I Kraftringens geotermianläggning cirkulerar köldmediet R134a som är en fluorerande växthusgas med relativt hög GWP (Global Warming Potential). När den nya F-gasförordningen trädde i kraft 2015 resulterade det i att priserna ökade markant på de köldmedierna med hög GWP. Kraftringen vill därför undersöka vilka konverteringsalternativ det finns till R134a, dels för att minska på kostnaderna men också för att minimera verksamhetens klimatpåverkan.   Olika köldmedier har jämförts med avseende på hur de påverkar anläggningens prestanda. Det har också undersökts vilka köldmedier som ligger inom rätt tryck med hänsyn till vad kompressorn och anläggningens rör är konstruerade för. Undersökningen har gjorts genom teoretiska beräkningar som är grundade på uppmätta värden från när värmepumparna går på maximal belastning. Vid urvalet av köldmedier har det utgåtts från samma förångningstemperatur och kondenseringstemperatur som vid mätningen.   I undersökningen fann vi två köldmedier, R152a och R450A, som skulle fungera som konverteringsalternativ i avseende att de ligger inom rätt tryck och temperatur. Båda alternativen har lägre GWP och en högre värmefaktor än nuvarande köldmediet R134a. Dock är R152a brandfarligt och har högre säkerhetsklass än de två andra medierna. / In the geothermal plant of 'Kraftringen' the refrigerant R134a, which is a fluorescent greenhouse gas with relatively high GWP (Global Warming Potential), circulates. When the new F-Gas regulation was introduced in 2015, it resulted in a significant price increase for high-pressure GWP refrigerants. 'Kraftringen' therefore wants to investigate which conversion options there are for R134a, partly to reduce costs, but also to minimize the climate impact of the business.   Different refrigerants have been compared with regard as to how they affect the plants performance. Moreover, it has been investigated which refrigerants are in the correct pressure range with regard to what the plants compressor and pipes are designed for. The survey has been done by performing theoretical calculations based on measured values from when the heat pumps operate at maximum load. In the refrigerant selection process, the same evaporation and condensation temperature as during the measuring was used.   In the study we found two refrigerants, R152a and R450A, which would serve as conversion options in terms of them being in the correct pressure and temperature range. Both options have lower GWP and a higher heat factor than the current refrigerant R134a. However, R152a is flammable and has a higher degree of safety than the other two refrigerants.

Les données de VSP multi-source/multi-offset acquises en 2007 sur le site géothermique de Soultz-sous-Forêts sont traitées et analysées. Des géophones placés dans les puits GPK3 et GPK4 entre 3 et 5 km de profondeur ont enregistré les ondes sismiques émises par deux vibrateurs placés en 24 positions de tir réparties dans un rayon de 5 km autour des puits. Après corrélation des enregistrements avec la source associée à chaque vibrateur, les différentes composantes du champ d'onde sont séparées par filtrage en vitesse apparente. La comparaison des résultats obtenus par filtrage médian ou dans le domaine FK montre des signaux similaires. Un modèle de vitesse est établi pour pouvoir calculer les temps d'arrivée. Il comporte deux couches sédimentaires sur le socle granitique et des interfaces planes pentées. Le champ d'onde descendant de forte vitesse apparente est interprété comme des réflexions sur des structures subverticales autour des puits. Leur pendage, azimut et extension latérale sont déterminés en ajustant les temps de trajet observés et calculés par tracé de rayons 3D. Les structures à pendage vers l'ouest connues par les observations en forage et la microsismicité sont retrouvées. Une structure antithétique nouvelle est déterminée. Nos résultats permettent de compléter le modèle structural de la fracturation dans le réservoir géothermique. / The vertical seismic profiles (VSP) acquired in 2007 with multi-component geophones placed at depths between 3 and 5 km in two wells at the Soultz-sous-Forêts geothermal site are processed and analyzed. The multi-offset, multi-azimuth VSP were acquired with two simultaneously vibrating sources located in 24 distinct shot positions. After correlation of the raw records with the proper sweep sequence, the different components of the wavefield are separated according to their apparent velocities. The results obtained by median or FK filtering are similar. A velocity model is created in order to compute traveltimes. Two layers in the sediments above the granitic basement are separated by plane dipping interfaces. The downgoing waves having a fast apparent velocity are interpreted as reflections on steeply dipping reflectors. The dip, the azimuth and the lateral extent of these structures away from the well are determined by fitting the observed traveltimes with those computed by 3D ray tracing. The west dipping structures already known from borehole logging and the trends of microseismicity are constrained. A new antithetic structure is determined. Our results improve the structural model of fracturation in the geothermal reservoir.

