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Deutschlands Untergrund ist wärmer als gedacht

Neuanalyse zeigt 20 Prozent höhere Werte für den unterirdischen Wärmefluss

Wärme-Messpunkte
Bisherige Messpunkte für die Wärmefluss-Messung in Deutschland. Die hellen Säulen symbolisieren Datenpunkte mit hoher Qualität, die roten solche mit geringer Qualität. © GFZ; erstellt mit QGIS/ OpenStreetMap

Tiefe Hitze: Die Erdkruste unter Deutschland ist unerwartet warm, wie eine neue Kartierung enthüllt. Demnach liegt der Wärmefluss im Untergrund im Schnitt bei 78 Milliwatt pro Quadratmeter – und damit um rund 20 Prozent höher als zuvor angenommen. Besonders viel Wärme aus dem Erdinneren dringt im Erzgebirge, Oberrheingraben und Schwarzwald in Oberflächennähe. Eher kühl ist der Untergrund hingegen im Bayrischen und Pfälzer Wald. Das verrät Grundlegendes über die Geologie, aber auch das Potenzial für die Geothermie.

Der Wärmefluss im Untergrund ist ein entscheidendes Merkmal unseres und anderer terrestrischer Planeten. Denn er verrät, wie viel Hitze im Erdinneren entsteht und wie die Schichten beschaffen sind, durch welche die Wärme an die Oberfläche gelangt. Das Messen des Wärmeflusses in der Erdkruste erlaubt zudem Rückschlüsse auf geologische und tektonische Prozesse und Strukturen, wie Schwächezonen, massive Gebirgswurzeln oder vulkanisch-hydrothermale Zonen.

Umso wichtiger ist es, den Wärmefluss im Untergrund möglichst genau zu kennen. Deshalb arbeitet die International Heat Flow Commission (IHFC) zurzeit daran, die in einer globalen Datenbank gesammelten Daten zum Wärmestrom in verschiedenen Regionen zu überprüfen und zu standardisieren.

Wärmestrom-Karte Deutschland
Neue Karte des terrestrischen Wärmestroms in Deutschland. © Fuchs et al./ Earth Science Reviews, CC-by 4.0

Wärmefluss-Daten überprüft

Das Problem jedoch: In Deutschland nutzten viele der seit den 1960er Jahren bei Tiefbohrungen, Brunnenbohrungen, in Bergwerken oder Seesedimenten durchgeführten Temperaturmessungen nicht standardisierte oder nicht dokumentierte Methoden. „Dies verursacht erhebliche Qualitätsunterschiede in den Wärmeflussdaten, die zu Fehlinterpretationen und Verfälschungen bei der Berechnung der Tiefentemperaturen führen“, erklären Sven Fuchs vom Deutschen GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) und seine Kollegen.

Denn um den Wärmefluss adäquat ermitteln zu können, benötigt man Daten zum tiefenabhängigen Temperaturgradienten und zur Wärmeleitfähigkeit des Gesteins am Probenort. Letztere hängt von der Gesteinsart ab, aber auch von ihrem Wassergehalt. Doch früher wurde die Wärmeleitfähigkeit oft an trockenen Laborproben bestimmt. „Das führt zu einer Unterschätzung der Wärmeleitfähigkeit, vor allem bei porösem Sedimentgestein“, so das Team. Auch die Messung der tiefenspezifischen Temperatur zur Bestimmung des Gradienten wurde unterschiedlich gehandhabt.

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20 Prozent mehr Hitze

An diesem Punkt kommen Fuchs und sein Team ins Spiel. Sie haben die vorhandenen Wärmestrom-Daten einer Neuanalyse unterzogen und auf ihre Qualität hin bewertet. Dies umfasste sowohl die systematische Sichtung aller verfügbaren Messungen seit den 1950er Jahren als auch neue, noch nicht in den Datenbanken enthaltene Messdaten. „Die neue Datenbank ist eine deutliche Verbesserung für Exploration des geothermischen Feldes in Deutschland und ein starker Beitrag zur Überarbeitung der europäischen Wärmestrom-Daten im Rahmen des laufenden Global Heat Flow Data Assessment Projekts“, sagt Fuchs.

Das Resultat der Neuanalyse ist eine neue Wärmefluss-Karte für Deutschland. Sie zeigt, dass der durchschnittliche Wärmefluss hierzulande je nach geologischer Region von rund 66 Milliwatt pro Quadratmeter bis 83 Milliwatt pro Quadratmeter variiert. Als flächengewichtete mittlere Wärmestrom-Dichte Deutschlands ermitteln die Forschenden 78 Milliwatt pro Quadratmeter. „Die terrestrische Hitze liegt damit um 20 Prozent höher, als es frühere Schätzungen angaben“, berichten Fuchs und seine Kollegen.

Hotspots und kühle Zonen

Wie warm es im Untergrund ist, hängt dabei vor allem von den tektonisch-geologischen Bedingungen ab. Besonders hoch ist der Wärmestrom beispielsweise in Regionen mit Granitgesteinen. Dazu gehören das Erzgebirge, das Fichtelgebirge, das Fränkische Becken und Teile der Schwäbischen Alb und des Schwarzwalds. Ebenfalls wärmer als der Durchschnitt sind tektonische Schwächezonen wie der Oberrheingraben oder ehemalige Vulkangebiete wie der Vogelsberg.

Deutlich geringer ist der Wärmestrom dagegen im Saale/Nahe-Gebiet, in Teilen des Oberpfälzer Walds und des Bayrischen Walds. Den kühleren Untergrund in den beiden südostdeutschen Gebieten führen die Geologen in Teilen auch darauf zurück, dass dort die Grenze zwischen der kühleren, festen Lithosphäre und dem darunterliegenden weichen, warmen Teil des Erdmantels in rund 115 Kilometer Tiefe liegt. Dieser Übergang liegt damit deutlich tiefer als beispielsweise im Rheingraben mit rund 80 Kilometern oder Teilen Norddeutschlands mit 90 bis 100 Kilometern.

Große Lücken in der Karte

Für viele Regionen Deutschlands gibt es allerdings bisher gar keine verlässlichen Wärmefluss-Daten, so etwa in Nordwestdeutschland, Nordsachsen, Südbrandenburg und Thüringen sowie in Teilen Bayerns. Für einige dieser Regionen haben die früheren Daten die Qualitätsbewertung nicht bestanden, in vielen anderen Fällen wurden bisher überhaupt keine Wärmestrom-Messungen durchgeführt. Damit fehlt ein wichtiger Parameter zum Verständnis des thermischen Feldes des Untergrundes.

„Angesichts der drastisch gestiegenen Nachfrage, den Untergrund für verschiedene Geoenergie-Anwendungen zu nutzen, müssen wir diese großen Datenlücken in Deutschland möglichst schnell schließen“, betont Fuchs. „Diese Bemühungen werden dazu beitragen, unser Bild der geothermischen Ressourcen in Deutschland zu vervollständigen.“ Das GFZ-Team bereitet dafür bereits eine neue Wärmestrom-Messkampagne für ganz Deutschland vor. Diese wird es ermöglichen, die Karte des unterirdischen Temperatur- und Wärmestromfeldes weiter aufzufüllen. (Earth Science Reviews, 2022; doi: 10.1016/j.earscirev.2022.104231)

Quelle: Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ

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