Termálvizek és geotermia doktori kurzus kurzuskód: gggn9224 Mádlné Dr Termálvizek és geotermia doktori kurzus kurzuskód: gggn9224 Mádlné Dr. Szőnyi Judit és Dr. Lenkey László előadó: Lenkey László Geotermia alapfogalmak Készítette: Lenkey László

Geotermia alapfogalmak Hőmérséklet gradiens, jellemző értéke Földön: 0,02 - 0,04 °C/m = 20 - 40 °C/km Inverz gradiens (25 – 50 m/°C) Hőáram, jellemző értéke kontinenseken: 0,04 - 0,06 W/m2 = 40 - 60 mW/m2 Stacionárius hőmérséklet = nem változik időben A geofizikában a geotermikus gradiens használatos, de a geológiában, különösen a régebbi szakirodalomban, az inverz gradienst nevezik geotermikus gradiensnek. A mértékegység alapján eldönthető, hogy melyik „gradiensről” van szó. A hőáramsűrűség, röviden hőáram, vagy más szóval hőfluxus az egységnyi felületen egységnyi idő alatt átáramló hőmennyiséget méri. Értéke a Földön alacsony, ezért közvetlenül nem hasznosítható. A hőmérsékleteloszlást befolyásolja a tektonika, az üledékképződés, erózió, a felszín hőmérsékletének változása a paleoklíma változása miatt. Mindezen folyamatok következtében a felszín alatti hőmérséklet időben változik.

Geotermia alapfogalmak Hőmérséklet gradiens = grad T = ÑT ~ ÑTz = dT/dz ~ ΔT/Δz Hőáram, q=-lÑT ~ qz = -l dT/dz~ -lΔT/Δz, ahol l a kőzet hővezetőképessége Hőtranszport egyenlet A hőmérséklet gradiens horizontális komponensei elhanyagolhatók a vertikális komponenshez képest. A geotermikus gradiens alatt a gradiens vertikális komponensét értjük. A hőtranszport egyenlet litoszférában érvényes közelítése a következő tagokat tartalmazza: a hőmérséklet időbeli változásából fakadó hőenergia változás, advektív (konvektív) tag, konduktív tag, hőtermelés. Az egyenlet megoldásával számítható a hőmérsékleteloszlás, ill. nem stacionárius állapotban annak időbeli fejlődése.

Példa mélyfúrásban mért hőmérsékletekre, hővezetőképességre, illetve extrapolált hőmérséklet-mélység trendre.

Geotermia alapfogalmak Hőmérsékletmérés mélyfúrásban Korrekciók Fúróiszap cirkulációra (nem stacionárius) Paleoklímára (nem stacionárius) Topográfiára Hővezetőképesség mérés Laborban In situ A mélyfúrásban mért hőmérsékleteket korrigálni kell, lásd előző ábrát.

Geotermia alapfogalmak Hővezetőképesség-mélység trendek a Pannon-medencéből a) agyagokra, márgákra, b) homokra, homokkőre. A hővezetőképesség a mélységgel növekszik, mert a kőzetek kompakciója miatt a pórustérfogat csökken, így a rossz hővezetőképességű víz aránya a teljes kőzettérfogathoz képest csökken. Lambda: hővezetőképesség, fi: porozitás. Dövényi and Horváth (1988)

Az ábrán jól látható a hővezetőképesség kompakció miatti növekedése a neogén üledékekben. A triász dolomitok hővezetőképessége nagyobb, mint az üledékeké, ezért a dolomitokban a geotermikus gradiens kisebb. Stacionárius állapotot feltételezve a hőáram állandó, ezért a jobb hővezetőképességű anyagokban a gradiens alacsonyabb, és fordítva.

Geotermia alapfogalmak Hőáram meghatározás Hőmérsékletet → hőáramot befolyásoló folyamatok Paleoklimatikus változás Üledéképződés/erózió Felszín alatti vízáramlás Hővezetőképesség 2D/3D változása (pl. sódómok, aljzat topográfia) Tektonika Vulkáni tevékenység

Paleoklimatikus hatás – 10 ezer éve Példa paleoklimatikus felszíni hőmérsékletváltozás hőmérsékletmódosító hatására. A példában az utolsó jégkorszak vége utáni felszíni hőmérsékletnövekedés hatását lehet látni.

Paleoklimatikus hatás – 5 ezer éve

Paleoklimatikus hatás - ma

Üledékképződés - modell A felszínre vastag, „hideg” üledékréteg rakódik A modell paraméterei: A lerakódott üledék vastagsága Az üledék lerakódás ideje Azóta eltelt idő T T0 T T0 Z

Üledékképződés - modell 13 Üledékképződés - modell 4 km üledék lerakódása Változó sebesség Üledéklerakódás sebességének hatása a hőáramra. A példában a 4 km üledék lerakódása 4, 8, ill. 16 mill. évvel ezelőtt kezdődött és a mai pillanatban tapasztalható hőáram látható. Stacionárius állapotban a hőáram állandó lenne: 75 mW/m2. A hideg üledékek lerakódása miatt a hőmérséklettér nem stacionárius, a hőáram a mélységgel nő. A rétegsor alján a hőáram nagyobb, felül kisebb. A rétegbe alul belépő hőáram egy része a réteg melegítésére fordítódik.

Üledékképződés - modell 14 Üledékképződés - modell 4 km üledék rakódott le 8 millió év alatt. Változó relaxációs idő A modell hasonló az előzőhöz, de itt az üledékek lerakódása után eltelt 0, 1, 2, ill. 4 mill. év. A hőáram kezdi megközelíteni a stacionárius értéket.

15 Vízáramlás-modell A feláramló víz „felhozza” a hőt, és a hő leadása a felső határ közelében kondukcióval történik. Ezért felül magasabb a hőáram, mint kondukció esetén lenne. A hőáram a mélységgel csökken. Leáramlás hatása ellentétes.

16 Vízáramlás - modell Leáramlás fluxusának vizsgálata.

Példák vízáramlás által okozott hőmérséklet és hőáram anomáliákra

Példák vízáramlás által okozott hőmérséklet és hőáram anomáliákra

Példák vízáramlás által okozott hőmérséklet és hőáram anomáliákra

Példa hővezetőképesség 2D változására Erdélyi-medence Jó hővezetőképességű aljzat és alacsonyabb hővezetőképességű üledékek (alul sárgával jelölve) hőtérmódosító hatása. Stacionárius állapot. Felül: hőmérsékleteloszlás, alul geológiai modell.

Példa tektonika (feltolódás) hőmérsékletre gyakorolt hatására Nem stacionárius hőmérsékleteloszlás feltolódás után. Felső ábra: kiinduló állapot, alsó ábra: folyamatos vonal; hőmérséklet pillanatszerű feltolódás után, szaggatott vonal; hőmérséklet valamennyi idő után. h: feltolódott réteg vastagsága.