Abb. 5

Bachelorarbeit am Institut für Geowissenschaften der Goethe-Universität Frankfurt in Kooperation mit dem IAG der Technischen Universität Darmstadt
Bestimmung von geothermischen Kennwerten
an Gesteinen des Kellerwaldes
Hellmuth Hoffmann, Betreuer: Prof. Dr. Ingo Sass (TU Darmstadt), Prof. Dr. Andreas Junge (Universität Frankfurt)
Einleitung
In Kooperation mit dem Hessischen Landesamt für Umwelt und Geologie arbeitet die TU Darmstadt an dem vom Hessischen Ministerium für
Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung geförderten Projekt "3D Modellierung der geothermischen Tiefenpotentiale in Hessen". Ziel
dieses Projektes ist es, die geologischen Tiefenstrukturen und tiefengeothermischen Potentiale Hessens zu ermitteln und darzustellen. Für
dieses Projekt wurden im Rahmen der Bachelorarbeit bisher noch nicht untersuchte Gesteinseinheiten aus dem Kellerwaldgebirge untersucht und ihre geothermischen Eigenschaften ermittelt.
Geologie des Kellerwaldes
Das Kellerwaldgebirge, im mittleren Nordhessen, gehört geologisch zum Rheinischen
Schiefergebirge. Während der variscischen Orogenese wurde das vorwiegend aus
paläozoischen Gesteinen aufgebaute Gebirge mehrfach verfaltet und überschoben.1 Es
zeichnet sich durch eine komplexe interne Schuppen- und Deckentektonik aus, die aus
mehreren tektonischen Großstrukturen gebildet wird (Abb. 1).2 Das Zentrum des
Kellerwaldgebirges wird vom Hundsdorfer Antiklinorium gebildet, welches im Unterkarbon
durch tektonische Einengung aufgewölbt wurde. Die verfalteten Gesteine stammen
vorwiegend von Tiefseeablagerungen und flachmarinen Sedimenten aus dem Unterkarbon
bis Devon.1 Lithologisch dominieren differenziert ausgebildete Grauwacken und
Tonschiefer aus dem Unterkarbon das Gebirge. Weiterhin treten Kieselschiefer und im
Randbereich Karbonatgesteine aus dem Zechstein auf. Im südlichen Kellerwald steht der
Kellerwald-Quarzit an. Während des höheren Oberdevons kam es zum Aufstieg von
vulkanischen Laven, die zu verschieden ausgebildeten Diabasen erstarrten.3
Abb. 2: A: anstehender Quarzit am Berg Jeust, B:
Vergrößerung der enthaltenen Poren (Probe K25)
Abb. 3: Grauwackenbänke im Steinbruch „Hunold“ der Fa.
Mutze, östlich von Dainrode (Probe K5 und K19)
Methoden der geothermischen Potentialbestimmung
Um das geothermische Potential eines Gesteins bestimmen zu können, sind vor allem
Messungen der konduktiven Wärmeübertragung sowie der Permeabilität nötig. Zur
weiteren Quantifizierung der Ergebnisse wurde zudem die Porosität gemessen sowie der
Modalbestand und der Quarzanteil der Gesteine mit der Polarisationsmikroskopie ermittelt.
