Joint exploration of geothermal systems using geophysical and geochemical techniques [Vorläufige Version]

Für den globalen, zukünftigen Energiemix prognostiziert die internationale Energieagentur
(IEA) einen erheblichen Beitrag aus geothermischer Energie. Dabei soll die grundlastfähige,
dezentrale und permanent verfügbare Energiequelle helfen, fossile Energieträger
zu ersetzen. Aktuell konzentriert sich die Erschließung geothermischer Lagerstätten vor
allem auf konventionelle High-Enthalpy Ressourcen, die oftmals in Zusammenhang mit
Vulkanismus oder Magmatismus an aktiven Kontinentalrändern oder Rifting-Prozessen
auftreten. Die aktiven Kontinentalränder, die den Pazifik umspannen (auch "pazifischer
... mehr
Feuerring" genannt), werden von vielen Anrainern geothermisch genutzt. Lediglich in der
Andenregion konnten bislang keine nennenswerten geothermischen Ressourcen erschlossen
werden. Chile hat, nach Inbetriebnahme des ersten geothermischen Kraftwerks, begonnen
das geothermische Potential systematisch zu entwickeln. Dabei sollen, um eine nachhaltige
Energieversorgung zu gewährleisten, neben der Erschließung von High-Enthalpy
Lagerstätten auch Low/Medium-Enthalpy Reservoire genutzt werden.
Global gesehen sind Low/Medium-Enthalpy Reservoire oft an große Störungssysteme oder
geothermische geeignete Gesteinsformationen gebunden. Zur Auffindung und Charakterisierung
der Lagerstätten bedarf es einer angepassten Explorationsstrategie, da klassische
geothermische Exploration auf High-Enthalpy Ressourcen ausgelegt ist. Im Rahmen dieser
Doktorarbeit soll eine Explorationsstrategie für Low/Medium Enthalpy Geothermierreservoire
in Chile entwickelt werden. Als Forschungsstandort wurde das Geothermalsystem am
Vulkan Villarrica gewählt, da der Erfolg der Explorationsstrategie zur Charakterisierung
des komplexen Störungszonensystems und eines markanten Lithologie Wechsel getestet werden
kann. Um sowohl die Reservoirgeometrie als auch Reservoirprozesse quantifizieren zu
können, wurde ein interdisziplinarer Ansatz gewählt, der geochemische und geophysikalische
Methoden koppelt.

Störungszonensysteme besitzen eine übergeordnete Bedeutung zur Ausbildung des geothermischen
Zirkulationssystems und somit zur Bildung der Lagerstätte. Der Forschungsstandort
ist gekennzeichnet durch das Schneiden zweier überregionaler Störungszonen, der
Liquiñe-Ofqui Störungssystem (LOFS) und der Mocha-Villarrica Störungszone (MVFZ),
die mit geophysikalischen Methoden untersucht werden. Mit Hilfe hoch aufgelöster magnetotellurischer
Messungen können beide Störungszonen durch verminderte elektrische
Widerstände identifiziert werden. Diese Widerstandsreduktion wird durch das Auftreten von
leitfähigen geothermischen Tiefenwässern und/oder hydrothermalen Alterationsprodukten
hervorgerufen werden. Für die MVFZ zeigen die Untersuchungen eine nordwärts einfallende
Störungszone, die mit einer Zone erhöhter elektrischer Leitfähigkeit in der mittleren Kruste
verbunden ist. Der Ausbiss der Störungszone fällt mit der Lage der Villarrica-Quetrupillán-
Lanín Vulkankette zusammen. Die LOFS zeigt sich als vertikale Zone erhöhter Leitfähigkeit,
die sich von der Erdoberfläche bis zum Spröd-Duktilen Übergang erstreckt. Ein mögliches
Eindringen in den duktilen Bereich mit potentieller Verbindung zu einer vorhandenen
Zone erhöhter Leitfähigkeit in der mittleren Kruste wird durch erhöhte Leitfähigkeiten der
duktilen Kruste maskiert. Parallel zu den MT Profilen werden gravimetrische Messungen
durchgeführt. Die LOFS zeichnet sich durch eine markante negative Bouguer Anomalie
aus, die räumlich mit den erhöhten Leitfähigkeiten übereinstimmt. Die Anwendung von
Butterworth Filtern in Kombination mit gravimetrischer Modellierung ermöglicht die Bestimmung
der Störungszonengeometrie und die Quantifizierung des Dichtekontrasts. In einer
gemeinsamen Interpretation magnetotellurischer und gravimetrischer Daten können die
Eigenschaften der LOFS in Bezug auf Tonmineralgehalt und Porosität berechnet werden
um die Permeabilität der Störungszone abzuschätzen.
Mit Hilfe geochemischer Methoden sollen die Reservoirprozesse charakterisiert werden.
Dazu werden die Thermalwasseraustritte als Fenster zum Untergrund genutzt um den
Ursprung und die Genese der Thermalwässer zu bestimmen. Es kann gezeigt werden,
dass die Thermalwässer meteorische Ursprungs sind und durch intensive Reaktion mit
Kristallin Gestein entstehen. Obwohl räumliche Nähe zu aktiven Vulkanen besteht, kann
kein substantieller Einfluss magmatischer Fluide oder Gase festgestellt werden. Nachfolgend
werden die Gesteins-Wasser Wechselwirkungen durch eine vergleichende Studie der
Thermalwässer und möglicher Reservoirgesteine untersucht. Dabei wird der markante
Lithologie Kontrast, zwischen plutonischen Gesteinen des Nord Patagonischen Batholiths
(NPB) und vulkano-klastischen Gesteinen der Cura-Mallín Formation, durch die Analyse
von Strontium Isotopen nachgezeichnet. Durch Analyse von FCKW Spezies und Sauerstoff
Isotopen des SO4-H2O Systems kann gezeigt werden, dass in beiden Formationen unterschiedliche
Fluidzirkulationssysteme auftreten. Im NPB kommt es zu einer Konzentration
der Thermalwasserzirkulation auf Hauptstörungszonen, wohingegen für die Cura-Mallín
Formation eine verzweigtere Fluidzirkulation nachgewiesen werden kann. Die Analyse der
verschiedenen FCKW Spezies ermöglicht die Quantifizierung der Vermischungsprozesse im
Untergrund und kann so genutzt werden um die in-situ Thermalwasserzusammensetzung
zu ermitteln. Erst diese ermöglicht eine genaue Bestimmung der Reservoirbedingungen
und des geothermischen Potentials.
Der Villarrica Geothermalsystem besitzt ein erhöhtes geothermisches Potential. Durch Thermalwasseraufstieg
entlang der Hauptstörungszonen bilden sich Reservoire in erschließbarer
Tiefe. Als unterirdischer Wärmetauscher eignet sich vor allem die Cura-Mallín Formation
durch das verzweigte Fließfeld. Maximale Reservoirtemperaturen 140–180°C eignen sich
beispielsweise zur Wärmeversorgung der Stadt Pucón durch eine Fernwärmesystem.

