Gemeinsames Forschungsprojekt der Angewandten Geophysik und des Instituts für Hochleistungsrechnen der RWTH Aachen und des GGA-Instituts Hannover, im Auftrag der Geophysica Beratungsgesellschaft mbH und finanziert durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) über den Projektträger Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) im Rahmen der Arbeit des Arbeitskreises Auswahlverfahren Endlagerstandorte (AKEnd)
Ansprechpartner: Dr. Volker Rath (email: v.rath@geophysik.rwth-aachen.de)

Die Temperatur in der der Erde nimmt mit mit der Tiefe zu. Bis in einige Kilometer Tiefe beträgt die Zunahme im Mittel 30°C pro Kilometer. Die Abweichungen von diesem mittleren Gradienten an einzelnen Standorten können allerdings enorm sein. Hierfür sind verschiedene Einflüsse verantwortlich, zum Beispiel:

Grundwasserströmung. Wasser besitzt eine hohe Wärmekapazität, d.h. es ist in der Lage Wärme sehr effektiv zu speichern. Selbst geringste Grundwasserflüsse (~ mm pro Jahr) führen erhebliche Wärmemengen mit sich. Grundwasserströme bewirken damit oft eine deutliche Verzerrunk des Temperaturfelds im Untergrund. Besonders evident wird die Wechselwirkung zwischen Temperatur und Grundwasser an thermalen Quellen oder Geysiren, die Temperaturen über 100°C bis an die Öberfläche transportieren können.

Paläoklima. Im Laufe der Erdgeschichte hat sich immer wieder die mittlere Temperatur an der Erdoberfläche, also unser Klima, geändert. Diese Schwankungen wandern als diffuses Signal in den Untergrund. Beispielsweise kann die Erwärmung Europas nach Ende der letzten Eiszeit (vor etwa 20,000 Jahren) noch heute in Bohrlungen mit 1-2 km Tiefe nachgewiesen werden. Spätere Ereignisse, wie die kleine Eiszeit (ca. 1500) oder die möglicherweise zivilationsbedingte Erwärmung des letzten Jahrhunderts können durch Temperaturmessungen in nur wenige 100 m tiefen Bohrungen nachgewiesen werden.

Heterogenität des Untergrundes. Abhängig von Mineralgehalt und Porosität können die thermischen Eigenschaften der Gesteine beträchtlich voneinander abweichen. Dies bedingt eine Brechung des sonst vorwiegend vertikal gerichteten Wärmeflusses. Die Untersuchung der vorhergenannten Effekte erfordert daher eine gute Kenntniss der Gesteinseigenschaften und ihrer räumlichen Verteilung.

Da Schadstoffe in der Umgebung von Endlagern (oder auch in konventionellen Deponien) durch Grundwasser transportiert werden und somit in die Biosphäre gelangen können, ist die Forderung nach geringen Strömungen im Bereich eines Endlagers verständlich. Wir versuchen in diesem Projekt Grundwasserbewegungen zu bestimmen, indem wir ihre Wirkung auf das Temperaturfeld im Untergrund analysieren. Dazu untersuchen wir Temperaturmessungen in Bohrungen und versuchen, die unterschiedlichen Einflüsse auf die Messung von einander zu trennen. Ziel der Arbeiten ist eine Abschätzung von regionalen Fliessgeschwindigkeiten des Grundwassers.

Weiterführende Materialien

Beitrag Galileo, Radiosendung des WDR-5

Berichte:

Clauser, C., Deetjen, H., Höhne, F., Rühaak, W., Hartmann, A., Schellschmidt, R., Rath, V., & Zschocke, A., 2002. Erkennen und Quantifizieren von Strömung: Eine geothermische Rasteranalyse zur Klassifizierung des tiefen Untergrundes in Deutschland hinsichtlich seiner Eignung zur Endlagerung radioaktiver Stoffe, Endbericht zum Auftrag 9X0009-8390-0 des Bundesamtes für Strahlenschutz (BfS), Angewandte Geophysik, RWTH Aachen, 159 pp.
(full .pdf download) (48 MB)

Vorträge und Poster:

A. Hartmann, V. Rath & C. Clauser: Thermophysical parameters reconstructed from well-log data from the German Molasse Basin, presented at the International Conference "The Earth's Thermal Field and Related Research Methods", June 16-20, 2002, Moscow, GUS
(extended abstract: Moscow2002_HRC.pdf, 240 kb : slides: Moscow2002_HRC_slides.pdf, 6.6 Mb)

V. Rath , A. Hartmann & C. Clauser: An improved technique for the paleoclimatic inversion of borehole temperatures, presented at the International Conference "The Earth's Thermal Field and Related Research Methods", June 16-20, 2002, Moscow, GUS
(extended abstract: Moscow2002_RHC.pdf, 520 kb ; slides: Moscow2002_RHC_slides.pdf, 3.6 Mb)

A. Zschocke, V. Rath, R. Schellschmidt, H. Deetjen, F. Höhne, A. Hartmann, W. Rühaak, C. Clauser: Quantifizierung schichtfolgender Grundwasserströmung anhand von korrelierten Sprüngen im vertikalen Wärmestrom, Oral Presentation, 62. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, Hannover, 4.3-8.3, 2002 (color slides: ZRSDHHRC_DGG2002_slides.pdf , 0.9 Mb)

C. Clauser, H. Deetjen, A. Hartmann, F. Höhne, V. Rath, W. Rühaak, R. Schellschmidt & A. Zschocke: Identifizierung von Grundwasserströmung. Geothermische Methoden zum Nachweis der von Grundwasser durchströmten Gebiete, Poster 2. AkEnd-Workshop, Mörfelden, 28.-29.9.2001 (Poster: AkEnd2001_poster.pdf, 5.5 MB)

C. Clauser, H. Deetjen, A. Hartmann, F. Höhne, V. Rath, W. Rühaak, R. Schellschmidt & A. Zschocke: Detection and quantification of groundwater flow: geothermal scanning of the subsurface for temperature residuals of advective origin, Oral Presentation, 5th International Meeting on Heat Flow and Structure of the Lithosphere, Kostelec nad Cernými Lesy, Czech Republic, June 10-16, 2001 (slides: VR_Kostelec2001_slides.pdf, 6.7 Mb)

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