Heat transfer processes in the upper crust: influence of structure, fluid flow, and palaeoclimate [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Darius Christopher Mottaghy

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 4
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

Heat transfer processes in the upper crust: influence of structure,
fluid flow, and palaeoclimate
Von der Fakultat¨ fur¨ Georessourcen und Materialtechnik
der Rheinisch Westf alischen¨ Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von Dipl. Physiker
Darius Christopher Mottaghy
aus Munchen¨
Berichter: Univ. Prof. Dr.rer.nat. Christoph Clauser
Prof. Dr. Ilmo Kukkonen
Tag der mundlichen¨ Prufung:¨ 02. April 2007
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfugbar¨Farbetteranapproximateanswertotherightquestion,
whichisoftenvague,
thananexactanswertothewrongquestion,
whichcanalwaysbemadeprecise.
JohnW.Tukey,1962ivABSTRACT
Numerical models constrained by geological and geophysical data form the basis of understanding the
thermal regime of the Earth’s crust. This dissertation focuses on modelling heat transport in the upper
crust, studying the relative contributions of different processes to the specific heat flow distribution. Its
vertical variation is a well known fact, caused by different processes such as changes in surface temper-
ature, fluid flow, and heterogeneity. In particular, the first one can provide valuable information. Since
the subsurface temperatures are directly related to past temperatures, their inversion into ground surface
temperaturehistoriesaretheonlymethodavailableinpalaeoclimatologytoconstructpalaeotemperatures
without using indirect proxy methods. Furthermore, a general better understanding of the processes af
fectingthethermalregimeoftheuppercrustisneededforbetterdownwardcontinuationofthermaldata,
whichisimportantforconsiderationsaboutthethermalevolutionofthelithosphere.
AlargegeothermaldatasetfromtheKolapeninsulaisprocessedanddescribedindetailinordertoprepare
it for a numerical case study simulating heat transport processes in the Kola super deep hole area. The
data set includes 3400 measurements of thermal conductivity on 1375 samples from 21 boreholes with a
depthupto1.6kmand36temperaturelogs. Themodellinginvolves3 Dforwardsimulationofbothcon
ductiveandadvectiveheatandmasstransfer,and1 dimensionalinversemodellingforthepalaeoclimatic
groundtemperaturechangesinthestudyarea. Steady stateandtransient3 Dmodelsaswellastheinverse
modelling allow to estimate and quantify systematically the influence of fluid flow, spatial heterogeneity
ofthermalpropertiesofrock,andpalaeoclimateonthesubsurfacetemperaturefield. Beingawarethatthe
information on permeability is sparse, the modelling results suggest that advection has a major influence
on the vertical specific heat flow distribution. This is confirmed by inversion results which show higher
temperaturesduringthelastglacialmaximumthaninotherareas, indicatinganinsulatingeffectofaper-
sistingicecover. However,forwardmodellingdemonstratesthattransientchangesinsurfacetemperature
cannot be totally neglected, because their influence may reach more than half of the magnitude of the
advectiveeffects,dependingontheassumedpermeabilityandtheparticularclimatemodel.
The northern location of the study area required to implement latent heat effects by thawing and freezing
of pore water in the numerical forward and inverse codes. So far, most geothermal investigations on
past ground temperature histories in northern areas and during cold climatic episodes have not taken into
accounttheseeffects. Dependingondifferentparameters,suchasthefreezingperiod,surfacetemperature,
and porosity, the influence on modelling results can be substantial. Since the modelling results show that
latentheateffectscanbeneglectedinthelowporositycrystallineenvironmentoftheKolaarea,theimpact
of freezing processes is shown for an example in the East European Platform. Whereas the inversions
including freezing effects yield a postglacial warming of about 18 K, the neglect of latent heat effects
wouldoverestimatethisresultbysome6K.
Thisresultisgeneralisedbyastudyaboutthefreezingandthawingprocessesinsubsurfaceinversemod
ellingforawiderangeoftheabove namedparameters. Thisallowstoprovideamoreuniversalcharacter-vi
isationoftheinfluenceoflatentheateffectsonpasttemperaturereconstructionsbyinversion. Forpossible
corrections of existing ground surface temperature histories derived from borehole measurements, para
metricrelationshipsaredevelopedwhichdescribequantitativelythemagnitudeoftheseeffectsintermsof
porosity, basal specific heat flow, present day and past ground surface temperature history. Since a large
number of synthetic model runs were required, it was necessary to modify the applied Tikhonov inver-
sion method. In this approach, a regularisation parameter has to be determined, representing a trade off
between data fit and model smoothness. This is achieved by the general cross validation method which
makes theinversion for past temperaturesfaster, moreautomatic, and more objective. It isemployed in a
synthetic example, as well case studies from the Kola ultra deep drilling site and another borehole from
northeastern Poland. Although the convergence of the inversion iterations are rather different in these
threecases,asatisfactoryfinalresultwasobtainedineachofthem. Thus,thisnovelapproachinthefield
of palaeotemperature inversions contributes to the current efforts to optimise the inversion methods forreconstructions.