Die Messung der Permeabilität erfolgte an dem im IAG Darmstadt entwickelten Abb. 4: Schematischer Aufbau und Funktionsweise des TCS
Gasdruck-Minipermeameter. Mittels konditionierter Druckluft lässt sich hiermit die (Quelle: http://www.geo.tu-darmstadt.de)
Gesteinspermeabilität zerstörungsfrei und punktgenau an den ofentrockenen Proben messen. Zur Messung der Wärme- und
Temperaturleitfähigkeit wurde der Thermal Conductivity Scanner (TCS) verwendet. Dabei handelt es sich um eine kontaktlose, optische
Messmethode nach POPOV et al. (1983) (Abb. 4). Das Gestein wird dazu von einer beweglichen Punktwärmequelle erwärmt. Vor und nach
der Erwärmung wird die Temperatur von Infrarot-Temperatursensoren erfasst und aus der Temperaturdifferenz mit Hilfe von
Referenzstandards die Wärme- bzw. Temperaturleitfähigkeit berechnet.4,5
Ergebnisse der geothermischen Potentialbestimmung
6,0
5,5
Zechstein
Grauwacke
5,0
Tonsteine
Kieselschiefer
4,5
Diabas
4,0
Quarzit
3,5
Von den untersuchten Gesteinsproben weisen die
3,0
Kieselschiefer das höchste geothermische Potential
mit 5,05 W/(m•K) auf. Dieses Gestein ist sehr dicht
2,5
und besitzt keine nennenswerte Permeabilität
2,0
(1,00E-18 m²). Weiterhin gut geeignet für eine
potentielle geothermische Nutzung sind die Quarzite.
1,5
Dabei hat sich gezeigt, dass die Proben K26 und K27
1,0
1,00E-18
eine mittlere höhere Wärmeleitfähigkeit von 4,81
W/(m•K) gegenüber den Proben K25 und K28 mit
3,53 W/(m•K) besitzen. Die mittlere Permeabilität der Quarzite
beträgt dabei knapp 5,00E-16 m². Das gemessene Potential
der Grauwacken ist unterschiedlich und schwankt je nach
Quarzgehalt der Proben (Abb. 7) zwischen gut geeigneten
3,53 W/(m•K) und weniger gut geigneten 2,27 W/(m•K) bei
einer Permeabilität von 1,01E-15 bis 1,00E-18 m². Das mittlere
Potential der Karbonatgesteine beträgt 2,23 W/(m•K) und ist
damit ähnlich wie die Tonschiefer mit durchschnittlich 2,06
W/(m•K) für eine Nutzung weniger gut geeignet. Durch
hydrothermale Lösung ist die Porosität der Karbonate mit
knapp 20 % relativ groß, wodurch die relativ hohe mittlere
Permeabilität von 5,55E-15 m² entsteht (Abb. 6).
Auswertung der
Polarisationsmikroskopie
Bei den untersuchten Proben handelt es sich überwiegend
um dichte Gesteine mit einer mittleren Porosität von 2,87 %.
Der
Quarzanteil
ist
für
die
Wärmeleitfähigkeit
ausschlaggebend, da Quarz mit 7,7 W/(m•K) zu den
Mineralen mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit gehört.6 Die
untersuchten Karbonatgesteine weisen überwiegend einen
geringen Quarzgehalt von <5 % auf (Abb. 5, K4). Der
Quarzgehalt der Grauwacken ist mit >65 % generell sehr
hoch, weshalb es sich lithologisch um Quarzwacken handelt.
Die Korngrößen sind innerhalb der Grauwacken sehr
differenziert ausgebildet und reichen von durchschnittlich
knapp 0,1 bis 18 mm. Die Matrix ist überwiegend silicatisch,
nur wenige Grauwacken sind calcitisch gebunden. Die
Kieselschiefer und Quarzite bestehen fast ausschließlich aus
Quarz. Die Quarzite weisen nur ein geringes diagenetisches
bis metamorphes Gefüge auf (Abb. 5, K27). Das
charakteristische granoblastische Gefüge fehlt, die einzelnen
Korngrenzen sind überwiegend gut zu erkennen. Der
untersuchte Diabas (Abb. 5, K23) besteht aus einer
Grundmasse kleiner Feldspatleisten bis 0,2 mm Größe und
größeren Mineralen, bei denen es sich überwiegend um
Pyroxen handelt.
Qz
Ks
Ks
Poren
Gr
Dolomit
1,00E-17
1,00E-16
1,00E-15
1,00E-14
Gr
Qz
Qz
1,00E-13
Permeabilität [m²]
5,5
K22
K27
Grauwacke
5,0
K21
Kieselschief er
Wärmeleitfähigkeit [W/(m·K)]
Wärmeleitfähigkeit [W/(m·K)]
Die Ergebnisse unterscheiden sich sowohl innerhalb
als auch zwischen den jeweiligen untersuchten
Gesteinsfazies.