Le développement de l’énergie géothermique a conduit à l’exploitation de ressources établies dans des contextes géologiques et géodynamiques très variés. L’exploration géophysique de ces réservoirs complexes nécessite l’utilisation de plusieurs méthodes d’imagerie complémentaire. Ce travail de thèse porte sur l’exploration d’une ressource géothermique située en contexte de socle fracturé dans le Massif Central français par magnétotellurique, tomographie de bruit ambiant et gravimétrie.La magnétotellurique est une méthode d’imagerie 3D résolvante qui est sensible à la présence d’eau et aux argiles d’altération hydrothermale mais limitée par sa couverture spatiale. La tomographie de bruit sismique présente une bonne résolution verticale mais ne résout pas les variations horizontales de vitesse. Cette méthode est sensible aux variations des propriétés mécaniques des roches et donc aux milieux fracturés. Enfin la gravimétrie apporte une contrainte sur les variations lithologiques et possède une bonne résolution latérale mais une faible résolution verticale.Nous présentons une méthode d’inversion conjointe des données sismiques et gravimétriques sous contrainte d’un modèle de résistivité obtenu par inversion magnétotellurique indépendante. L’inversion conjointe nécessite de définir des couplages entre modèles. Par absence de connaissance a priori de relations pétrophysiques, nous avons couplé les modèles de densité, de résistivité et de vitesse avec une loi qui contraint les paramètres à être corrélés en moyenne. Cette stratégie vise à faire ressortir des relations caractéristiques des objets géologiques de la ressource géothermique.Cette méthodologie d’inversion conjointe a été testée sur des modèles synthétiques. L’application aux données réelles acquises dans le Massif Central a permis de définir une zone en profondeur de forte corrélation interprétée comme la transition ductile fragile. La partie intermédiaire des modèles, plus homogène, permet de distinguer différentes unités géologiques séparées par une zone de faille. Enfin la partie superficielle se distingue par une forte hétérogénéité des paramètres résultants probablement de processus d’altération de surface. / The development of geothermal energy has led to the exploitation of resources established in varied geological and geodynamic contexts. Geophysical exploration of these complex reservoirs requires the use of several complementary imaging methods. This PhD thesis focuses on the exploration of a geothermal resource located within the fractured basement in the French Massif Central using magnetotelluric, ambient noise tomography and gravimetry. Magnetotelluric is a 3D imaging method with a good resolution power that is sensitive to the presence of water and hydrothermal weathering clays but is limited by its spatial coverage. Seismic noise tomography has a good vertical resolution but does not resolve well horizontal velocity variations. This method is sensitive to variations of the mechanical properties of rocks and thus to fractured media. Finally gravimetry brings constraint on the lithological variations and has a good lateral resolution but lacks vertical resolution.We present a method of joint inversion of seismic and gravimetric data under the constraint of a resistivity model obtained by independent magnetotelluric inversion. Joint inversion requires defining model couplings. By lack of prior knowledge of petrophysical relationships, we have coupled the density, resistivity and velocity models with a law that constraints the parameters to be correlated on average.This strategy aims to bring out the characteristic relationships of the geological objects of the geothermal resource. This joint inversion methodology has been tested on synthetic models. The application to the real data acquired in the Massif Central has made it possible to define a deep zone of high correlation interpreted as the fragile ductile transition. The intermediate part of the models, more homogeneous, allows to distinguish different geological units separated by a fault zone. Finally the superficial part is distinguished by strong heterogeneity of the parameters resulting probably from surface alteration process.

