Abstract
In my doctoral thesis, I examine continuous gravity measurements for monitoring of the geothermal site at Þeistareykir in North Iceland. With the help of high-precision superconducting gravity meters (iGravs), I investigate underground mass changes that are caused by operation of the geothermal power plant (i.e. by extraction of hot water and reinjection of cold water). The overall goal of this research project is to make a statement about the sustainable use of the geothermal reservoir, from which also the Icelandic energy supplier and power plant operator Landsvirkjun should benefit.
As a first step, for investigating the performance and measurement stability of the gravity meters, in summer 2017, I performed comparative measurements at the gravimetric observatory J9 in Strasbourg. From the three-month gravity time series, I examined calibration, noise and drift behaviour of the iGravs in comparison to stable long-term time series of the observatory superconducting gravity meters. After preparatory work in Iceland (setup of gravity stations, additional measuring equipment and infrastructure, discussions with Landsvirkjun and meetings with the Icelandic partner institute ISOR), gravity monitoring at Þeistareykir was started in December 2017. With the help of the iGrav records of the initial 18 months after start of measurements, I carried out the same investigations (on calibration, noise and drift behaviour) as in J9 to understand how the transport of the superconducting gravity meters to Iceland may influence instrumental parameters.
In the further course of this work, I focus on modelling and reduction of local gravity contributions at Þeistareykir. These comprise additional mass changes due to rain, snowfall and vertical surface displacements that superimpose onto the geothermal signal of the gravity measurements. For this purpose, I used data sets from additional monitoring sensors that are installed at each gravity station and adapted scripts for hydro-gravitational modelling. The third part of my thesis targets geothermal signals in the gravity measurements.
Together with my PhD colleague Nolwenn Portier from France, I carried out additional gravity measurements with a Scintrex CG5 gravity meter at 26 measuring points within the geothermal field in the summers of 2017, 2018 and 2019. These annual time-lapse gravity measurements are intended to increase the spatial coverage of gravity data from the three continuous monitoring stations to the entire geothermal field. The combination of CG5 and iGrav observations, as well as annual reference measurements with an FG5 absolute gravity meter represent the hybrid gravimetric monitoring method for Þeistareykir. Comparison of the gravimetric data to local borehole measurements (of groundwater levels, geothermal extraction and injection rates) is used to relate the observed gravity changes to the actually extracted (and reinjected) geothermal fluids. An approach to explain the observed gravity signals by means of forward modelling of the geothermal production rate is presented at the end of the third (hybrid gravimetric) study. Further modelling with the help of the processed gravity data is planned by Landsvirkjun. In addition, the experience from time-lapse and continuous gravity monitoring will be used for future gravity measurements at the Krafla geothermal field 22 km south-east of Þeistareykir.
In meiner Doktorarbeit beschäftige ich mich mit kontinuierlichen Schweremessungen zum Monitoring des geothermisch genutzten Standorts Þeistareykir in Nordisland. Unter Verwendung von hochpräzisen Supraleitgravimetern (iGravs) untersuche ich unterirdische Massenveränderungen, die durch den Betrieb des isländischen Erdwärmekraftwerks (d.h. durch die Entnahme von Heißwasser und Rückinjektion von Kaltwasser) hervorgerufen werden. Als übergeordnetes Ziel des Forschungsprojektes soll eine Aussage zur nachhaltigen Nutzung des geothermischen Reservoirs gemacht werden, von der auch der isländische Energieversorger und Kraftwerksbetreiber Landsvirkjun profitieren soll.
Als ersten Schritt, zur Untersuchung der Leistungsfähigkeit und Messstabilität der Gravimeter, begleitete ich im Sommer 2017 Vergleichsmessungen in dem gravimetrischen Observatorium J9 in Straßburg. Aus den dreimonatigen Messzeitreihen untersuchte ich Kalibration, Rausch- und Driftverhalten der iGravs im Vergleich zu den betriebssicher laufenden Observatoriums-Supraleitgravimetern. Nach vorbereitender Arbeit in Island (Aufbau der Gravimeter-Stationen und zusätzlicher Messeinrichtung, Einrichtung der Infrastruktur, Gespräche mit Landsvirkjun und Treffen mit isländischen Partnerinstitut ISOR) startete ich mit meinen Kollegen im Dezember 2017 das Gravimeter-Monitoring in Þeistareykir. Anhand der iGrav-Aufzeichnungen der ersten 18 Monaten nach Messbeginn führte ich die gleichen Untersuchungen (zu Kalibration, Rausch- und Driftverhalten) wie in J9 durch, um zu verstehen inwieweit der Transport der Supraleitgravimeter nach Island die Geräteeigenschaften beeinflusst hat.
Im weiteren Verlauf der vorliegenden Arbeit beschäftige ich mich verstärkt mit der Modellierung und Korrektur von oberflächennahen Schwereeffekten in Þeistareykir. Dies umfasst zusätzliche Massenbewegungen durch Regen, Schneefall oder vulkanisch-tektonische Bodenbewegungen, die das geothermische Signal in den Gravimeter-Messungen überlagern. Als Hilfsmittel verwende ich die Datensätze der zusätzlich an jeder Gravimeter-Station eingerichteten Messsensorik und von mir angepasste Modellierungsskripte meiner Gravimetrie-Kollegen.
Als dritten Punkt meiner Dissertation untersuche ich die geothermischen Signale in den Gravimeter-Messungen. Gemeinsam mit meiner PhD-Kollegin Nolwenn Portier aus Frankreich führte ich in den Sommern 2017, 2018 und 2019 zusätzliche Schweremessungen mit einem Scintrex CG5 Gravimeter an 26 im Geothermie-Feld verteilten Messpunkten durch. Diese jährlich begrenzten Schweredaten dienen der Verbesserung der räumlichen Auflösung unserer kontinuierlichen iGrav-Messungen. Die kombinierten Ergebnisse beider Messmethoden (der CG5 und iGrav Gravimeter), sowie jährlich im Messgebiet durchgeführter Referenz-Messungen mit einem FG5 Absolut-Gravimeter, komplettieren das hybridgravimetrische Monitoring am Messstandort Þeistareykir. Die abschließende Gegenüberstellung der gravimetrischen Daten mit lokalen Bohrlochmessungen (von Grundwasserpegeln, geothermischen Extraktions- und Injektions-Raten) des Kraftwerksbetreibers, ermöglicht einen direkten Vergleich der beobachteten Schwereveränderungen mit den tatsächlich geförderten geothermischen Fluiden. Ein Ansatz zur Erklärung des beobachteten Schweresignals mittels Vorwärtsmodellierung der geförderten geothermischen Förderrate wird im Abschluss der dritten (hybridgravimetrischen) Studie vorgestellt. Weitere Modellierungen unter Verwendung der aufbereiteten gravimetrischen Messdaten sind durch den Kraftwerksbetreibers von Þeistareykir geplant. Außerdem sollen die gesammelten Erfahrungen des gravimetrischen Messnetzes und Monitorings in Þeistareykir zur Durchführung weiterer gravimetrischer Messungen an dem 22 km südöstlich gelegenem Geothermiefeld Krafla genutzt werden.
