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Geothermischer Gradient Der geothermische Gradient beschreibt die Änderung der Temperatur mit zunehmender Tiefe im Erdre

Geothermischer Gradient

Der geothermische Gradient beschreibt die Änderung der Temperatur mit zunehmender Tiefe im Erdreich. Sein Kehrwert ist die geothermische Tiefenstufe, die Tiefendifferenz, in der sich die Erdkruste um ein Kelvin erwärmt.

Temperaturprofil des Erdinneren. Die gestrichelte rote Linie im linken Teildiagramm zeigt die Schmelztemperatur des Gesteins des obersten Mantels in der jeweiligen Tiefe. Außer in der Asthenosphäre liegt die Gesteinstemperatur stets unterhalb der Schmelztemperatur. Im obersten Mantel und an der Kern-Mantel-Grenze ist der Gradient deutlich steiler.

Definition Bearbeiten

Der geothermische Gradient ist ein Temperaturgradient, also ein Maß für die (infinitesimale) Temperaturänderung in Abhängigkeit von einer Strecke, im geowissenschaftlichen Sinne fast ausschließlich bezogen auf die Tiefe unterhalb der Erdoberfläche. Der Zusammenhang zwischen geothermischen Gradienten und geothermischer Tiefenstufe kann ausgedrückt werden als:

Der geothermische Gradient wird oft mit dem Großbuchstaben Gamma bezeichnet und ist dementsprechend definiert als die Änderung der Temperatur in Bezug auf die zunehmende Tiefe :

Einheiten Bearbeiten

Während die geothermische Tiefenstufe für gewöhnlich in Metern pro Grad Celsius bzw. Kelvin angegeben wird, sind für den geothermischen Gradienten mehrere Einheiten üblich, so , und .

Werte Bearbeiten

In den obersten 10–15 Metern wird die Bodentemperatur durch atmosphärische Faktoren, wie Sonneneinstrahlung, Luftkontakt und versickerndes Regenwasser bestimmt. Darunter bis in ca. 50 Meter Tiefe herrschen über das Jahr konstant etwa 10 °C. Unterhalb von 50 Metern beginnt der Bereich, der hauptsächlich durch den Wärmestrom aus dem Erdinneren bestimmt wird; eine Erwärmung um einen Kelvin erfolgt in dem Teil der Kruste durchschnittlich alle 33 Meter bzw. alle 100 Meter steigt die Temperatur um etwa 3 Kelvin an:

Genauer schwanken geothermische Gradienten etwa in einem Bereich zwischen 27,8 K/km und 35,3 K/km, der weltweite mittlere geothermische Gradient liegt bei etwa 29,8 K/km. Der Temperaturgradient innerhalb der Lithosphäre variiert jedoch stark nach tektonischem Umfeld. In den zentralen Teilen der Kontinente ist das Gefälle am geringsten, während er an Plattengrenzen steigt, insbesondere an auseinander driftenden Platten. Lokal können die Gradienten daher stark von dem Mittelwert abweichen, so sind beispielsweise im Oberrheingraben Gradienten von 50 K/km bis 100 K/km möglich.

Für die geothermische Tiefenstufe gilt das Gleiche. In Grabenbrüchen ist die geothermische Tiefenstufe oft sehr gering (5,2 m/K bei Osek im Egergraben), während in tektonisch inaktiven Kratongebieten sehr hohe Werte erreicht werden (bis über 170 m/K in Südafrika).

Abweichungen von den Mittelwerten erklären sich aus dem geologischen Bau, der thermischen Leitfähigkeit der Gesteine und dem Vorhandensein von Wärmequellen (wie Magmakammern) im Untergrund.

Im Erdmantel fällt der geothermische Gradient drastisch ab, steigt an der Basis des Erdmantels wieder stark an und nimmt dann im Erdkern langsam zu.

Zusammenhang zur Wärmeleitfähigkeit Bearbeiten

Unter der Annahme einer konstanten Wärmestromdichte lässt sich der geothermische Gradient in Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit umformulieren:

Hierbei wird die Wärmestromdichte nur in Richtung der Tiefe betrachtet, ist die Wärmeleitfähigkeit in Richtung der z-Achse, die Temperatur in Kelvin und steht für den geothermischen Gradienten.

Wenn die Wärmeleitfähigkeit steigt, verringert sich der geothermische Gradient, und umgekehrt. Der geothermische Gradient reagiert äußerst empfindlich auf Änderungen der Wärmeleitfähigkeit und somit auf Veränderungen der Gesteinszusammensetzung. Der geothermische Gradient ist daher kein Hilfsparameter zur Bestimmung der Wärmestromdichte, sondern ein eigenständiger Parameter, der wesentliche Informationen über das geothermische Feld liefert.

