Wetenschap: Invloed van grondwater op temperatuur groter dan gedacht

Grondwaterstroming heeft een veel sterkere invloed op de temperatuur van de ondergrond van Zuid-Nederland dan tot nog toe werd aangenomen, blijkt uit een proefschrift dat maandag 21 mei wordt verdedigd aan de VU. Het is een interessante conclusie voor de aardwarmte-branche. Hoogteverschillen van 130 meter kunnen al genoeg stroming in het grondwater veroorzaken om de bodemtemperatuur met 30°C te verlagen. Dit blijkt uit het promotieonderzoek van aardwetenschapper Elco Luijendijk van de Vrije Universiteit in Amsterdam. Luijendijk maakte gedetailleerde reconstructies van de temperatuur van de bovenste kilometers van de aardkorst in het gebied van de Roerdalslenk in Zuid-Nederland, en verklaarde de resultaten met behulp van computermodellen die grondwaterstroming simuleren.

Grondwaterstroming De aarde is een waterrijke planeet. Niet alleen aan het aardoppervlak maar ook onder de grond bevinden zich grote hoeveelheden water. Het bevindt zich in de gesteenten die poreus zijn (dus kleine holtes bevatten, net als een spons). Net als het oppervlaktewater kan dit grondwater stromen. Hiervoor moet het gesteente behalve poreus ook doorlatend (permeabel) zijn, hetgeen betekent dat de holtes met elkaar in verbinding staan Grondwater stroomt als er drukverschillen optreden. Deze drukverschillen worden veroorzaakt door hoogteverschillen in de grondwaterspiegel. Omdat de grondwaterspiegel de bergen en dalen in het landschap volgt, zal het grondwater bij een gelijke permeabiliteit sneller stromen naarmate deze hoogteverschillen groter zijn – net als aan het aardoppervlak een beek die van een steile wand af raast sneller gaat dan de rivieren die door ons vlakke laagland stromen.

Grondwater en temperatuur
Grondwaterstroming heeft invloed op de temperatuur in de ondergrond. Omdat de temperatuur in de aarde toeneemt met de diepte, zal grondwater warmte naar boven brengen als het omhoog stroomt, en juist kou mee naar beneden nemen als het omlaag stroomt. Hoe groot dit effect is kan met computermodellen geschat worden, als er genoeg bekend is over de omstandigheden – en dan met name de doorlatendheid van het gesteente. Tot nu toe dacht men dat er flinke hoogteverschillen nodig waren om op deze manier een noemenswaardige temperatuurverandering te veroorzaken. Maar dat bleek dus mee te vallen. Luijendijk verzamelde onder meer gegevens over de huidige bodemtemperatuur uit boorputten in en rond de Roerdalslenk, die door Brabant en Limburg loopt. Tevens deed hij metingen aan gesteentemonsters uit deze putten, om ook het temperatuurverloop in de ondergrond in de geologische geschiedenis te achterhalen.

Stopwatch De meeste gesteenten bevatten radioactieve elementen. Hierin treedt radioactief verval op, waarbij het zogenaamde moederatoom overgaat in een ander (dochter-)atoom. Sommige elementen, zoals uranium, splijten met enige kracht en beschadigen daarbij het kristalrooster. De ouderdom van een gesteente kan dus bepaald worden uit de verhouding tussen het aantal moeder- en dochteratomen, of, in het geval van natuurlijke splijting van uranium, aan het aantal splijtsporen: hoe meer dochteratomen of hoe meer splijtsporen, hoe ouder het gesteente. Bij hoge temperaturen kunnen dochteratomen echter uit het kristalrooster ontsnappen, en kunnen de splijtsporen herstellen. In dit geval wordt de stopwatch die de jaren telt als het ware gereset, om weer opnieuw te gaan lopen als het gesteente enigszins is afgekoeld. De gemeten ouderdom geeft dus niet aan hoe lang het gesteente al bestaat, maar wanneer het voor het laatst de betreffende hoge temperatuur heeft bereikt. Met deze methode kan de temperatuurgeschiedenis van een gesteentemonster in kaart worden gebracht. De kennis van de geologische geschiedenis van de aarde is deels gebaseerd op deze temperatuurgeschiedenis. Dat een gesteentemonster op een bepaald moment een hoge temperatuur had kan bijvoorbeeld betekenen dat het zich toen op grote diepte bevond. Maar ook grondwaterstroming of magmatische activiteit in de ondergrond kunnen een rol gespeeld hebben.

_Luijendijk

Hydrothermaal systeem
In zijn promotieonderzoek toont Luijendijk aan dat hoogteverschillen van minder dan 130 meter in de Roerdalslenk al de oorzaak kunnen zijn van grondwaterstroming tot op een diepte van anderhalve kilometer. De huidige temperatuur van de ondergrond is daardoor op sommige plekken wel 30°C lager dan wanneer er geen stroming zou zijn. Bovendien bracht hij een tot nu toe onbekend hydrothermaal systeem in kaart, dat 70 miljoen jaar geleden water van tenminste 150°C van enkele kilometers diepte omhoog haalde. Hydrothermale systemen komen voornamelijk voor in gebieden met actieve vulkanen of magma in de ondergrond, maar in dit geval had het omhoog komende hete water een andere oorzaak.

Voorkeurspaden
¨Zeventig miljoen jaar geleden botsten de Afrikaanse, de Iberische en de Europese aardschollen op elkaar¨, legt Luijendijk uit, ¨de Alpen en de Pyreneeën zijn daarvan nu nog de getuigen. Dit zijn de kreukelzones veroorzaakt door die botsing, aan de randen van de toenmalige platen.¨ Niet alleen aan de randen maar ook op andere delen van de platen werd de boel echter samengedrukt. Ook delen van Nederland werden omhoog gestulpt, langs breuken in de korst. Luijendijk: ¨Het gesteente langs de breuken werd door deze bewegingen gekraakt, met als gevolg een sterke toename van de permeabiliteit.¨ De breuken werden hierdoor voorkeurspaden voor de stroming van warm grondwater uit grote diepte. 


_{Voorkeurspaden}

Conclusie
De conclusie van het onderzoek is dus dat een sterke thermische invloed van grondwaterstroming niet beperkt is tot gebieden met sterke hoogteverschillen of magmatische bronnen. En dat is handig om te weten – bijvoorbeeld bij het zoeken naar gunstige plekken om aardwarmte te winnen voor duurzame energie. De promotie zal plaatsvinden op 21 mei 2012 aan de Vrije Universiteit in Amsterdam

_{Bron: Kennislink} | Gewijzigd: 16 mei 2012, 13:14 uur, door Marga