The International Energy Agency projects a significant contribution of geothermal energy to
the future energy mix. Geothermal energy has the potential to substitute fossil energies due
to its baseload capacity, combined with a decentralized and permanently available energy
production. To the present day, geothermal development concentrates on the exploitation
of high-enthalpy, conventional systems that are related to active volcanism, magmatism and
active rifting. Yet, for South American Countries geothermal development just started with
the first power plant being installed in Chile in 2017. ... mehrIn Chile, basically high geothermal
potentials are related to the active volcanic arc of the Andean Cordillera. In order to reach
national and international expectations besides the development of high-enthalpy resources
low and medium-enthalpy resources shall be exploited for energy supply.
Low-enthalpy-geothermal reservoirs globally and in Chile are often related to major fault
zones or particular lithologies. Resource identification and quantification require an adopted
exploration strategy, which are generally developed for high-enthalpy systems. The goal of
this thesis is the development and application of an exploration strategy to investigate the
potential of low/medium-enthalpy systems. Therefore the Villarrica geothermal system
in the Andean Cordillera of Southern Chile is selected due to the occurrence of major
fault zones in combination with a significant lithological contrast and the active Villarrica
volcano. In order to characterize the spatial distribution and also conditions of the reservoir,
a multidisciplinary approach is selected combining geochemical and geophysical techniques.
Geophysical studies target the investigation of the major fault zones, identified as key
features of the geothermal circulation system. The Liquiñe-Ofqui Fault system (LOFS), an
arc parallel, >1000 km long strike-slip fault system is intersected by the Mocha-Villarrica
fault zone (MVFZ). The two fault zones are investigated with geophysical (gravity and
magnetotelluric) profiles perpendicular to their progression. High-resolution broad band
magnetotelluric measurements reveal for both tectonic structures a resistivity reduction
resulting from circulation of geothermal fluids and/or hydrothermal alteration products.
Fault zone geometry and depth extension are investigated indicating at least for the MVFZ
a connection to a mid-crustal conductor. For LOFS, a sub-vertical conductor reaching at
least the brittle-ductile transition zone is depicted from inversion and forward modeling
results. The gravity survey, following the location of the MT campaign, allows for a joint
data interpretation. For LOFS, a significant gravity reduction is detected. This negative
anomaly coincides spatially with the reduced resistivity from MT measurements. Applying
Butterworth Filtering and forward modeling, the gravity anomaly is used to disclose fault
zone geometry and density contrast. In a final joint interpretation, fault zone properties in
terms of clay mineral fillings and porosity are determined in order to estimate the fault
zone permeability.

Geochemical techniques are used to characterize the geothermal reservoir processes. The
hot springs discharging the Villarrica area are used as a proxy to subsurface revealing
fluid origin and genesis. The geothermal fluids originated form equilibrated water-rock
interaction of meteoric fluids with crystalline rocks. Major input of magmatic volatiles or
fluids, degassing from the Villarrica magma chamber, as observed for high-enthalpy fields
related to active volcanism, cannot be identified. Subsequently water-rock interaction is
investigated by a joint study of geochemical fluid and rock composition. The significant
lithological contrast between plutonic rocks of North Patagonian Batholith (NPB) south of
the volcanic chain and volcano-sedimentary rocks of Cura-Mallín formation north of it can
be traced in the fluids by application of 87Sr/86Sr isotope ratios. Variations of geothermal
fluid circulation inside both lithologies is investigated by analysis of chlorofluorocarbon
(CFC) species and oxygen isotopes fractionation of SO4-H2O system. For NPB a channeled
fluid flow along the LOFS is derived while a more ramified fluid movement along secondary
fault and fractures is deduced for the Cura-Mallín formation. The application of different
CFC species enables the quantification of shallow meteoric dilution of geothermal fluids
during ascent. Thus the in-situ brine composition can be revealed allowing a profound
estimation of reservoir properties.

The Villarrica geothermal system has an exploitable geothermal potential. Geothermal
fluids can ascent on major fault zones generating reservoirs in feasible depth. Especially
Cura-Mallín formation, due to the branched circulation system, has the capacity of a
good subsurface heat exchanger guaranteeing long-term operability. Maximum reservoir
temperatures of 140–180°C would enable the construction of a district heating system for
the city of Pucón