Les études isotopiques couplées avec des informations géothermiques peuvent constituer des outils pertinents pour l’exploration des eaux souterraines en tant que ressources en eau potable ou géothermiques. Ce travail combine les deux approches, isotopes de l’environnement et radioactifs associés à des données de température sur des aquifères profonds, dans l’objectif d’enrichir et d’améliorer la connaissance des mécanismes de recharge (Bassin d’Aquitaine, France) ainsi que des mécanismes de recharge et du potentiel géothermique (Bassin Crétacé de Bohème, République Tchèque).Les isotopes stables (18O, 2H, 13C) utilisés conjointement avec des radioisotopes (14C, 3H) sont utilisés pour estimer l’époque de la recharge ainsi que les conditions climatiques qui prévalaient lors de l’infiltration depuis la fin de Pléistocène jusqu’à nos jours. Définir le type de recharge et les conditions d’écoulement est nécessaire pour parvenir à modéliser de façon satisfaisante et fiable les grands systèmes aquifères profonds. Trois types de recharge ont été définis en Europe - (i) continue, (ii) interrompue lors du dernier maximum glaciaire (LGM) – un troisième type (iii) correspond à des situations particulières de recharge.Les conditions géographiques et climatiques très différentes rencontrées en France et en République Tchèque ont engendrées une importante hétérogénéité des conditions et processus de recharge. Le sud de la France, avec un climat relativement doux depuis les derniers 40 ka BP, n’a pas enregistré d’interruption de la recharge. Le temps de séjour des eaux souterraines en Bohème est estimé à environ 11 ka BP au maximum. Cependant, l’appauvrissement des teneurs en isotopes stables enregistré suggère une recharge liée à la fonte de la calotte glaciaire Nord Européenne après le dernier maximum glaciaire (LGM), autour de 18-20 ka BP. Des investigations sur les isotopes du carbone minéral dissous des eaux souterraines du bassin de Bohème ont montrées d’importantes interactions avec différentes sources de carbone qui ont été identifiées.Pour le site d’étude tchèque, les informations apportées par la géochimie ont été complétées par des données géothermiques afin d’améliorer la connaissance des flux et de la dynamique des eaux souterraines. Plus d’une centaine d’enregistrements diagraphiques de température ont été utilisés pour estimer le gradient géothermique. Plusieurs phénomènes viennent perturber le gradient géothermique de la région. Les flux d’eau souterraine verticaux et les variations lithologiques et topographiques sont à l’origine d’une distribution complexe du flux de chaleur, étant majoritairement conditionné par les écoulements souterraines. Les discontinuités peu profondes et les nombreux pointements volcaniques exercent aussi une influence importante sur l’écoulement souterrain et donc aussi sur le potentiel géothermique du réservoir. Les investigations sur la géothermie ont ainsi fourni des informations fondamentales sur le potentiel géothermique mais aussi sur les conditions d’écoulement des eaux souterraines. La prise en compte de ces informations s’avère nécessaire afin de proposer des modèles mathématiques d’écoulement réalistes. / Isotopic investigations combined with geothermal applications represent powerful tools for the exploration of groundwater potential as a drinking or geothermal resource. This Ph.D. thesis combines both approaches, environmental and radioactive isotopes together with temperature data in deep aquifers, in order to enrich and update the knowledge concerning the aquifer recharge processes in the Aquitaine Basin (France) and the aquifer recharge processes and geothermal potential in the Bohemian Cretaceous Basin (Czech Republic).Stable isotopes (18O, 2H, 13C) combined with radioisotope data (14C, 3H) are used to estimate the recharge timing and climatic conditions prevailing during the infiltration from the Late Pleistocene up to modern time. The character of groundwater recharge and regime are necessary to generate relevant source data for the accurate modelling of complex groundwater systems. Three groups of groundwater recharge types can be distinguished throughout Europe – (i) continuous recharge and (ii) interrupted recharge during Last Glacial Maximum and (iii) a group corresponding to particular recharge conditions.The contrasted geographic and climate conditions at both study sites in France and Czech Republic have entailed a great heterogeneity of the recharge conditions and processes. Southern France, with generally mild climatic conditions during the last 40 ka BP, did not experienced considerable hiatus in groundwater recharge. The residence time of groundwater in the Bohemian aquifers is estimated about 11 ka BP at the maximum but the depletion in the stable isotopes suggests that this groundwater originates in the melting of the north European ice sheets after the Last Glacial Maximum period, i.e. 18-20 ka BP. Further investigations on both stable and radioactive carbon isotopes indicated numerous groundwater interactions within the reservoir that were used to delineate the carbon origin within the Bohemian aquifers.Information on groundwater geochemistry was supplemented in the Czech case study by geothermal data in order to improve our knowledge of groundwater flow and dynamics. More than a hundred of temperature records from well-logging measurements were used to assess the geothermal gradient in the Bohemian Cretaceous Basin which is the most promising heat accumulation within the country. Many phenomena can affect the thermal field in the region. Vertical groundwater flow and variations in the lithology and the topography lead to a complicated areal distribution of the geothermal gradient and the heat flux which is dominantly controlled by groundwater. Shallow tectonic structures and numerous volcanic rocks exercise an influence on groundwater flow and therefore exert a secondary effect on the thermal field. The geothermal investigation provided useful information on the geothermal resources within the region but also represents an important tool for understanding groundwater flow, and for constructing realistic hydrogeological models in such a complex geological, tectonic and geothermal context.

