Review: Geothermal heat as a tracer of large-scale groundwater flow and as a means to determine permeability fields

Abstract

A review of coupled groundwater and heat transfer theory is followed by an introduction to geothermal measurement techniques. Thereafter, temperature-depth profiles (geotherms) and heat discharge at springs to infer hydraulic parameters and processes are discussed. Several studies included in this review state that minimum permeabilities of approximately 5 × 10⁻¹⁷ < k _min <10⁻¹⁵ m² are required to observe advective heat transfer and resultant geotherm perturbations. Permeabilities below k _min tend to cause heat-conduction-dominated systems, precluding inversion of temperature fields for groundwater flow patterns and constraint of permeabilities other than being <k _min. Values of k _min depend on the flow-domain aspect-ratio, faults and other heterogeneities, anisotropy of hydraulic and thermal parameters, heat-flow rates, and the water-table shape. However, the k _min range is narrow and located toward the lower third of geologic materials, which exhibit permeabilities of 10⁻²¹ < k < 10⁻⁷ m². Therefore, a wide range of permeabilities can be investigated by analyzing subsurface temperatures or heat discharge at springs. Furthermore, temperature is easy and economical to measure and because thermal material properties vary far less than hydraulic properties, temperature measurements tend to provide better-constrained groundwater flow and permeability estimates. Aside from hydrogeologic insights, constraint of advective/conductive heat transfer can also provide information on magmatic intrusions, metamorphism, ore deposits, climate variability, and geothermal energy.

Résumé

Une synthèse bibliographique de la théorie de l’écoulement de nappe couplé au transfert de chaleur est suivie par une introduction aux techniques de mesures géothermiques. Ensuite, des profils température-profondeur (géothermes) et le flux de chaleur libéré par des sources sont discutés en vue d’inférer processus en jeu et paramètres hydrodynamiques. Plusieurs études relevées indiquent que des perméabilités minimales k _min d’environ 5 × 10⁻¹⁷ à 10⁻¹⁵ m² sont requises pour observer des transferts de chaleur advectifs et les perturbations des géothermes consécutives. Des perméabilités inférieures à k _min tendent à générer des systèmes dominés par la conduction thermique, ce qui interdit l’inversion des champs de température pour la détermination de la géométrie des écoulements souterrains et limite cette inversion aux perméabilités supérieures à k _min. Les valeurs k _min dépendent de ratios caractéristiques de la forme du domaine d’écoulement, des failles et autres hétérogénéités, de l’anisotropie des paramètres hydrauliques et thermiques, du flux de chaleur, ainsi que de la forme de la surface piézométrique. Cependant, la plage de variation des k _min est faible et se situe dans le tiers inférieur de la gamme des perméabilités k des formations géologiques, qui est comprise, elle, entre 10⁻²¹ et 10⁻⁷ m². Par suite, une large gamme de perméabilités peut être caractérisée par l’analyse des températures de subsurface ou du flux de chaleur aux sources. En outre, la mesure de température est facile et peu onéreuse et, comme les propriétés thermiques des matériaux varient beaucoup moins que leurs propriétés hydrodynamiques, les mesures de température tendent à fournir des estimations mieux contraintes de l’écoulement des eaux souterraines et de perméabilité. A côté de l’apport hydrogéologique, les transferts de chaleur par advection/conduction peuvent aussi fournir des informations sur les intrusions magmatiques, le métamorphisme, les gisements métallifères, la variabilité climatique et l’énergie géothermique.

