Magnetotelluric Investigation of the Sipoholon Geothermal Field, Indonesia

Abstract

The Sipoholon geothermal system is located in the vicinity the Tarutung basin, which is part of the Sumatra fault system, Indonesia. In the Sipoholon area, 18 hot springs indicate interconnected (hot saline) fluids in the subsurface. The hot saline fluids in the rock pore space increase the bulk electrical conductivity. Hence, an electrical conductivity model can be analysed based on the dependence of resistivity on porosity, fluid conductivity and temperature. Here, I present a magnetotelluric (MT) study which provides the electrical conductivity distribution at depth of the Sipoholon geothermal system. The main objective of this study is to develop a conceptual model for the Sipoholon geothermal system based on the conductivity distribution at depth. Together with additional geological, geochemical, and seismological studies, the MT results infer a comprehensive understanding about the Sipoholon geothermal system, particularly about the reservoir and the heat source. The MT data reveal a deep reaching conductive anomaly (< 10 Ωm) approximately 6 km to the east of the Tarutung basin. This conductor is associated spatially with the Panabungan normal fault zone and the Panabungan hot spring. At shallow depths, i.e. from surface to 3 km depth, the conductivity anomaly could be caused by ascending magmatic and/or meteoric water from a deeper zone. At depths of 1 km until 2 km, the vertical conductor shows a resistivity of 2 Ωm, which is most likely the location of a possible reservoir. Below the reservoir, the deep reaching conductive anomaly is interpreted as circulating hot fluids which heat up the fluids in the reservoir. It is likely that the heat is caused by magmatic activity related to the subduction process. This interpretation is consistent with geochemical studies which indicate magmatic origin of fluids sampled from the Panabungan hot spring. About 2 km to the south-west of the Tarutung basin, a shallow conductive body is revealed at depths of 0.5-2 km beneath cold springs close to the inactive Martimbang volcano. This conductor is interpreted as Andesitic material which was altered by high temperatures in the past due to the magma intrusion of the Martimbang. Geochemical and geophysical studies, including MT, do not support a hypothesis that the heat source of the Sipoholon geothermal system is related to the inactive Martimbang volcano. A shallow conductive anomaly is also revealed beneath the Tarutung basin. This shallow conductor is interpreted as unconsolidated sediments of volcanic origin (Quaternary Toba Tuff). In the westernmost part of the study area, a very resistive region corresponds to Permian granites. This resistor is interpreted as the western border of the Sipoholon geothermal system. In summary, the resistivity models from this study display the previously unknown fluid distribution of the Sipoholon non- volcanic geothermal system. This interpretation is consistent with the high porosity of surface rocks and the distribution of low Vp and high Vp/Vs observed around the Panabungan hot spring. Combined with other geoscience disciplines, MT is a very powerful geothermal exploration tool because of its sensitivity to image hot saline fluids as zones of high conductivity.

Das Geothermie-System Sipoholon befindet sich um das Tarutung-Becken, das Teil des Sumatra- Störungssystems ist. In dieser Region weisen 18 Heißwasserquellen auf miteinander verbundene (heiße salzhaltige) Fluide in den Untergrund hin. Heißen salzhaltige Fluide in den Gesteinporen erhöhen die Volumenleitfähigkeit. Daher kann ein Model der elektrischen Leitfähigkeit erstellt werden, das von der Porosität, Leitfähigkeit der Fluide und der Temperatur abhängt. Hier, stelle ich eine magnetotellurische (MT) Studie vor welche die elektrische Leitfähigkeitsverteilung des Untergrunds im Sipoholon Geothermie-System zeigt. Diese Leitfähigkeitsverteilung kann mit den bekannten geologischen Einheiten in Zusammenhang gebracht werden, was auch mögliche Fluidwege einschließt. Das Hauptziel der vorliegenden Studie ist es, ein konzeptionelles Modell des Sipoholon Geothermie-Systems anhand der Leitfähigkeitsverteilung in der Tiefe zu entwickeln. Zusammen mit weiteren geologischen, geochemischen und seismologische Studien ergeben, die MT- Ergebnisse ein aussagekräftig Bild des Sipoholon Geothermie- Systems, insbesondere des Reservoirs und Wärmequelle. Die MT-Daten zeigen eine tiefereichende leitfähige Anomalie (<10 Ωm) ca. 6 km östlich vom Tarutung- Becken. Dieser Leiter ist räumlich mit der Panabungan-Störungszone und der Panabungan-Heißwasserquelle verbunden. In geringen Tiefen, d.h. von der Oberfläche bis 3 km Tiefe, kann die Leitfähigkeitsanomalie durch aufsteigendes magmatisches und /oder Niederschlagswasser aus einer tieferen Zone verursacht werden. In einer Tiefe von 1 bis 2 km, zeigt der vertikale Leiter einen spezifischen Widerstand von 2 Ωm, was höchstwahrseheinlich auf die Lage des Reservoirs hindeutet. Die tiefreichende leitfähige Anomalie unterhalb des Reservoirs wird auf die zirkulierenden heißen Fluide zurückgeführt, welche die Fluide im Reservoirs aufheizen. Es ist wahrscheinlich, dass die Wärme, durch magmatische Aktivität aufgrund des Subduktionsprozesses verursacht wird. Diese Interpretation steht im Einklang mit geochemischen Untersuchungen, die einen magmatischen Ursprung der Fluide aus der Panabungan-Heißwasserquelle annehmen. Ca. 2 km süd-westlich vom Tarutung-Becken wird ein flacher leitfähige Körper in einer Tiefe von 0,5-2 km angezeigt, der unter kalten Quellen in der Nähe des inaktiven Vulkans Martimbang liegt. Dieser Leiter wird als andesitisches Material interpretiert, das mineralisch durch hohe Temperaturen aufgrund der Magma Intrusion des Martimbang verändert wurde. Geochemische und geophysikalische Studien, einschließlich MT, unterstützen nicht die Hypothese, dass die Wärmequelle des Sipoholon Geothermie-Systems direkt mit dem inaktiven Vulkan Martimbang in Beziehung steht. Eine flache leitfähige Anomalie wird auch unter dem Tarutung-Becken sichtbar. Dieser flache Leiter wird als Lockersedimente vulkanischen Ursprungs (Quaternary Toba Tuff) interpretiert. Im westlichsten Teil des Untersuchungsgebietes, erstrecktsich ein Bereich hohen Widerstands, der Permischen Graniten entspricht. Dieser mit hohen Körperwiderstand wird als Westgrenze des Sipoholon Geothermie-Systems interpretiert. Zusammenfassend zeigen die Leitfähigkeitsmodelle aus dieser Studie bisher unbekannte Fluidwege des nicht vulkanischen Geothermie-Systems Sipoholon. Diese Interpretation ist konsistent mit hohen Porosität der Gesteinsproben an der Oberfläche und der Verteilung von niedriger Vp und hoher Vp/Vs, welche rund um die heißen Panabungan Quellen auftretten. In Kombination mit anderen geowissenschaftlichen Disziplinen, bietet die MT ein sehr leistungsfähiges Werkzeug für Geothermie wegen ihrer Sensitivität gegenüber heißen salzhaltigen Fluiden als Zonen hoher Leitfähigkeit.