Partsofthisworkhavebeenpublished,submitted,orareinpreparationforpublicationinthefollowing
papers:
I D.Mottaghy,Y.A.Popov,R.Schellschmidt,C.Clauser,I.T.Kukkonen,G.Nover,S.Milanovsky&
R.A.Romushkevich(2005): NewheatflowdatafromtheimmediatevicinityoftheKolasuperdeep
borehole: Verticalvariationinheatflowconfirmedandattributedtoadvection, Tectonophysics401:
119–142.
II D. Mottaghy & V. Rath (2006): Latent heat effects in subsurface heat transport modelling and their
impactonpalaeotemperaturereconstructions,GeophysicalJournalInternational164: 234–245.
III D. Mottaghy and V. Rath (2007): Ground surface temperature histories from boreholes on the Kola
Peninsula,Russia: disturbedbysubsurfacefluidflow?,ClimateofthePast,inpreparation.
IV V. Rath and D. Mottaghy (2007): Smooth inversion for ground surface temperature histories: esti
mating the optimum regularisation parameter by generalised cross validation, Geophysical Journal
International,inreview.ZUSAMMENFASSUNG
Numerische Modelle, welche auf geologischen und geophysikalischen Daten beruhen, sind Vorausset
zung fur¨ ein Verstandnis¨ der thermischen Eigenschaften der Erdkruste. Thema dieser Dissertation ist die
Modellierung des Warmetransports¨ in der Oberkruste, um die verschiedenen Einflusse¨ auf die Warme ¨
stromverteilung zu untersuchen. Die bekannte vertikale Variation des spezifischen Warmestroms¨ wird
durch unterschiedliche Prozesse verursacht. Dazu gehoren¨ Temperaturanderungen¨ an der Erdoberflache,¨
Stromung¨ und Heterogenitat¨ im Untergrund. Insbesondere der erste Effekt enthalt¨ wertvolle Informa
tionen, da die Temperaturen im Untergrund direkt mit palaoklimatischen¨ Temperaturanderungen¨ an der
Oberflache¨ in Zusammenhang stehen. Im Gegensatz zu anderen Proxy Methoden stellt das in den Un
tergrund diffundierende Temperatursignal eine direkte Beziehung mit dem vergangenen Klima dar. Des
weiterenisteinVerstandnis¨ derthermischenProzesseunabdingbar,umdiegewonnenenDatenundErken
ntnissederOberkrusteauftiefereBereichezuubertragen.¨
In der unmittelbaren Umgebung der tiefsten Bohrung der Welt (SG 3, Kola Halbinsel) wurden im Rah
meneinesfruheren¨ ProjektsumfangreicheMessungendurchgefuhrt,¨ derenErgebnissefur¨ eineFallstudie
zur Verfugung¨ stehen. Dieser Datensatz wird zur Vorbereitung fur¨ die numerische Simulation der ver-
¨schiedenen Warmetransportprozesse in der Umgebung der SG 3 detailliert beschrieben und verarbeitet.
Er umfasst 3400 Messungen der Warmeleitf¨ ahigk¨ eit an 1375 Proben aus 21 Bohrungen. Zusatzlich¨ ste
hen 36 Temperaturlogs aus bis zu 1.6 km tiefen Bohrungen zur Verfugung.¨ Es werden sowohl 3 D
Vorwartssimulationen¨ des gekoppelten Warme ¨ und Str omungstransports,¨ als auch 1 D Inversionen zur
Bestimmung des Palaoklimas¨ durchgefuhrt.¨ Diese Simulationen erlauben die quantitative Bestimmung
der beteiligten Prozesse. Mit der Einschrankung,¨ dass die Datenbasis zur Permeabilitat¨ nicht sehr um
fangreichist,lassendieModellergebnisseaufeineadvektivdominierteWarmestromv¨ erteilungschließen.
Dies wird durch die Inversionsrechungen bestatigt,¨ welche auf eine geringe postglaziale Erwarmung¨ hin
deuten. Einemogliche¨ Erklarung¨ isteineuber¨ einenlangeren¨ ZeitraumvorherrschendeEisbedeckung. Die
instationaren¨ Vorwartsrechungen¨ zeigen aber auch, dass die Temperaturanderungen¨ an der Erdoberflache¨
einen nicht zu vernachlassigen¨ Anteil an der vertikalen Variation des spezifischen Warmestroms¨ haben.
Abhangig¨ von dem jeweilig verwendeten Klimamodell sowie der angenommenen Permeabilitat,¨ erreicht
derEinflussdesPalaoklimas¨ dieGroßenordnung¨ desadvektivenAnteilsandieserVariation.
Die nordliche¨ Lage des Untersuchungsgebiets erfordert in den numerischen Simulationen die Beruck ¨
sichtigung der latenten Warme¨ infolge des Gefrierens und Tauens der Porenfluide. Dieser Effekt wird