Resumen

Se presenta una introducción a las técnicas de mediciones geotérmicas después de una revisión del acoplamiento del agua subterránea y de la teoría de la transferencia del flujo de calor. De allí en adelante se discuten los perfiles de temperatura – profundidad (geotermas) y la descarga del calor en manantiales para inferir los parámetros y los procesos hidráulicos. Varios estudios incluidos en esta revisión manifiestan que se requieren permeabilidades mínimas de aproximadamente 5 × 10⁻¹⁷ < k _min <10⁻¹⁵ m² para observar la transferencia advectiva de calor y de las resultantes perturbaciones geotérmicas. Las permeabilidades debajo de k _min tienden a causar sistemas dominados por conducción de calor, impidiendo la inversión de los campos de temperaturas para los patrones de flujo de las aguas subterráneas y a restringir las permeabilidades diferentes a aquellas <k _min. Los valores de k _min dependen de la relación del flujo y aspecto del dominio, fallas y otras heterogeneidades, anisotropía de parámetros hidráulicos y térmicos, ritmos de flujo de calor y la forma del nivel freático. Sin embargo, el intervalo de k _min es estrecho y localizado hacia el tercio más bajo de los materiales geológicos, los cuales exhiben permeabilidades entre 10⁻²¹ < k < 10⁻⁷ m². Por lo tanto, un amplio rango de permeabilidades pueden ser investigados analizando las temperaturas subsuperficiales o la descarga de calor en manantiales. Además, la temperatura es fácil y económica de medir y debido a que las propiedades termales de los materiales varían menos que las propiedades hidráulicas, las mediciones de la temperatura tienden a proveer mejores estimaciones restringidas del flujo de agua subterránea y de la permeabilidad. Aparte de los conocimientos hidrogeológicos, las restricciones de la transferencia de calor advectivo/conductivo pueden también proveer información sobre intrusiones magmáticas, metamorfismo, depósitos minerales, variabilidad climática y energía geotérmica.

摘要

本文首先对地下水和热量运移耦合理论进行了综述, 然后介绍了地热测量技术。随后, 讨论了根据温度-深度剖面 (等温线) 和经由泉水排泄的热量推断水文参数和过程。综述中包括的一些研究认为, 若要观察到对流热传导及相应的等温线扰动, 渗透率至少应为约 5 × 10⁻¹⁷ < k_min < 10⁻¹⁵m²。若渗透率小于 k_min, 将形成热传导主导的系统, 此时将无法通过温度场反演地下水流场和约束渗透率。k_min 决定于水流域高宽比、断层和其它非均质因素, 水力和热物性的各向异性、热流量, 及水面形状。但 k_min 的变化范围较窄, 并位于地质材料的下三分之一, 其渗透率为 10⁻²¹ < k < 10⁻⁷m²。因此, 可以通过分析地下温度或泉水热排放量来研究较大变化范围内的渗透率。此外, 温度测量简单经济, 加之材料的热性质较水力参数变化小得多, 温度测量可提供较好约束的对地下水流和渗透率估计。除了水文地质信息, 对对流、传导/热传递的约束还能提供给关于岩浆侵入、变质、矿床沉积、气候变化, 及地热能。

Resumo

A uma revisão da teoria acoplada do escoamento de água e da transferência de calor, segue-se uma introdução às técnicas de medição geotérmica. Depois disso, analisam-se perfis temperatura-profundidade (geotérmicas) e descargas de calor em nascentes, para se inferirem parâmetros hidráulicos e processos. Diversos estudos incluídos nesta revisão mostram que são necessárias permeabilidades mínimas de aproximadamente 5 × 10⁻¹⁷ < k _min <10⁻¹⁵ m² para que se observem transferências térmicas advectivas e as resultantes perturbações nas geotérmicas. Permeabilidades abaixo de k _min tendem a causar sistemas dominados pela condução, impedindo a inversão de campos de temperatura para padrões de escoamento de água subterrânea e a delimitação de outras permeabilidades que não sejam <k _min. Os valores k _min dependem da relação largura/altura do domínio de fluxo, de falhas e outras heterogeneidades, da anisotropia dos parâmetros hidráulicos e térmicos, das taxas de fluxo de calor e da forma da superfície piezométrica. No entanto, o domínio de variação de k _min é restrito e localiza-se no terço inferior dos materiais geológicos que exibem permeabilidades 10⁻²¹ < k < 10⁻⁷ m². Daí resulta a possibilidade de poder ser investigada uma ampla gama de permeabilidades analisando as temperaturas subsuperficiais ou as descargas térmicas de nascentes. Para além disso, a temperatura é fácil e economicamente mensurável, e porque as propriedades térmicas dos materiais variam consideravelmente menos do que as propriedades hidráulicas, as medições de temperatura tendem a proporcionar estimativas melhor delimitadas de parâmetros de escoamento subterrâneo e de permeabilidade. Para além da perspectiva hidrogeológica, a delimitação da transferência de calor como advectiva ou condutiva pode também fornecer informação sobre intrusões magmáticas, metamorfismo, depósitos minerais, variabilidade climática e energia geotérmica.