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Application of Helium Isotopes in Shallow Groundwaters for Geothermal Energy Exploration in the Upper Rhine Graben

Freundt, Florian

German Title: Anwendung der Helium-Isotopie von Oberflächengrundwässern in der Exploration für tiefe Geothermie im Oberrheingraben

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Abstract

The helium isotope system is an established tool in hydrology for identifying mantle fluids in deep aquifers. This study applies the helium tracer system for the first time in shallow, unconfined aquifers of the Upper Rhine Graben. The Graben is a part of the Cenozoic Rift system of Western and Central Europe, a continental rift zone with unusually high geothermal gradients, making it an ideal region of Germany for geothermal energy development. The aim of this study is to develop a suite of natural groundwater tracers able to achieve a cost and effort reduction in geothermal prospection. The 3He/4He-ratio is therefore applied, as part of a multi-tracer approach including 3H, δ18O, δ2H, δ13C, 14C and 222Rn, to identify and locate fault zones with suitable permeabilities for power plant operation. Three target areas along the graben were studied, each located on one of the main fault lines. A mantle-derived helium signature could be identified and separated from tritiogenic helium in a shallow aquifer in the north-west of the Graben. The mixing component of mantle-derived fluid in the shallow groundwater is calculated to reach up to 5%, based on the analysis of the 3He/4He isotope system. The employed method proves that the local permeability of the fault zone is high. The origin of the locally occurring upwelling of salinated water can be redetermined by the data.

Translation of abstract (German)

Die Helium-Isotopie ist ein etabliertes Werkzeug in der Hydrologie zur Identifizierung von Manteleinflüssen in Tiefenwässern. Diese Arbeit wendet die 3He/4He-Helium-Isotopie zum ersten Mal auf flache, ungespannte Aquifere im Oberrheingraben an. Als Teil des Westeuropäischen Grabensystems, einer kontinentalen Riftzone, die sich durch ungewöhnlich hohe Wärmeanomalien auszeichnet, ist der Oberrheingraben eine ideale Region Deutschlands für die Entwicklung von geothermischer Energiegewinnung. Das Ziel der Arbeit ist, eine Multi-Tracer-Methodik zu entwickeln, die es anhand natürlicher hydrologischer Tracer ermöglicht, die Kosten und das Fündigkeitsrisiko bei der Exploration für Geothermiekraftwerke zu verringern. Die Helium-Isotopie wird daher, zusammen mit 3H, δ18O, δ2H, δ13C, 14C und 222Rn, dazu verwendet, Störungszonen zu lokalisieren und identifizieren, die eine geeignete Permeabilität für den Betrieb Geothermischer Kraftwerke aufweisen. Dazu wurden drei Gebiete längs des Oberrheingrabens untersucht, jedes ist auf einer der Hauptgrabenrandstörungen lokalisiert. In einer der drei Regionen im Nordwesten des Grabens konnte eine permeable Störungzone identifiziert werden. Die Herkunft der dort vorgefundenen Helium-Isotopie kann eindeutig dem Mantelreservoir zugeordnet und von einer tritiogenen Überprägung abgegrenzt werden. Die nachgewiesene Beimischung von mantelbeeinflusstem Fluid wird auf bis zu 5 % bestimmt. Eine dort auftretende Grundwasserversalzung kann dadurch in ihrer Herkunft neu zugeordnet werden. Die angewande Methodik weist damit nach, dass die lokale Permeabilität der Störungszone den Aufstieg eines Tiefenfluides ermöglicht.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Aeschbach, Prof. Dr. Werner
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 12 July 2017
Date Deposited: 02 Aug 2017 06:58
Date: 2017
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
530 Physics
550 Earth sciences
Controlled Keywords: Helium, Edelgas, Geothermie, Exploration, Tritium, Datierung, Grundwasser
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