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Research Collection
Doctoral Thesis
Geothermische Detailkartierung (1:100000) in der
zentralen Nordschweiz mit besonderer Berücksichtigung
petrophysikalischer Parameter
Author(s):
Schärli, Ulrich
Publication Date:
1989
Permanent Link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-000570027
Rights / License:
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ETH Library
Diss.
ETH
8941
Nr.
Geothermische
zentralen
Detailkartierung
Nordschweiz
gung
xoit
(1:100000)
besonderer
petrophysikalischer
in
der
Berücksichti¬
Parameter
ABHANDLUNG
zur
Erlangung
Doktors
der
des
Titels
eines
Naturwissenschaften
der
Eidgenössischen
Technischen
vorgelegt
Ulrich
Dipl.
geboren
Angenommen
Schärli
Natw.
auf
AG
Antrag
Prof.
Dr.
L.
Prof.
Dr.
St.
Prof.
Dr.
H.
1989
00100003642191
ETH
14.4.1949
am
ETHICS ETH-BIB
1
Zürich
von
Baden
von
Hochschule
von:
Rybach
Müller
Wilhelm
\:
v
Zusammenfassung
Dissertation hatte die Untersuchung der detaillier¬
Diese
ten
geothermischen Verhältnisse in
Ziel.
der
1000
m)
schen
Geophysikalischen Kommission
Gebiet
der
Nordschweiz
Limmat,
von
wurde Wärmezufuhr
waren
die
schon
1:100000
der
geophysika¬
der
Schweizeri¬
von
Bodmer
und Aare entdeckt.
Reuss
aufsteigendes
durch
Wasser
detaillierte Untersuchung
allem,
vor
Bohrungen,
die
nebst
Rybach
&
aus
Als
Zu¬
Ursache
grösseren Tie¬
wurde
ein
über
Kenntnis
von
Dieser umfasst
beruht.
die
index und die
Diese
verknüpft.
Es
konnte
Porenkonfiguration
zum
Teil
der
Kationenpackungs-
gezeigt werden,
und die
dass
die
Porosität,
die
Porenfüllung die Wärmeleitfähigkeit
Wärmeleitfähigkeit bis
kristallinen Gesteinen,
Drucken.
gesetzmässig miteinander
Gesteine beträchtlich beeinflussen.
nahme
den
die Wärmepro¬
P-Wellengeschwindigkeit bei verschiedenen
Eigenschaften sind
auf
in unterschiedlicher
die Gesteinsdichte,
Porosität,
Daten
grösstenteils
Quantität Parameter wie die Wärmeleitfähigkeit,
duktion,
die
Deshalb
petrophysikalischen
welcher
in
welche
grosser Bedeutung.
von
Gesteinsproben erstellt,
eigenen Messungen
Wärmeflussfeldes
Gesteinseigenschaften,
der
umfangreicher Katalog
1000
des
verlässlichen Temperaturmessungen
Wärmeausbreitung beeinflussen,
der
(und
m
durchgeführt wird.
(SGPK)
wurde
von
500
angenommen.
Für
von
welche
zum
Untergrund
positive geothermische Anomalie im Gebiet des
eine
sammentreffens
fen
Teilbeitrag
Schweiz,
in
im Massstab
auf Karten
sind ein
Karten
Landesaufnahme der
Im
(1984)
Temperaturverteilung
Oberfläche
der
dargestellt. Diese
lischen
und die
Oberfläche
unter
im
der terrestrische Wärmefluss
Hierzu wurde
nahe
zentralen Nordschweiz
der
wenn
zu
So
30% bei
zeigt sich eine
Zu¬
niedrigporösen,
diese mit Wasser gesättigt werden.
vi
Sandsteinen nimmt
Bei
der
Porosität
der
Wärmeleitfähigkeit
ist
etwa
bei
Gesteinen
10%
mit
"trockenen"
ähnlich
der
des
Bestimmung
der
Gneise,
und
schem
enthalten
wobei
die
zu,
da
räumlich
und
wärmeproduzierenden
abnehmender
und
der
die
die
als
sauren.
fluss
der
und
der
dem Katio¬
letztere mit
Ebenso
relativ grosse
Temperatur,
situ-Verhältnisse
des
Zwischen
die
nimmt
zu.
der
hingegen nimmt
schwere
nicht
ohne
bei
Ele¬
Wärmeproduktion
und
Zusammen¬
der
Gesteinsdichte
Zusammenhang jedoch
Streuung ziemlich verwischt.
lassen
Gesteine
Wärmeproduktion
Zwischen
und
Thorium
P-Wellengeschwindigkeit
wird ein
Druckes
Zu¬
zunehmend basi¬
ein deutlicher
abnehmender
Wärmeproduktion
mit
Uran,
saure
der
basische
getrennt.