Insgesamt
zeigen
die
28
Gesteinsproben
eine
überwiegend
geringe
Permeabiliät, weshalb die Wärmeleitfähigkeit den
dominierenden Einflussfaktor darstellt. Der Median
der Permeabilität aller Proben beträgt 7,1E-17 m².
Abb. 1: Tektonische Übersichtskarte über das Kellerwalsgebirge, mit
eingetragenen Probenlokalitäten (nach MEISCHNER, 1991)
K26
Quarzit
4,5
Abb. 6: oben
Korrelation der
Punktmessungen
aller Proben für die
Permeabiliät und
Wärmeleitfähigkeit
Erzausfällung
Grundmasse aus
Feldspatleisten
Qz
Qz
Trend (Grauwacke)
Qz
Pyroxen
4,0
K28
y = 0,0173x 1,174
R² = 0,7933
3,5
K9
K25
K8
K7
3,0
K10
K12
K11
K18
K24
2,5
K13
K5
K6
2,0
50
55
60
65
70
75
80
Quarzgehalt [Vol.-%]
85
90
95
100
Abb. 7: links
Korrelation von
Quarzgehalt und
Wärmeleitfähigkeit.
Fehler: Quarzgehalt:
Grauwacken 10 %,
Kieselschiefer und
Quarz 5 %;
Wärmeleitfähigkeit:
<5 %.
Ausblick
Die Untersuchung der Kellerwaldgesteine hat eine besonders differenzierte Ausbildung der Grauwacken und Quarzite ergeben. Bedingt
durch deren überwiegend hohes, geothermisches Potential müssten weitere Gesteinsproben dieser Gesteinseinheiten untersucht werden,
um den ersten Überblick, den diese Arbeit über das geothermische Potential liefert, weiter zu konkretisieren.
Chlorit
Erz
Qz
Abb. 5: Photographien der untersuchten Dünnschliffe (gekreuzter Polarisator):
K4 (Dolomitgestein), K9 (Grauwacke), mit auffällig dichtem Gefüge und
verzahnten Korngrenzen, K23 (Diabas) (unter Bildausschnitt: Hellfeld) und K27
(Quarzit). Gr = Grauwacke, Ks= Kieselschiefer, Qz = Quarz
Kontakt:
Hellmuth Hoffmann
Technische Universität Darmstadt
Institut für Angewandte Geowissenschaften
[email protected]
Literatur:
1
MEISCHNER, D. (1991): Kleine Geologie des Kellerwaldes. Jber. Mitt. oberrhein. geol. Ver. N.F. 73: 115-142, Stuttgart. 2FRANKE, W. & KULICK, J. (1991): Umgebung von Bad Wildungen, Exkursion A. Jber. Mitt. oberrhein. geol. Ver. N.F. 73: 41-48, Stuttgart. 3HORN, M., KULICK, J., MEISCHNER, D. (1973): Erläuterungen
zur geologischen Karte von Hessen, Bad Wildungen. Hess. L.-Amt Bodenforsch., Wiesbaden. 4POPOV, Y.A., BEREZIN, V.V., SEMENOV, V.G., KOROSTELEV, V.M. (1985): Complex detailed Investigations of the thermal properties of Rocks on the basis of a moving point Source. Earth Physics Vol. 21, No. 1, Izvestiya.
5
RAUEN, A. (2009): Measurements of Thermal Conductivity and Thermal Diffusivity by the Optical Scanning Technology. TCS TC Manual - Lippmann and Rauen GbR, Schaufling. 6 SASS, I. (2007): Geothermie-Erkundung und Planung als Kernaufgabe der Angewandten Geologie. 16. Tagung für Ingenieurgeologen
und Forum „Junge Ingenieurgeologen“, Bochum.