Beziehung mit dem vergangenen Klima dar. Des weiteren ist ein Verständnis der thermischen Prozesse unabdingbar, um die gewonnenen Daten und Erkenntnisse der Oberkruste auf tiefere Bereiche zu übertragen. In der unmittelbaren Umgebung der tiefsten Bohrung der Welt (SG-3, Kola Halbinsel) wurden im Rahmen eines früheren Projekts umfangreiche Messungen durchgeführt, deren Ergebnisse für eine Fallstudie zur Verfügung stehen. Dieser Datensatz wird zur Vorbereitung für die numerische Simulation der verschiedenen Wärmetransportprozesse in der Umgebung der SG-3 detailliert beschrieben und verarbeitet. Er umfasst 3400 Messungen der Wärmeleitfähigkeit an 1375 Proben aus 21 Bohrungen. Zusätzlich stehen 36 Temperaturlogs aus bis zu 1.6 km tiefen Bohrungen zur Verfügung. Es werden sowohl 3-D Vorwärtssimulationen des gekoppelten Wärme- und Strömungstransports, als auch 1-D Inversionen zur Bestimmung des Paläoklimas durchgeführt. Diese Simulationen erlauben die quantitative Bestimmung der beteiligten Prozesse. Mit der Einschränkung, dass die Datenbasis zur Permeabilität nicht sehr umfangreich ist, lassen die Modellergebnisse auf eine advektiv dominierte Wärmestromverteilung schließen. Dies wird durch die Inversionsrechungen bestätigt, welche auf eine geringe postglaziale Erwärmung hindeuten. Eine mögliche Erklärung ist eine über einen längeren Zeitraum vorherrschende Eisbedeckung. Die instationären Vorwärtsrechungen zeigen aber auch, dass die Temperaturänderungen an der Erdoberfläche einen nicht zu vernachlässigen Anteil an der vertikalen Variation des spezifischen Wärmestroms haben. Die nördliche Lage des Untersuchungsgebiets erfordert in den numerischen Simulationen die Berücksichtigung der latenten Wärme infolge des Gefrierens und Tauens der Porenfluide. Dieser Effekt wird bisher nur in wenigen Studien zur Rekonstruktion vergangener Temperaturen im Untergrund in nördlichen Gegenden bzw. während kalter Episoden beachtet. Der Einfluss auf die Modellergebnisse kann beträchtlich sein, und ist abhängig von verschiedenen Parametern wie der Dauer der Frostperiode, der Oberflächentemperatur und der Porosität. In der kristallinen Umgebung im Bereich der Kola-Tiefbohrung zeigen die Simulationen, dass aufgrund der geringen Porosität die Auswirkung der Gefrierprozesse vernachlässigt werden kann. Daher werden Daten aus dem Nordosten Polens (Osteuropäische Plattform) zur Demonstration herangezogen. Während unter Berücksichtigung der latenten Wärme eine postglaziale Erwärmung von 18 K resultiert, wird dieser Wert bei Vernachlässigung derselben um 6 K überschätzt. Um allgemeinere Aussagen über den Einfluss von Gefrier- und Tauprozessen auf paläoklimatischen Inversionen machen zu können, folgt diesem Ergebnis eine tiefergehende Studie über diese Prozesse. Hierfür werden die oben genannten Parameter über weite Bereiche variiert. Um möglicherweise existierende Klimamodelle aus früheren Inversionen zu korrigieren, werden die verschiedenen Parameter in Relation zueinander gesetzt, damit der Einfluss von Porosität, basalem Wärmestrom und Temperaturverlauf an der Erdoberfläche quantifiziert werden kann. Da hierfür eine große Anzahl synthetischer Modellsimulationen erforderlich war, musste die verwendete Tikhonov Inversion in Hinblick auf den erforderlichen Regularisierungsparameter modifiziert werden. Dieser Parameter, welcher das Verhältnis zwischen Datenanpassung und Modellrauhigkeit beschreibt, wird dabei erstmalig bei Paläoklimainversionen mit der so genannten „Generalised Cross Validation (GCV)” berechnet. Seine Bestimmung wird dadurch schneller, objektiver und automatischer. Zur Anwendung kommen, neben den synthetischen Modellen, die Daten der Kola-Fallstudie und die bereits verwendeten Daten aus dem Nordosten Polens. Obwohl das Konvergenzverhalten bei den Iterationen der Inversionen in den verschiedenen Fällen sehr unterschiedlich ist, konnte bei allen ein zufriedenstellendes Ergebnis erzielt werden, so dass diese Methode einen Beitrag zur Optimierung von Paläoklimainversionen darstellt.