Le fluide chaud produit par les forages de la centrale géothermique de Bouillante (Guadeloupe) est enrichi en espèces dissoutes telles que la silice qui peuvent précipiter sous forme de dépôts solides lors de son refroidissement et gêner fortement la production électrique. L’un des principaux objectifs de ce travail de thèse a donc été d’améliorer l’état des connaissances sur les conditions physiques, chimiques et cinétiques de la précipitation de la silice amorphe à Bouillante. Après une étude des caractéristiques physico-chimiques des fluides et des dépôts associés au champ de Bouillante, des expériences sur la cinétique de précipitation de la silice, sur site, pour une large gamme de température (25 - 90°C) et de pH (4 - 12) ont été menées et analysées en détail.Pour l’ensemble de ces expériences, seule la polymérisation (réversible) de la silice dissoute, sous forme de suspensions colloïdales très stables en solution, a été observée. La modélisation des données expérimentales de cinétique montre que la vitesse de polymérisation de la silice suit une loi d’ordre 2 vis-à-vis de la silice dissoute jusqu’à l’équilibre en accord avec une dimérisation de la silice. Par contre, durant l’étape initiale de la réaction, une loi d’ordre 4 semble mieux adaptée, suggérant des réactions de polymérisation plus complexes avec formation de tétramères. La température a un effet limité sur la cinétique de polymérisation de la silice comparé à l’effet du pH qui est beaucoup plus important. L’énergie d’activation de la réaction globale est de 41 - 54 kJ pour des pH compris entre 5 et 8.La caractérisation de la silice précipitée a mis en évidence des différences notables entre la structure poreuse de la silice solide prélevée sur les installations de surface et celle de la silice colloïdale obtenue par polymérisation lors des expériences de cinétique, ce qui semble indiquer que des mécanismes différents interviennent dans ces deux contextes de précipitation de la silice dissoute.Le deuxième objectif de cette thèse était d’évaluer la possibilité de valoriser la silice extraite de l’eau géothermale de Bouillante dans un procédé de traitement des eaux naturelles par adsorption. Pour cela, les propriétés d’adsorption de la silice géothermale brute et fonctionnalisée par le poly(ethylèneimine) (ou PEI) ont été étudiées pour deux polluants : un colorant, le bleu de méthylène et un métal lourd, le plomb. Les résultats obtenus montrent que la silice brute possède une grande capacité d’adsorption vis-à-vis du bleu de méthylène. En outre, la fonctionnalisation de la silice par le PEI permet d’améliorer sa capacité d’adsorption vis-à-vis du plomb en solution, en accord avec un modèle cinétique du pseudo-second ordre suggérant une chimisorption. Le modèle d’isotherme de Redlich-Peterson est également en très bon accord avec les données expérimentales. / The hot geothermal fluid produced by the geothermal power plant of Bouillante (Guadeloupe) contains various dissolved components such as silica that can precipitate as solid deposits during their cooling and cause serious problems on the electricity generation. One of the aim of this study is to improve the understanding on the physical, chemical and kinetics conditions of the amorphous silica precipitation in the Bouillante geothermal field. After a study on the physical and chemical characteristics of the Bouillante fluids and deposits which can form during their exploitation, experiments on the kinetics of silica precipitation, on site, under a large range of temperature (25 – 90°C) and pH (4 – 12) have been carried out and analyzed in detail.During on site kinetics experimentations only dissolved silica polymerization (reversible) as colloidal gel, very stable in solution, was observed. Modeling of the experimental data showed that the kinetics polymerization is characterized by a 2-order kinetic law relative to dissolved silica until the equilibrium that is consistent with silica dimerization. On the other side, the initial stage of the reaction is better characterized by a 4-order kinetic law that suggested more complex polymerization reactions with tetramers formation.Temperature has a little effect on the polymerization kinetics compared with the pH which has an effect more important. The activation energy of silica precipitation calculated between 25 and 90°C, is about 41 - 54 kJ for pH ranging to 5 - 8.The characterization of the silica precipitate reveals significant differences in the porous structure of the silica collected on the surface installations and the one obtained from kinetic experiments that suggests different precipitation mechanisms. The second objective of this thesis was to evaluate the possibility to promote geothermal silica for the treatment of natural waters containing contaminants by adsorption. Adsorption properties of the untreated and functionalized by poly(ethylèneimine) (ou PEI) geothermal silica have been investigated for two pollutants: a colorant, the methylene blue and a heavy metal, the lead.Results showed that untreated silica has a great adsorption capacity concerning the methylene blue. Besides, silica functionalization by the PEI allows improving the adsorption capacity for lead in solution. The adsorption kinetics curves followed a pseudo-second order model consistent with a chimisorption. The isotherm model of Redlich-Peterson fitted well the experimental data.

