Petrophysical, thermal and geomechanical characterisation of crystalline rocks in the South German Molasse Basin for the development of deep geothermal energy systems
Weydt, Leandra M.; Fuchs, Sven; Sass, Ingo; Falk, Heike; Reinhold, Carsten; Longfield, Stephen
Zeitschrift der Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften (2026)
123 references
published online: Nov 3, 2026
manuscript accepted: Sep 17, 2026
final revised version received: Sep 16, 2026
manuscript revision requested: Jul 16, 2026
manuscript received: Jun 4, 2026
DOI: 10.1127/zdgg/0560
Abstract
The crystalline basement in Germany possesses a high potential for the development of geothermal systems for heat and electricity production, such as medium-deep borehole heat exchangers, enhanced geothermal systems, or closed-loop systems. Since the crystalline basement has not been a primary target for the oil and gas industry, the overall knowledge and data availability regarding its petrophysical, thermal, and geomechanical characteristics remain rather limited. As conductive heat transport dominates in low-permeable crystalline rocks, knowledge of their thermal properties, particularly how these properties may change with increasing reservoir depth and thus temperature, is of great importance. To address this data gap, rock samples from three quarries in the Black Forest, Upper Palatinate Forest, and Bavarian Forest representing outcrop analogues, as well as wellbore core samples from five vintage hydrocarbon wells located in the South German Molasse Basin were collected. The samples were first systematically analysed for their geochemical (XRF and ICP-MS analyses), petrophysical (grain and bulk density, porosity, permeability, magnetic susceptibility), thermal (thermal conductivity and diffusivity), and geomechanical properties (P- and S-wave velocities, Young’s modulus, Poisson’s ratio, uniaxial compressive strength, and tensile strength). To better assess their thermal properties under reservoir conditions, thermal conductivity, thermal diffusivity, and specific and volumetric heat capacity were measured at elevated temperatures of up to 275 °C using a Hot Disk device and a Calvet calorimeter. The petrophysical measurements yielded grain densities of 2.62–2.74 g cm–3 and bulk densities of 2.60–2.63 g cm–3, magnetic susceptibilities of 0.04–0.18 × 10–3 SI, combined with low matrix porosities (< 2%) and permeabilities in the range of < 10–17 to 10–20 m2. The majority of the dynamic and static geomechanical properties show only minor variability across the dataset, with the exception of uniaxial compressive strength and dynamic Young’s modulus, which range from 100 to > 210 MPa and 50 to 72 GPa, respectively. Geochemical and petrographic analyses further indicate variable degrees of tectonic overprint, and fluid-rock interaction within the wellbore core samples, which influence the measured rock properties. Thermal conductivity and diffusivity measured under ambient conditions range from 2.52 to 2.83 W m–1 K–1 and from 1.1 to 1.3 × 10–6 m2 s–1, respectively, and decrease by approximately 26% and 45% up to 275 °C. In contrast, specific and volumetric heat capacities show average values of about 750 J kg–1 K–1 and ~1.9 MJ m–3 K–1 at ambient temperature but increase significantly with temperature by about 22–30% and 46%, respectively. The results highlight the importance of determining site-specific thermal properties and their temperature dependence for reliable geothermal reservoir characterisation.
Kurzfassung
Das kristalline Grundgebirge in Deutschland besitzt ein hohes Potenzial für die Entwicklung geothermischer Systeme zur Wärme- und Stromerzeugung, beispielsweise für mitteltiefe Erdwärmesonden, Enhanced Geothermal Systems (EGS) oder geschlossene Systeme (Closed-Loop-Systeme). Da es in der Vergangenheit kein primäres Ziel von Erdöl- oder Erdgasbohrungen war, sind die Kenntnisse und die Datenverfügbarkeit hinsichtlich seiner petrophysikalischen, thermischen und geomechanischen Eigenschaften bisher gering. Da in gering permeablen kristallinen Gesteinen der konduktive Wärmetransport dominiert, ist die Kenntnis ihrer thermischen Eigenschaften essenziell, insbesondere bezüglich deren Veränderung mit zunehmender Reservoirteufe und somit steigender Temperatur. Um diese Datenlücke zu schließen, wurden Gesteinsproben aus drei Steinbrüchen im Schwarzwald, im Oberpfälzer Wald und im Bayerischen Wald als Aufschlussanaloga sowie Bohrkernproben aus fünf ehemaligen Kohlenwasserstoffbohrungen im Süddeutschen Molassebecken entnommen. Die Proben wurden zunächst hinsichtlich ihrer geochemischen (XRF- und ICP-MS-Analysen), petrophysikalischen (Rein- und Rohdichte, Porosität, Permeabilität, magnetische Suszeptibilität), thermischen (Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit) und geomechanischen Eigenschaften (P- und S-Wellengeschwindigkeiten, Elastizitätsmodul, Poissonzahl, einaxiale Druckfestigkeit und Zugfestigkeit) untersucht. Um die thermischen Eigenschaften unter Reservoirbedingungen besser zu erfassen, wurden mithilfe eines Hot-Disk-Geräts und eines Calvet-Kalorimeters die Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit sowie die spezifische und volumetrische Wärmekapazität bei erhöhten Temperaturen von bis zu 275 °C gemessen. Die petrophysikalischen Messungen ergaben Reindichten von 2,62–2,74 g cm–3 und Rohdichten von 2,60–2,63 g cm–3 sowie magnetische Suszeptibilitäten von 0,04–0,18 × 10–3 SI. Gleichzeitig wurden geringe Matrixporositäten (< 2 %) und Permeabilitäten im Bereich von < 10–17 bis 10–20 m2 festgestellt. Die Mehrzahl der dynamischen und statischen geomechanischen Eigenschaften zeigt über den gesamten Datensatz nur eine geringe Variabilität. Ausnahmen sind hierbei die einaxiale Druckfestigkeit und der dynamische Elastizitätsmodul, die Werte von 100 bis > 210 MPa bzw. 50 bis 72 GPa aufweisen. Die unter Umgebungsbedingungen gemessenen Werte für die Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit liegen im Bereich von 2,52–2,83 W m–1 K–1 bzw. 1,1–1,3 × 10–6 m2 s–1 und nehmen bei Temperaturen bis 275 °C um etwa 26 % bzw. 45 % ab. Im Gegensatz dazu weisen die spezifische und volumetrische Wärmekapazität bei Umgebungstemperatur mittlere Werte von etwa 750 J kg–1 K–1 bzw. 1,9 MJ m–3 K–1 auf und nehmen mit steigender Temperatur deutlich um ca. 22–30 % bzw. 46 % zu. Die geochemischen und petrographischen Analysen weisen auf unterschiedlich starke tektonische Überprägungen sowie Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen innerhalb der Bohrkernproben hin, die die gemessenen Gesteinseigenschaften beeinflussen. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Bestimmung standortspezifischer thermischer Eigenschaften und ihrer Temperaturabhängigkeit für eine zuverlässige Charakterisierung geothermischer Reservoirs.
Keywords
crystalline basement • German Molasse Basin • rock properties • high-temperature experiments • Kristallines Grundgebirge • Süddeutsches Molassebecken • Gesteinskennwertecharakterisierung • Hochtemperaturexperimente