Gesteine mehr
deshalb
P-Wellengeschwindigkeit
eine
mehr.
Während
Elemente
Gesteinsdichte
basischen
zeigt sich
zunimmt'.
mit
der
gebildet
Die
exponentiell
in
Gesteine
ab.
durch
mit
auch
intermediäre,
Magmen wurden saure,
Gesteinschemismus
Trend
oder
gesetzmässige
Zusammenhang.
Wärmeproduktion
Gesteinsdichte
hang,
einen
die
gleichem
mente
zeigen
nimmt
Deshalb
gedrängt.
2
können
Wärmeproduktion
ziemlich
Parameter
Wärmeflusses
einem Faktor
der
sich
ebenfalls
Mergel
gemäss ihren Ionenradien in zunehmend
und Kalium
der
von
auch die
wurden
Proben
(welcher den Gesteinstyp aufgrund des Mineral¬
ultrabasische
gleich
drei
und
Tone
zu
Gesteinsdichte,
quantitativ bestimmt)
Differentiation
in
kristallinen
bei
Schiefer,
Diese
nenpackungsindex
chemismus
bei
kann
P-Wellengeschwindigkeit zeigen
Abhängigkeiten.
"feuchten"
und
Wärmeleitfähigkeit
Einfluss
der
Unterschied
Der
wie
gross
ausgeprägte Anisotropien haben bis
Zwischen
ab.
zunehmen¬
Porosität.
0.5-1%
Insbesondere
haben.
zwischen
Porosität
bedeutenden
Wärmeleitfähigkeit mit
exponentiell
30%)
ca.
Anisotropie
Die
einen
(bis
die
die
zum
Teil
weiteres
Der
Ein¬
unbekannten
eine
Übertragung
gefundenen Zusammenhänge auf die natürlichen Verhältnisse im
Untergrund
zu.
vii
Unter
und
Bohrungen
Gesteinseigenschaften
stimmungen
konnte
10mW/m2
bestimmt
werden.
die
ungenaue
Kenntnis
zudem
keit
Die
mit
8
(1:100000)
Linien
Die
gezeichnet
durch
unter
den
Anomalien.
unrealistische
ungeeignet
Das
gen
in
in
24
lineare
im Abstand
Interpolation
Eine
der
dem
NAGRA
der
und wurde
Oberfläche,
zwei
konnten
Fricktal
erhöhter
ausgeprägten,
nämlich
20
der
wegen
mW/m2
zwischen
der
den
Messpunkten
abzeichnen¬
sich
dieses
für
oben
Hand
von
Interpolation ergab
deshalb
sowie
zum
Teil
Problem
als
so
auch
Temperaturangaben in 1000,
(1:100000).
dargestellt
und
durchschnittlichen
deutlich
wurden
darge¬
Temperaturfeld im Untergrund wurde durch 500m-Iso-
2000m Tiefe
dem
(1:500000)
Schwerpunkte
computermässige
Anomalien
ausgedehnteren Gebiet
Karte
von
in
Bohrungen wurden
einem leicht
grossere
Zwischen der Aare und dem Rhein
schen
liegt
betrachtet.
unter
der
auf
als
genauer
Temperatur- und Druckabhängig¬
der
gleichen Wärmeflusses
Berücksichtigung
und
und
und
Unsicherheiten
erwähnten
1500
Wärmeleitfähigkeitsbe¬
der
Bohrungen in einer
zusätzlichen
thermen
bestimmt.
ähnlicher Grössenordnung
WärmeflussbeStimmungen
Karte
stellt.
de¬
Wärmeleitfähigkeit.
der
einer
In
Gesteine
der
nie viel
Wärmefluss
der
und
Temperaturmessungen
aus
Wärmeleitfähigkeit
der
naturgegebenen Streuung
der
Aufgrund
±
der
Zusammenhänge wurde der Wärmefluss
ren
in
Berücksichtigung
auf
einer
Böttstein-Zurzach.
dem unteren
Wärmefluss
Wärmefluss
positiven,
Linie
zu
Tiefen
etwa
Aaretal
des
den
erfässt
in
ist
einer
ein
Mittellandes
beobachten
lokalen
Dank
Schinznach-Brugg-Baden
zwi¬
Zone
mW/m2)
(80-90
(bis
bzw.