Numerical models constrained by geological and geophysical data form the basis of understanding the thermal regime of the Earth's crust. This dissertation focuses on modelling heat transport in the upper crust, studying the relative contributions of different processes to the specific heat flow distribution. Its vertical variation is a well known fact, caused by different processes such as changes in surface temperature, fluid flow, and heterogeneity. In particular, the first one can provide valuable information. Since the subsurface temperatures are directly related to past temperatures, their inversion into ground surface temperature histories are the only method available in palaeoclimatology to construct palaeotemperatures without using indirect proxy methods. Furthermore, a general better understanding of the processes affecting the thermal regime of the upper crust is needed for better downward continuation of thermal data, which is important for considerations about the thermal evolution of the lithosphere. A large geothermal data set from the Kola peninsula is processed and described in detail in order to prepare it for a numerical case study simulating heat transport processes in the Kola super-deep hole area. The data set includes 3400 measurements of thermal conductivity on 1375 samples from 21 boreholes with a depth up to 1.6 km and 36 temperature logs. The modelling involves 3-D forward simulation of both conductive and advective heat and mass transfer, and 1-dimensional inverse modelling for the palaeoclimatic ground temperature changes in the study area. Steady-state and transient 3-D models as well as the inverse modelling allow to estimate and quantify systematically the influence of fluid flow, spatial heterogeneity of thermal properties of rock, and palaeoclimate on the subsurface temperature field. Being aware that the information on permeability is sparse, the modelling results suggest that advection has a major influence on the vertical specific heat flow distribution. This is confirmed by inversion results which show higher temperatures during the last glacial maximum than in other areas, indicating an insulating effect of a persisting ice cover. However, forward modelling demonstrates that transient changes in surface temperature cannot be totally neglected, because their influence may reach more than half of the magnitude of the advective effects, depending on the assumed permeability and the particular climate model. The northern location of the study area required to implement latent heat effects by thawing and freezing of pore water in the numerical forward and inverse codes. So far, most geothermal investigations on past ground temperature histories in northern areas and during cold climatic episodes have not taken into account these effects. Depending on different parameters, such as the freezing period, surface temperature, and porosity, the influence on modelling results can be substantial. Since the modelling results show that latent heat effects can be neglected in the low porosity crystalline environment of the Kola area, the impact of freezing processes is shown for an example in the East European Platform. Whereas the inversions including freezing effects yield a postglacial warming of about 18 K, the neglect of latent heat effects would overestimate this result by some 6 K. This result is generalised by a study about the freezing and thawing processes in subsurface inverse modelling for a wide range of the above-named parameters. This allows to provide a more universal characterisation of the influence of latent heat effects on past temperature reconstructions by inversion. For possible corrections of existing ground surface temperature histories derived from borehole measurements, parametric relationships are developed which describe quantitatively the magnitude of these effects in terms of porosity, basal specific heat flow, present-day and past ground surface temperature history. Since a large number of synthetic model runs were were required, it was necessary to modify the applied Tikhonov inversion method. In this approach, a regularisation parameter has to be determined, representing a trade-off between data fit and model smoothness. This is achieved by the general cross validation method which makes the inversion for past temperatures faster, more automatic, and more objective. It is employed in a synthetic example, as well case studies from the Kola ultra-deep drilling site and another borehole from northeastern Poland. Although the convergence of the inversion iterations are rather different in these three cases, a satisfactory final result was obtained in each of them. Thus, this novel approach in the field of palaeotemperature inversions contributes to the current efforts to optimise the inversion methods for palaeotemperature reconstructions.

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