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Gasaufstieg

Zum Thema Gasaufstieg vergleiche auch den Artikel Fluidausbreitung. Jedes Fluid breitet sich in einem permeablen (durchlässigen) Material getrieben durch den Druckgradienten aus (Diffusionsgleichung).

Natürlichen und künstlich aufgebrachten Druckgradienten überlagert sich hier die Schwerkraft, so dass schwereres Material (im Vergleich zum natürlichen Formationsfluid) wie Salzwasser oder auch kälteres Wasser absinkt und leichteres Material wie Gase oder wärmeres Wasser aufsteigen (Auftrieb). Wegen der Inhomogenität der Permeabilität des Gesteins spielen hierbei Störungen oder Störungszonen als Wegsamkeiten eine entscheidende Rolle. Sie können einen Großteil der Strömung an sich ziehen, so dass die Strömung durch die Gesteinsmatrix oft vernachlässigbar ist. Permeabilitätsbarrieren können im Gegensatz hierzu den Aufstieg vollständig unterbinden. So kommt es beispielsweise zur Bildung sekundärer Gaslagerstätten.

Der Gasaufstieg lässt sich durch geeignete Software numerisch simulieren. In der Natur spielt der Aufstieg von Methan, aber auch der von CO2 eine besondere Rolle. Das Methan kann dabei sowohl geogenen als auch biogenen Ursprungs sein.

Radon

Neben diesen Gasen wird auch der Aufstige des Edelgases Radon diskutiert. Da die Halbwertszeiten der Radonisotope aber deutlich unter den Gasaufstiegszeiten liegen, kann Radon auf diesem Wege die Erdoberfläche nicht erreichen, es sei denn es wurde in maximal einigen Zehnermetern Tiefe gebildet.

Mantel Helium

Eine besondere Bedeutung hat der Aufstieg von im Erdmantel gebildeten Helium bis zur Erdoberfläche. Es kann durch Isotopenanalyse von anderem Helium unterschieden werden. Das Auftreten von Mantelhelium in der bodennahen Luft oder im oberflächennahen Grundwasser ist ein Indikator für eine durchgängige auch heute noch vorhandene Wegsamkeit durch die gesamte Erdkruste.

Im Erdmantel ist 3He häufiger (typisches Verhältnis 3He zu 4He von 1:104) als in der Erdkruste und Atmosphäre (typisches Verhältnis 1:106). Grund ist, dass die Erdkruste Richtung Atmosphäre ausgast und aus radioaktivem Zerfall nachgebildetes Helium immer 4He ist. In Gebieten mit hoher vulkanischer Aktivität, in denen Mantelplumes aus dem Erdmantel aufsteigen, findet sich daher oft eine höhere 3He-Konzentration. 

Anwendung in der Geothermie

Die Beprobung des Gundwassers und die Isotopenanalyse der Proben gibt oft Hinweise auf die Anwesenheit von Mantelhelium im oberflächennahen Grundwasser. Dies kann nur dadurch zu erklären sein, dass eine Wasserwegsamkeit von großen Tiefen (Mantel) bis zur Erdoberfläche besteht, die auch noch rezent verfügbar ist. Die Helium Isotopenanalyse ist damit eine wichtige Methode, um nachzuweisen, ob tiefliegende Störungen heute noch durchlässig sind. 

Eine Radonkartierung in Böden oder im oberflächennahen Grundwasser kann oberflächennahe Störungen abbilden.

Literatur

H. Chaudhuri and D. Chandrasekharam: Helium from Geothermal Sources. GtES 2015, in print

D'amore, F., Truesdell, A.: Helium in the larderello geothermal fluid. In: Geothermics Nummer 13(3) (1984), S. 227-239 

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Karakuş, H.: Helium and carbon isotope composition of gas discharges in the Simav Geothermal Field, Turkey: Implications for the heat source. In: Geothermics Nummer () (September 2015), S. 213-223 

Kennedy, B., van Soest, M.: A helium isotope perspective on the Dixie Valley, Nevada, hydrothermal system. In: Geothermics Nummer 35(1) (February 2006), S. 26-43 

Mariner, R., Evans, W., Young, H.: Comparison of circulation times of thermal waters discharging from the Idaho batholith based on geothermometer temperatures, helium concentrations, and 14C measurements. In: Geothermics Nummer 35(1) (February 2006), S. 3-25 

Welhan, J., Poreda, R., Lupton, J., Craig, H.: Gas chemistry and helium isotopes at Cerro Prieto. In: Geothermics Nummer 8(3) (1979), S. 241-244  

zuletzt bearbeitet Januar 2020