werden.
gegenüber
(120-130
Anomalien
Tiefbohrun¬
mW/m2)
170
mit
mW/m2),
Frick-
viii
Im
steigt
Mittelland
Süden
nach
Norden
Basel
ist
schen
Liestal
an,
und
60
von
Wärmefluss
der
der
Wärmefluss
auf
fast
wiederum
Rheinfelden
erhöht
gibt
es
(80-180
unterschiedlichen Wärmeflüssen
100
ein
mW/m2.
zeigt
teilung mit einem
(.35
-
39°C
in
Die
Ursache
Temperaturen
Nordschweiz
aus
500
im
ist
,
Tiefe)
des
vertikale
dem
erhöhten
die
Wärmezufuhr
durch
kristallinen
dessen
Anomalie
(Frick-Böttstein,
der
nicht
stehen
im
scheinen.
stetigere
Ver¬
Brugg und Zurzach
und
der
erhöhten
deckt.
in
aufwärtsströmendes
Grundgebirges
und
Ausdehnung sich auffallend mit
In
der
im
der
Schinznach-Baden
Gestein
sind
Jura-Hauptüberschiebung
von
Die
des
der
10"9
m/sec
Anomalien
laterale
verursacht
aufsteigende
noch
ca.
lokalen
durch
Sedimentdecke
durch
Wasser
Bohrung Weiach konnte eine
werden.
Schinznach-Baden)
leitfähigkeitskontraste
entlang
Wärmeflusses
Strömungsgeschwindigkeit
in
Zwi¬
.
Temperaturprofil bestimmt
zumindest
zwischen
von
stark
welche
zu
von
Untergrund in den erwähnten Gebieten der
Permokarbontroges,
aus
m
mit
Gebiet
mW/m2)
Gebiet
mW/m2).
Temperaturfeld eine
Maximium
flachen
grösseren Tiefen des
geothermischen
das
Im
(110-120
Zusammenhang mit einer grossflächigen Anomalie
Demgegenüber
gleichmässig
fast
Wärme¬
und
Thermalwässer
verstärkt.
\
ix
fiwwnfnry
detailed
The
relationship
between
rock
properties
in
the
central
been
investigated.
The
terrestrial
the
surface
1000
below
m
scale
Swiss
is
surface
000.
These
mapping
land
geothermal and
of northern
part
heat
presented
are
maps
on
Geophysical Commision
of
contributions
Switzerland,
of
500
at
set
a
Switzerland has
immediately below
flow
temperature distribution
the
the
1:100
of
physical
the
and
the
is
which
and
m
maps
being
the
on
the
to
at
geo¬
done
by
(Echweizerische Geophysikalische
Kommision).
positive geothermal anomaly
A
described by
Limmat,
Bodmer
and
speculated that this anomaly
upward percolation of
In
tant
to
from the
order
have
to
some
understand the
knowledge
physical properties
the
properties
The
tivity,
heat
another.
1000
as
flow
production,
these
This
can
are
The
with
an
increase
thermal
in
their
conductivity
increasing porosity.
conductivity
of
"dry"
or
approximately
the
with
porosity.
0.5-1.0%
same
thermal
af
And the
order
of
the
rocks
thermal
of
re-
thermal
conduc-
cationpressures.
to
one
following examples.
are
water
conductivity by
sandstone
"wet"
the
mathematically
Crystalline rocks with low porosity which
show
of
of the petro-
different
at
related
on
density,
illustrated with the
be
impor-
in which many
samples,
rock
P-velocity
properties
from
part of the dissertation
porosity,
seismic
and
affect
compiled
was
rock
have
is
it
area,
physical properties
catalogue
over
authors
transport
significantly
can
measured
were
packing-index,
of
of
heat
the
the
depths.
catalogue includes Information
search.
Several
these
extensive
An
of
The
heat
to
from great
water
region since
distribution.
due
where
area
flow together.
was
previously
been
in the
(1984)
Rybach
Rivers
and Aare
Reuss
has
decreases
up
saturated
to
30%.
exponentially
difference between the thermal
samples
with
magnitude
as
10%
porosity
crystalline
is
rocks
X
The
also
anisotropy
the
significantly
influence
gneisses,
Slates,
of
claystones,
The
all
rock
density,
dependent
on
heat
also
Parameters
which
is
magma
differentiation
are
defined by the
are
physically seperated.
the
the
For
contain heavier
this
strongly dependent
on
production
heat
reason
another,
one
exponentially with decreasing
relationships
Caution
ties
field,
logic
in
the
unknowns
should be
since
asite
at
and
are
density increa-
the
production.