Anwendung Bearbeiten

Der geothermische Gradient ist z. B. für die Geothermie, aber auch für jede Art von Tiefbohrungen relevant. In vulkanisch aktiven Gebieten ist die Tiefenstufe besonders klein, d. h. der Temperaturgradient besonders groß, wobei es jedoch im Bereich von Subduktionszonen in größeren Tiefen auch zu einer Umkehrung des Temperaturgradienten kommen kann: Dort steigt die Temperatur nicht mit der Tiefe, sondern sie sinkt. Dies hängt damit zusammen, dass dort vergleichsweise kühle Oberflächengesteine in den Erdmantel gezogen werden.

Literatur Bearbeiten

  • Werner Zeil: Brinkmanns Abriss der Geologie, erster Band: Allgemeine Geologie. 12. Auflage. Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart 1980, ISBN 3-432-80592-6, S. 217.

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. ↑ geothermischer Gradient. In: Lexikon der Geowissenschaften. Spektrum, abgerufen am 31. Januar 2023.
  2. Geothermische Tiefenstufe. In: Geothermie. Abgerufen am 31. Januar 2023.
  3. ↑ geothermische Tiefenstufe. In: Lexikon der Geographie. Spektrum, abgerufen am 31. Januar 2023.
  4. ↑ Geothermischer Gradient. In: Geothermie. Abgerufen am 31. Januar 2023.
  5. Energie aus dem Boden. Bundesverband Boden e.V., abgerufen am 9. Juni 2023.
  6. ↑ Karla Panchuk: Physical Geology. Hrsg.: University of Saskatchewan. 3. Auflage. (usask.ca).
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Veröffentlichungsdatum:
Der geothermische Gradient beschreibt die Anderung der Temperatur mit zunehmender Tiefe im Erdreich 1 2 Sein Kehrwert ist die geothermische Tiefenstufe die Tiefendifferenz in der sich die Erdkruste um ein Kelvin erwarmt 3 Temperaturprofil des Erdinneren Die gestrichelte rote Linie im linken Teildiagramm zeigt die Schmelztemperatur des Gesteins des obersten Mantels in der jeweiligen Tiefe Ausser in der Asthenosphare liegt die Gesteinstemperatur stets unterhalb der Schmelztemperatur Im obersten Mantel und an der Kern Mantel Grenze ist der Gradient deutlich steiler Inhaltsverzeichnis 1 Definition 1 1 Einheiten 1 2 Werte 2 Zusammenhang zur Warmeleitfahigkeit 3 Anwendung 4 Literatur 5 EinzelnachweiseDefinition BearbeitenDer geothermische Gradient ist ein Temperaturgradient also ein Mass fur die infinitesimale Temperaturanderung in Abhangigkeit von einer Strecke im geowissenschaftlichen Sinne fast ausschliesslich bezogen auf die Tiefe unterhalb der Erdoberflache 4 Der Zusammenhang zwischen geothermischen Gradienten und geothermischer Tiefenstufe kann ausgedruckt werden als Tiefenstufe 1 Temperaturgradient displaystyle text Tiefenstufe frac 1 text Temperaturgradient nbsp Der geothermische Gradient wird oft mit dem Grossbuchstaben Gamma G displaystyle Gamma nbsp bezeichnet und ist dementsprechend definiert als die Anderung der Temperatur T displaystyle T nbsp in Bezug auf die zunehmende Tiefe z displaystyle z nbsp 1 G d T d z displaystyle Gamma frac dT dz nbsp Einheiten Bearbeiten Wahrend die geothermische Tiefenstufe fur gewohnlich in Metern pro Grad Celsius bzw Kelvin m K displaystyle left mathrm tfrac m K right nbsp angegeben wird sind fur den geothermischen Gradienten mehrere Einheiten ublich so K m displaystyle mathrm tfrac K m nbsp K k m displaystyle mathrm tfrac K km nbsp 1 und m K m displaystyle mathrm tfrac mK m nbsp 4 Werte Bearbeiten In den obersten 10 15 Metern wird die Bodentemperatur durch atmospharische Faktoren wie Sonneneinstrahlung Luftkontakt und versickerndes Regenwasser bestimmt Darunter bis in ca 50 Meter Tiefe herrschen uber das Jahr konstant etwa 10 C 5 Unterhalb von 50 Metern beginnt der Bereich der hauptsachlich durch den Warmestrom aus dem Erdinneren bestimmt wird eine Erwarmung um einen Kelvin erfolgt in dem Teil der Kruste durchschnittlich