Exploration of Villarrica Geothermal System using Geophysical and Geochemical Techniques [Finale 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 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

Model-based testing for space-time interaction using point processes: An application to psychiatric hospital admissions in an urban area

Spatio-temporal interaction is inherent to cases of infectious diseases and occurrences of earthquakes, whereas the spread of other events, such as cancer or crime, is less evident. Statistical significance tests of space-time clustering usually assess the correlation between the spatial and temporal (transformed) distances of the events. Although appealing through simplicity, these classical tests do not adjust for the underlying population nor can they account for a distance decay of interaction. We propose to use the framework of an endemic-epidemic point process model to jointly estimate a background event rate explained by seasonal and areal characteristics, as well as a superposed epidemic component representing the hypothesis of interest. We illustrate this new model-based test for space-time interaction by analysing psychiatric inpatient admissions in Zurich, Switzerland (2007-2012). Several socio-economic factors were found to be associated with the admission rate, but there was no evidence of general clustering of the cases.Comment: 21 pages including 4 figures and 5 tables; methods are implemented in the R package surveillance (https://CRAN.R-project.org/package=surveillance

Influence of band occupation on electron-phonon coupling in gold

Electron-phonon coupling is a fundamental process that governs the energy relaxation dynamics of solids excited by ultrafast laser pulses. It has been found to strongly depend on electron temperature as well as on nonequilibrium effects. Recently, the effect of occupational nonequilibrium in noble metals, which outlasts the fully kinetic stage, has come into increased focus. In this work, we investigate the influence of nonequilibrium density distributions in gold on the electron-phonon coupling. We find a large effect on the coupling parameter which describes the energy exchange between the two subsystems. Our results challenge the conventional view that electron temperature alone is a sufficient predictor of electron-phonon coupling

MulT_predict - An optimised multicomponent geothermometer

For a successful geothermal reservoir exploration, an in-situ temperature estimation is essential. Since geothermometric reservoir temperature estimations using conventional solute geothermometers often entail high uncertainties, a new computational approach is proposed. The goal was to obtain high-accuracy multicomponent reservoir temperature estimations by only using standard geochemical data without the need of sophisticated gas analysis. Therefore, the new numerical tool MulT_predict is introduced. MulT_predict is a multicomponent geothermometer code with integrated sensitivity analyses to back calculate on in-situ conditions. The script is based on MATLAB, which interacts with IPhreeqc. The tool was calibrated and validated against in-situ reservoir temperature measurements in Iceland. Hence, reservoir conditions are numerically reconstructed by varying various sensitive parameters (e.g. pH value, steam loss, aluminum concentration etc.) to reduce the uncertainties of the reservoir temperature estimation. The new method led to statistically robust and precise reservoir temperature estimations. To apply MulT_predict on a new geological site, a set of reservoir specific minerals for the Upper Rhine Graben is developed as the base of the multicomponent geothermometer. While calculating the saturations indices of the mineral phases over a defined temperature range, sensitive parameters are subsequently varied. As pH, aluminum concentration and redox potential are prone to interferences (e.g. measurement errors, secondary processes, etc.) as well as possible phase segregation due to boiling or mixing processes during the fluid ascent, reservoir conditions are numerically reconstructed to reduce the temperature estimation uncertainties. The variation of sensitive parameters minimizes the spread between the calculated temperature estimations of each selected mineral phase. The minimal range within the temperature estimations reflects the most plausible reservoir conditions. In this case, the geochemical equilibrium between mineral phases and the reservoir rock is reconstructed. The reservoir temperature estimations mostly fit the in-situ temperature measurements. Therefore, spatial and temporal changes in the borehole can be determined and investigated

MulT_predict - A multicomponent geothermometer with integrated sensitivity analyses

