Exploration of Villarrica Geothermal System using Geophysical and Geochemical Techniques [Finale Version]
Creators: name: Held, Sebastian
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2018
Subjects: Geothermal Exploration
Chile
Magnetotellurics
Gravimetry
Isotope Geochemistry
Chlorofluorocarbons

description: 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
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.