Was ist „Wärmestrom“?

Wärmestrom ist die Bewegung von Wärme (Energie) aus dem Inneren der Erde zur Oberfläche. Die Quelle der meisten Wärme stammt aus der Abkühlung des Erdkerns und der radioaktiven Wärmeerzeugung in den oberen 20 bis 40 km der Erdkruste. Die radioaktive Wärmeerzeugung ist ein Produkt des Krustengesteins, das hohe Konzentrationen der natürlich vorkommenden radioaktiven Elemente Thorium, Kalium und/oder Uran enthält. Der Wärmefluss ist in Gebieten mit hoher Radioaktivität oder in Gebieten mit dünnerer Erdkruste, wie z. B. den mittelozeanischen Rücken oder der Basin and Range-Provinz im Westen der Vereinigten Staaten, höher. Darüber hinaus gibt es Gebiete mit Wärmestrom-„Anomalien“, in denen der Wärmestrom in der Kruste überdurchschnittlich hoch ist, ohne dass es dafür eine eindeutige tektonische oder radioaktive Erklärung gibt, was in der Regel mit dem Flüssigkeitsstrom zusammenhängt, wie z. B. in South Dakota.
Der Wärmestrom wird anhand der Wärmeleitfähigkeit des Gesteins multipliziert mit dem Temperaturgradienten berechnet. Die Standardeinheiten sind mW/m2 = Milliwatt pro Meter zum Quadrat. Stellen Sie sich also eine flache Ebene von 1 Meter mal 1 Meter vor, und wie viel Energie durch diese Ebene übertragen wird, ist die Menge des Wärmestroms.
Die Wärmeleitfähigkeit wird mithilfe von Gesteinskernen oder durch Schneiden an einem Gerät bestimmt, das die Energiemenge misst, die die Gesteinsprobe übertragen kann. Beispiele für Geräte, die in einem Labor verwendet werden, sind ein geteilter Stab oder eine Nadelsonde. Die Wärmeleitfähigkeit wird in der Regel in W/mK = Watt pro Meter Kelvin angegeben. Die Werte der Wärmeleitfähigkeit eines Gesteins (Minerals) ändern sich mit steigender Temperatur, weshalb die Einheiten Kelvin enthalten.

Der Temperaturgradient der Erde am Messort wird durch die Erfassung der Temperatur in einem Brunnen in bestimmten Tiefen bestimmt. Häufig wird der Gradient in °C/km oder °F/100 ft angegeben. Wenn die Temperaturmessungen vorgenommen werden, nachdem das Bohrloch nicht mehr von der Bohrspülung beeinflusst wird, wird es als im Gleichgewicht befindlich betrachtet. Diese Werte sind von höchster Qualität und umfassen eine Reihe von Datenpunkten, die zum Verständnis der Veränderungen in der Geologie/Struktur der Erde beitragen. Es gibt eine Anleitung zur Temperaturaufzeichnung mit Beispielen, die erklären, warum sich der Gradient ändert.

Temperaturmessungen werden auch bei Bohrungen, insbesondere bei Öl- und Gasbohrungen, durchgeführt. Diese Daten werden als Bohrlochsohlentemperaturen bezeichnet, da sie am Boden des Intervalls gemessen werden, bis zu dem das Bohrloch zu diesem Zeitpunkt gebohrt wurde. Daher müssen diesen Werten Korrekturen hinzugefügt werden, um die Erwärmung der Bohrflüssigkeit (bei flachen Bohrungen) oder die Abkühlung (bei tieferen Bohrungen) auszugleichen. Außerdem kann ein Bohrloch mehrere Bohrlochsohlentemperaturen (BHT) aufweisen. Zwar werden für jeden Standort weniger Temperaturinformationen gesammelt als für Gleichgewichtsstandorte, doch stehen in einem Öl- und Gasfeld in der Regel zahlreiche BHT-Werte zum Vergleich zur Verfügung; die Möglichkeit, Temperaturen zu vergleichen, verbessert die Genauigkeit des Einzelwerts.
Damit ein Wärmestromwert vollständig kalibriert werden kann, müssen nach der Berechnung der Wärmeleitfähigkeit und des Gefälles unter Umständen Korrekturen vorgenommen werden, die davon abhängen, wo das Bohrloch gebohrt wurde. Beispiele dafür sind die steile Topographie (der Nordhang eines Berges ist kälter als ein Südhang) und die geologische Struktur (eine Verwerfung, die einen scharfen Wechsel der Gesteinsart mit sehr unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten verursacht).

Weitere Informationen über den globalen Wärmestrom finden Sie bei der International Heat Flow Commission.