For a successful geothermal reservoir exploration, an in-situ temperature estimation is essential. Since geothermometric reservoir temperature estimations using conventional solute geothermometers often entail high uncertainties, a new computational approach is proposed. The goal was to obtain high-accuracy multicomponent reservoir temperature estimations by only using standard geochemical data without the need of sophisticated gas analysis. Therefore, the new numerical tool MulT_predict is introduced. MulT_predict is a multicomponent geothermometer code with integrated sensitivity analyses to back calculate on in-situ conditions. The script is based on MATLAB, which interacts with IPhreeqc. The tool was calibrated and validated against in-situ reservoir temperature measurements. Hence, reservoir conditions are numerically reconstructed by varying various sensitive parameters (e.g. pH value, steam loss, aluminum concentration etc.) to reduce the uncertainties of the reservoir temperature estimation. The new method led to statistically robust and precise reservoir temperature estimations. At first, a set of reservoir specific minerals is selected as the base of the multicomponent geothermometry. While calculating the saturations indices of the mineral phases over a defined temperature range, sensitive parameters are subsequently varied. As pH, aluminum concentration and redox potential are prone to interferences (e.g. measurement errors, secondary processes, etc.) as well as possible phase segregation due to boiling during the fluid ascent, reservoir conditions are numerically reconstructed to reduce the temperature estimation uncertainties. The variation of sensitive parameters minimizes the spread between the calculated temperature estimations of each selected mineral phase. The minimal range within the temperature estimations reflects the most plausible reservoir conditions. In this case, the geochemical equilibrium between mineral phases and the reservoir rock is reconstructed. The reservoir temperature estimations fitting the in-situ temperature measurements with a maximal uncertainty of 2.6% and an overall temperature accuracy of 0.5% while the average temperature spread is about 4.2% of the measured absolute reservoir temperature. Furthermore, the back calculated sensitive parameters match the results corrected via WATCH 2.4 (Bjarnason 2010). Especially steam loss and pH value now can be reconstructed with just a standard water analysis without the requirement for an additional gas analysis other approaches typically need. In addition, no supplementary software is needed to back calculate nor pH value nor steam loss. The outcome of the statistical evaluation is given as a box plot combining the temperature estimations of each mineral phase used in the multicomponent geothermometer. In conclusion, the developed method is a promising tool for the high precision estimation of reservoir temperatures. Since MulT_predict does not rely on a sophisticated gas analysis and geochemical data, which is often not available, the tool facilitates the usability yet calculating precise reservoir temperature estimations

A Fully-Coupled Implicit Transient Two-Phase Wellbore Simulator

Boreholes under operation conditions typify a highly non-linear and complexly coupled thermo-hydraulic-chemical (THC) system. Multiple parameters, such as temperature, pressure, specific heat, enthalpy, viscosity, flow regime, heat transfer, degassing, steam quality, salinity and solubility are inter connected. Production and injection often entail several engineering challenges and operational problems within the boreholes but also up and down stream (reservoir-power plant-reservoir), which can be very diverse in their character. Finding solutions or working on process optimization prerequisite a profound understanding and a reliable tool to quantify these processes. Compared to reservoirs, the processes in boreholes are highly dynamic and fluctuating. Most existing simulators provide either only steady state solutions or are based on a just weakly coupled numerical scheme. We develop a new tool solving for the aforementioned parameters in a fully-coupled, implicit, and transient manner, which is a prerequisite to realistically model dynamic borehole conditions. Herein, we present the current state of the development of the simulator for multicomponent non-isothermal two-phase flow. To demonstrate the capabilities of the code, validation results and synthetic test cases for compressible single-phase flow as well as two-phase drift-flux are shown. Applications of such a tool are manifold. It can be used for exploration in early stages of the reservoir development, to constrain the static formation temperature (SFT) from logging data measured under dynamic production/injection conditions. What-if-calculations support the design and dimensioning of future power plants. Optimization of production and injections scenarios are more reliable when they are based on solid quantifications of thermo-hydraulic borehole processes. Furthermore, borehole simulation can also be the basis for managing the complex handling of co-produced noncondensable gases or preventing scaling formation and steel corrosion