Räumlich und zeitlich hochaufgelöste Temperaturmessungen mit aktiven faseroptischen Messsystemen für den Einsatz in der Hydrogeologie

Faseroptische Temperaturmesssysteme („distributed temperature sensing“, DTS) werden seit Jahrzehnten in der Geotechnik, Geothermie und Hydrogeologie eingesetzt. Dabei werden entlang von einem verlegten faseroptischen Kabel Temperaturzustände und -änderungen aufgezeichnet. Die gewonnen Messwerte liefern jedoch nicht nur einen direkten Einblick in räumlich und zeitlich veränderliche thermischen Bedingungen eines beprobten Mediums, sondern es lassen sich indirekt thermischen Transportprozesse und -parameter charakterisieren. Dies ist besonders von Bedeutung für die Hydrogeologie, da aus Temperaturprofilen der Beitrag der Advektion entschlüsselt und somit die Grundwasserfließgeschwindigkeit lokal bestimmt werden kann. Das DTS ist besonders geeignet bei starken natürlichen Temperaturänderungen. In Aquiferen fehlen aber oft signifikante thermische Gradienten. Bei aktiven faseroptische Temperaturmesssysteme (ADTS) werden die Messkabel mit einem Heizdraht bestückt und so künstlich die Umgebung des Kabels aufgeheizt. Mit diesem Kniff lassen sich flexibel z.B. Fließgeschwindigkeit und Wassersättigung bestimmen (Bense et al. 2016). In der Geothermie werden ADTS-Systeme vor allem für sog. Enhanced Thermal Response Tests verwendet, um entlang von Erdwärmesonden effektive Wärmeleitfähigkeiten bestimmen zu können (Zhang et al. 2020). Entscheidend für die Qualität der Temperaturmessungen und der aus diesen abgeleiteten Eigenschaften und Prozesse sind neben der Messdauer aber insbesondere die Spezifika der Geräte und Kabel. Letztere haben sich über die letzten Jahre zu immer genaueren Systemen entwickelt.

Mit einem neuen ADTS werden aktuell im Testfeld Rock Garden der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg zahlreiche aktive und passive Temperaturmessungen durchgeführt. Ergebnisse einer ersten DTS Messung vom 20.07.21 in einer 40 m tiefen Bohrung (15 m Stahlverrohrung, 25 m nicht verrohrt im Festgestein) im zentralen Bereich von Rock Garden zeigen ein detailreiches Temperaturprofil und erlauben eine erste Beurteilung der Genauigkeit des ADTS im Geländeeinsatz. Das Temperaturprofil zeigt in einer verrohrten Tiefe von 0 bis 6 m einen kontinuierlichen Temperaturabfall von 19,90 °C auf 11,90 °C. In den ebenfalls verrohrten Teufen zwischen 6 m und 15 m steigt die Temperatur nahezu linear auf 12,30 °C. Im nicht verrohrten Bereich von 15 m bis 27 m stagniert die Temperatur. In den Teufen 27 m bis 40 m nimmt die Temperatur dann weiter ab, um in 40 m eine Temperatur von 12,15 °C zu erreichen. Die Ergebnisse basierend auf Wiederholungsmessungen zeigen eine Genauigkeit von 0,03 °C bei einer Auflösung von 0,001 °C. Aus der räumlichen Abtastrate von 0,25 m des DTS lässt sich eine räumliche Auflösung von ca. 0,5 m ableiten. Die Ergebnisse sind vielversprechend für die Anwendung an weiteren Standorten, und sie liefern die Basis für ein zeitlich-räumlich hochaufgelöstes Temperaturmodell des Testfeldes.