Lithospheric-scale 3D structural and thermal modelling and the assessment of the origin of thermal anomalies in the European North Alpine Foreland Basin

Abstract

The European North Alpine Foreland Basin is a Tertiary wedge-shaped foreland basin at the northern front of the European Alps. The Molasse Sediments are underlain by Mesozoic sedimentary successions, which include the Upper Jurassic aquifer (Malm), a major target for geothermal energy production. The Molasse Basin has been used for geothermal energy production since decades due to its specific thermal configuration. The thermal field of the basin shows increasing temperatures from north to south and pronounced positive and negative thermal anomalies at depths of exploration interest. Between these anomalies, temperature differences of more than 40 K may occur over a small horizontal distance of just a few kilometres, a phenomenon which could so far not be explained based on the present-day knowledge. Though, a high amount of data about the structure as well as the distribution of temperatures and thermal properties in the European Molasse Basin exists, knowing the temperature distribution is not enough to reduce the exploration risk in the European Molasse Basin. Rather, an understanding of the heat driving mechanisms and the origin of the pronounced temperature anomalies is of high importance to reduce the uncertainty in predicting the extraction temperature and discharge of geothermal power plants. To explain the origin of the pronounced thermal anomalies in the German Molasse Basin, first a lithospheric-scale 3D structural model was constructed based on freely available depth and thickness information which includes the Molasse Basin as well as the South German Scarpland and some parts of the Alps. Areas not covered with measured data were constrained with isostatic calculations and 3D gravity modelling. In a second step, the present-day 3D steady-state conductive thermal field of the German Molasse Basin was calculated based on the gravity constrained lithospheric-scale 3D structural model. The predicted temperature distribution indicates that the thermal field is controlled by conductive heat transport in the lithospheric mantle and the crystalline crust. Shallower parts of the thermal field are strongly controlled by a thermal interdependence between the Alpine area and the basin itself and by the underlying crystalline crust related to their contrasting thermal properties. Furthermore, the results indicate that the distinct thermal anomalies in the German Molasse Basin are partly triggered by the structural configuration of the crust and the presence of the Tauern Body. To assess the influence of fluid flow on the shallow thermal field of the German Molasse Basin, coupled fluid flow and heat transport simulation were conducted which succeeded to reproduce the observed thermal anomalies in the German Molasse Basin. In contrast to assumptions of previous studies no permeable faults were needed to reproduce these thermal anomalies. The resulting coupled thermal field indicates that the temperature distribution is primarily controlled by conductive heat transport, but also strongly affected by basin-wide as well as local fluid flow especially at shallower depths. In particular, the results show that the positive and negative thermal anomalies are caused by a combination of conductive and advective heat transport and may be correlated to the permeability of the Molasse Sediments, to the facies controlled permeability distribution in the Upper Jurassic aquifer (Malm) and to the spatial distribution of the Cretaceous Purbeck formation.

Das Europäische Nordalpine Vorlandbecken ist ein keilförmiges, tertiäres Vorlandbecken im Norden der europäischen Alpen und gefüllt mit Molassesedimenten. Diese Molasse wird unterlagert von mesozoischen Sedimentfolgen, einschließlich des oberjurassischen Malm-Grundwasserleiters, welcher ein Hauptzielhorizont für die geothermische Energieexploration ist. Aufgrund seiner speziellen thermischen Beschaffenheit wird das Sedimentbecken seit Jahrzehnten für die geothermische Energieproduktion erkundet und genutzt. Die Temperaturen im Becken steigen von Nord nach Süd an und es treten ausgeprägte positive und negative thermische Anomalien. Der horizontale Temperaturunterschied zwischen diesen Anomalien von mehr als 40 K innerhalb weniger Kilometer konnte jedoch bis heute noch nicht vollständig erklärt werden. Durch die Exploration in der Vergangenheit konnten viele Daten zur Struktur sowie zur Temperatur- und Parameterverteilung im Europäischen Molassebecken angesammelt werden. Das reine Wissen über die Temperaturverteilung im Untergrund ist jedoch nicht ausreichend, um das Explorationsrisiko im Europäischen Molassebecken nachhaltig zu senken. Vielmehr ist ein umfassendes Verständnis der Wärmetransportmechanismen nötig, um den Ursprung der ausgeprägten Temperaturanomalien zu erklären. Das Ziel dieser Doktorarbeit war es, zum Verständnis der strukturellen Beschaffenheit und der Wärmetransportprozesse im Deutschen Molassebecken beizutragen und damit die Entstehung der ausgeprägten thermischen Anomalien zu erklären. Dafür wurde zunächst ein lithosphärenskaliges 3D-Strukturmodel des Molassebeckens, des Süddeutschen Schichtstufenlandes und Teile der Alpen basierend auf frei zugänglichen Informationen zu Tiefen und Mächtigkeiten konstruiert. Areale, die nicht mit Beobachtungen abgedeckt waren, wurden mit Hilfe isostatischer Berechnungen und mit 3D-Schwerefeldmodellierung vervollständigt. In einem zweiten Schritt wurde das heutige konduktive thermische Feld des Deutschen Molassebeckens berechnet. Aus der Berechnung des thermischen Feldes ergibt sich, dass die Temperaturen im lithosphärischen Mantel sowie in der kristallinen Kruste durch die Tiefe der Lithosphären-Asthenosphärengrenze und die radiogene Wärmeproduktion der Oberkruste kontrolliert werden. Flachere Bereiche werden dagegen stark von einer thermischen Wechselwirkung der Sedimente der Alpen und des Beckens mit der kristallinen Kruste und dem Tauernkörper beeinflusst. Um abzuschätzen, wie stark das flache thermische Feld durch advektiven Wärmetransport in Zusammenhang mit Fluidfluss beeinflusst wird, wurden gekoppelte Fluidfluss- und Wärmetransportsimulationen durchgeführt, welche die beobachteten thermischen Anomalien im Deutschen Molassebecken erfolgreich reproduzierten. Die Ergebnisse der gekoppelten Simulationen zeigen, dass die Temperaturverteilung im Molassebecken primär durch konduktiven Wärmetransport erzeugt wird, aber auch stark beeinflusst ist durch beckenweiten Fluidfluss. Insbesondere zeigen die Ergebnisse, dass die positiven und negativen thermischen Anomalien im Becken durch eine Kombination von konduktiven sowie lokalen und beckenweiten advektiven Wärmetransport erzeugt werden und mit der Verteilung der hydraulischen Durchlässigkeit der Molassesedimente und des Malms, sowie der räumlichen Verteilung der Purbeckformation korreliert werden können.