Wärmestromdichte-Messungen (Wärmestromsonde)

Aus dem heißen Erdinneren fließt stetig ein Wärmestrom zur Erdoberfläche ab. Die Messung der Wärmestromdichte (Einheit: W/m²) an einem Ort erlaubt Rückschlüsse auf den Strukturaufbau bzw. dynamische Vorgänge im Untergrund. Geologisch alte Terrains (z.B. der in Kanada aufgeschlossene Kontinentalschild) weisen eine niedrigere Wärmestromdichte (ca. 40 mW/m²) auf als geologisch junge und aktive Regionen, in denen z.B. vulkanische Eruptionen große Mengen an Wärme aus dem Untergrund nach oben transportieren oder aber Fluidzirkulation im klüftigen Untergrund durch Konvektion für eine Umverteilung der Wärme sorgt. Wärmestromdichten in geologisch aktiven Regionen liegen typischerweise bei 60-120 mW/m², in vulkanisch aktiven Zonen liegen die Werte lokal weitaus höher.

Die Kartierung der Wärmestromdichte wird häufig benutzt, um Aussagen zum Alter der ozeanischen Kruste und vor allem zur Gas- bzw. Erdölhöffigkeit durch Rekonstruktion des inneren Temperaturfeldes des Sediments zu treffen. Daneben können Fluidzirkulation im Untergrund identifiziert werden.
Die Wärmestromdichte berechnet sich aus dem Produkt der Vertikalkomponente des Temperaturgradienten im Untergrund und der Wärmeleitfähigkeit des Gesteins. In Bohrungen kann nach längerer Standzeit ein quasi-stationärer Temperaturgradient gemessen werden. Die Wärmeleitfähigkeit des Gesteins wird üblicherweise an erbohrtem Kernmaterial bestimmt. Da sich die thermischen Eigenschaften des Gesteins bei Druckentlastung und Reduktion des Fluidgehaltes ändern können, werden in seltenen Fällen in-situ Wärmeleitfähigkeitsmessungen in der Bohrung mit speziellen Messanordnungen vorgenommen.

Die konventionelle Wärmestromsonde der BGR an Deck der alten FS SONNE Quelle: BGR

Ein Sonderfall ist die Messung der Wärmestromdichte am Meeresboden. Da weite Teile der Ozeanböden mit weichem Sediment bedeckt sind, kann man dort den Temperaturgradienten wie auch die in-situ Wärmeleitfähigkeit mit Hilfe einer Wärmestromsonde bestimmen. Das Prinzip dieser Sonde besteht darin, einen mehrere Meter langen Messstab, bestückt mit Temperaturfühlern in den weichen Meeresboden zu drücken und nach einer gewissen Ruhephase, die für die Dissipation der entstehenden Reibungswärme beim Eindringen des Messstabes erforderlich ist, den Temperaturgradienten in der Vertikalen zu messen. Da die Temperaturdifferenz zwischen dem obersten und untersten Messpunkt der Sonde typischerweise nur mehrere hundertstel Grad beträgt, haben die Sensoren eine extrem hohe Messgenauigkeit von 0.002 K. Nach Messung des Temperaturgradienten heizt ein Heizdraht die Lanze auf. Die Rate, mit der die erzeugte Wärme an das umgebende Sediment abgegeben wird, ist ein Maß der in-situ Wärmeleitfähigkeit des durchdrungenen Sediments.
BGR-hat eine derartige Sonde entwickelt, die bei Einsätzen vor Java/Indonesien und vor Chile ihre volle Funktionsfähigkeit unter Beweis gestellt hat.

Einsatz der "hard ground" Wärmestromsonde nördlich von Svalbard mit FS OGS EXPLORA Quelle: BGR

Für Fälle, in denen der Meeresboden „hart“ ist, womit der Einsatz einer konventionellen Wärmstromsonde ausgeschlossen wäre, hat die BGR eine so genannte „hard ground“ Wärmestromsonde entwickelt. Ein Patent für dieses Gerät ist angemeldet. Es wurde erstmals erfolgreich vor Sumatra in 2006 eingesetzt. Auf weiteren Fahrten in die Arktis und den Pazifik wurden weitere erfolgreiche Messungen durchgeführt.