heat
acidic
than
density
rock
rocks
However,
density is
rock
given in applying
temperature,
locality
can
also
two
generali-
these
and
pressure
the
not
large dispersion in comparing these
well-defined due to the
Parameters.
and
i.e.,
rock
acidic
to
a
therefore
The
rocks.
elements
such that
velocity
between P-wave
and
radioactiv,
the
basic
from
of
intermediate
basic,
acidic
to
These
During cooling
time
same
from basic
rock types
velocity
P-wave
sequentially
out
hand decreases
other
basic
the
At
increasing concentration
ses
the
cation-packing index,
the
ultrabasic,
types cristallyse
rock
and
mineralogy.
and
occurs
acidic
types.
a
in
more
by their definition.
related to
rock's
and
on
production
another
one
three
since
have
or
can
flow.
heat
can
two
rock
a
conductivity.
thermal
density
of
factor
a
of
and marls
shales
well-developed anisotropy with
are
determination
the
in
conductivity
thermal
other
geo-
the
above-
influence
mentioned Parameters.
The
ture
heat
measurements,
heedful
of
the
a
drill
and the
an
accuracy
dispersion involved
similar
thermal
in
accuracy
is
achieved
pressure-dependence
of
the
A
hole,
as
of
±
10
defining
in
thermal
defined
conductivity
physical properties.
rocks
only be defined with
natural
in
flow
The
defining
due
thermal
the
conductivity.
tempera¬
defined
were
heat
mW/m2
the
from
flow
to
could
the
conductivity.
temperature-
and
XI
holes
heat
is
and
includes
000)
for
on
(1:100
map
a
in
000)
slightly expanded
of
these
twenty-four drill
second map
A
.
is
area
is
maps
mW/m2
20
between
the
and
of
given
also
eight additional drill
from
interpolating linearly
hand,
determined
been
Information
interval
contour
has
presented
(1:500
flow
and
flow
heat
The
holes.
drawn
as
The
from
points.
measurements
A
Computer generated interpolation yielded unrealistic anomalies.
this
Therefore
data
method
1000
great
heat
2000
m
depths
were
possible
in
Aaretal
the
to
170
one
on
a
mW/m2)
line
the
under
due
surface
between
also
in
found
120-130
mW/m2)
80-90
prominent,
Two
of
on
m,
a
map.
from the
between
(average
the
Aare
lower
and
positive anomalies
local
this
mW/m2
Fricktal
the
Schinznach-Brugg-Baden
from
500
for
measurements
to
flow
is
region
the
were
heat
Basin
Molasse
in
levels
normal
observed.
was
(up
of
area
and
a
high
heat
flow,
on
line
second
a
Frick-Böttstein-Weiach.
from
south
towards
mW/m2.
greater
(80-180
the
the
110-120
mW/m2)
is
appear
An
area
between
related
on
the
tion
with
flat
at
depth of 500 m).
Molasse
the
be
field,
pratically linearly
region of Basel
found
to
in
mW/m2.
temperature
a
increases
north
Around
at
not
flow
heat
The
a
the
for
NAGRA.
than
rivers
Rhine
and
of
higher
flow
depth is given
and
m
deep drill holes
A
field at
temperature
1500
m,
These
does
unsuitable
be
to
set.
The
100
considered
was
maximum between
the
a
large
hand,
from
heat
highly
Liestal
to
other
of
Basin
and
from the
60
to
is
flow
variable
again
heat
Rheinfelden,
flow
and
regional anomaly.
shows
a
constant
Brugg and Zurzach
(35°
The
distribu¬
-
39°C
xii
The
in
depth
cause
lating
the
high
the
is
water
attributed to
from
great
tely
the
10"9
drill
anomaly
m/s
hole
was
in
defined
Weiach.
in
basin,
occurs.
The
flow
from
two
of
whose
These
in
may
the
also
thermal
be
the
upward percolating thermal
at
water
at
northern
Covers
velocity
flow
basement
the
of
temperature profile
local,
conductivity
amplified,
central
extent
positive
(Schinznach-Baden and Frick-Böttstein)
trasts
temperatures
crystalline
the
vertical
A
and
transport by upward perco-
heat
depths
Permo-Carboniferous-
where
heat
regions
above-mentioned
the
Switzerland
of
in
least
are
at
area
approximaat
the
anomalies
due
to
lateral
sedimentary
the
and
con-
cover.
Schinznach-Baden,
along the
Jura
overthrust.
by