alle 33 Meter bzw alle 100 Meter steigt die Temperatur um etwa 3 Kelvin an 3 1 4 33 m K 30 K k m displaystyle 33 mathrm frac m K Leftrightarrow 30 mathrm frac K km nbsp Genauer schwanken geothermische Gradienten etwa in einem Bereich zwischen 27 8 K km und 35 3 K km der weltweite mittlere geothermische Gradient liegt bei etwa 29 8 K km 1 Der Temperaturgradient innerhalb der Lithosphare variiert jedoch stark nach tektonischem Umfeld In den zentralen Teilen der Kontinente ist das Gefalle am geringsten wahrend er an Plattengrenzen steigt insbesondere an auseinander driftenden Platten 6 Lokal konnen die Gradienten daher stark von dem Mittelwert abweichen so sind beispielsweise im Oberrheingraben Gradienten von 50 K km bis 100 K km moglich 1 Fur die geothermische Tiefenstufe gilt das Gleiche In Grabenbruchen ist die geothermische Tiefenstufe oft sehr gering 5 2 m K bei Osek im Egergraben wahrend in tektonisch inaktiven Kratongebieten sehr hohe Werte erreicht werden bis uber 170 m K in Sudafrika 3 Abweichungen von den Mittelwerten erklaren sich aus dem geologischen Bau der thermischen Leitfahigkeit der Gesteine und dem Vorhandensein von Warmequellen wie Magmakammern im Untergrund 3 Im Erdmantel fallt der geothermische Gradient drastisch ab steigt an der Basis des Erdmantels wieder stark an und nimmt dann im Erdkern langsam zu 6 Zusammenhang zur Warmeleitfahigkeit BearbeitenUnter der Annahme einer konstanten Warmestromdichte lasst sich der geothermische Gradient in Abhangigkeit von der Warmeleitfahigkeit umformulieren 1 q z l z z d T d z l z z G displaystyle q z lambda zz frac dT dz lambda zz Gamma nbsp Hierbei wird die Warmestromdichte q displaystyle q nbsp nur in Richtung der Tiefe z displaystyle z nbsp betrachtet l z z displaystyle lambda zz nbsp ist die Warmeleitfahigkeit in Richtung der z Achse T displaystyle T nbsp die Temperatur in Kelvin und G displaystyle Gamma nbsp steht fur den geothermischen Gradienten Wenn die Warmeleitfahigkeit steigt verringert sich der geothermische Gradient und umgekehrt Der geothermische Gradient reagiert ausserst empfindlich auf Anderungen der Warmeleitfahigkeit und somit auf Veranderungen der Gesteinszusammensetzung Der geothermische Gradient ist daher kein Hilfsparameter zur Bestimmung der Warmestromdichte sondern ein eigenstandiger Parameter der wesentliche Informationen uber das geothermische Feld liefert 1 Anwendung BearbeitenDer geothermische Gradient ist z B fur die Geothermie aber auch fur jede Art von Tiefbohrungen relevant In vulkanisch aktiven Gebieten ist die Tiefenstufe besonders klein d h der Temperaturgradient besonders gross wobei es jedoch im Bereich von Subduktionszonen in grosseren Tiefen auch zu einer Umkehrung des Temperaturgradienten kommen kann Dort steigt die Temperatur nicht mit der Tiefe sondern sie sinkt Dies hangt damit zusammen dass dort vergleichsweise kuhle Oberflachengesteine in den Erdmantel gezogen werden Literatur BearbeitenWerner Zeil Brinkmanns Abriss der Geologie erster Band Allgemeine Geologie 12 Auflage Ferdinand Enke Verlag Stuttgart 1980 ISBN 3 432 80592 6 S 217 Einzelnachweise Bearbeiten a b c d e f g h geothermischer Gradient In Lexikon der Geowissenschaften Spektrum abgerufen am 31 Januar 2023 Geothermische Tiefenstufe In Geothermie Abgerufen am 31 Januar 2023 a b c d geothermische Tiefenstufe In Lexikon der Geographie Spektrum abgerufen am 31 Januar 2023 a b c Geothermischer Gradient In Geothermie Abgerufen am 31 Januar 2023 Energie aus dem Boden Bundesverband Boden e V abgerufen am 9 Juni 2023 a b Karla Panchuk Physical Geology Hrsg University of Saskatchewan 3 Auflage usask ca Normdaten Sachbegriff GND 4604065 1 lobid OGND AKS Abgerufen von 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