L’objectif de cette thèse est de quantifier l’évolution de la surface réactive d’un silicate modèle (orthose) lors de son altération hydrothermale et estimer son impact sur la cinétique réactionnelle. L’étude porte sur : (1) l’influence de la présence de couverture de phases secondaires à même la surface de l’orthose, (2) l’impact de l’anisotropie de la structure cristalline de l’orthose et (3) l’effet de la formation de puits de corrosion en surface. Les résultats expérimentaux et numériques mettent en évidence que la vitesse de dissolution de l’orthose et son évolution au cours du temps dépendent essentiellement de sa morphologie.Certaines faces cristallines se dissolvent 10 fois plus rapidement que d’autres, entraînant une augmentation de la proportion de faces rapides au cours du processus et une élévation, jusqu’à un ordre de grandeur, de la vitesse de dissolution globale de l’orthose. Ces résultats ouvrent d’importantes pistes de réflexion sur la méthode adéquate pour rendre compte des cinétiques des interactions fluide/roche sur le terrain ainsi que sur la signification des lois de vitesse et des mécanismes réactionnels déterminés à partir d’expériences sur poudre. / This thesis aims at quantifying the reactive surface area evolution of dissolving K- feldspar, and evaluating the impact on the dissolution kinetics during its alteration in geothermal context. The study focuses on : (1) the influence of secondary coatings on the orthoclase surface, (2) the impact of the anisotropic crystalline structure of orthoclase and (3) the effect of etch pit formation on the mineral surface. Experimental and numerical results highlight that the orthoclase dissolution rate and its evolution over time mainly depends onits morphology. Some orthoclase faces dissolve 10 times faster than others, resulting in an increase of the surface proportion of rapid vs. slow dissolving faces during the process and the increase of up to an order of magnitude of the overall orthoclase dissolution rate. These results question the significance of rate laws and reaction mechanisms determined from powder experiments and the pave to new approaches for investigating mineral reactivity.

L'Eau Antarctique de Fond constitue la principale masse d'eau océanique par son volume, et nourrit la composante la plus profonde et la plus lente de la circulation océanique. Les processus qui régissent son cycle de vie sont donc clé pour la capacité de stockage de l'océan en carbone et chaleur aux échelles centennales à multi-millénaires. Cette thèse tente de caractériser et quantifier les principaux processus responsables de la destruction (synonyme d'allègement et de remontée) de l'Eau Antarctique de Fond dans l'océan abyssal. A partir d'une estimée issue d'observations de la structure thermohaline de l'océan mondial et de diagnostics fondés sur le budget de densité des eaux profondes, les rôles respectifs du chauffage géothermal, du mélange turbulent par déferlement d'ondes internes et de la géométrie des bassins sont évalués. Il est montré que la géométrie de l'océan gouverne la structure de la circulation de l'Eau Antarctique de Fond. La contribution du déferlement des ondes internes, bien que mal contrainte, est estimée insuffisante pour maintenir un rythme de destruction de l'Eau Antarctique de Fond comparable à celui de sa formation. Le chauffage géothermal a quant à lui un rôle important pour la remontée des eaux recouvrant une large surface du lit océanique. Les résultats suggèrent une réévaluation de l'importance du mélange au niveau des détroits et seuils profonds, mais aussi du rôle fondamental de la forme des bassins, pour l'allègement et le transport des eaux abyssales. / Antarctic Bottom Water is the most voluminous water mass of the World Ocean, and it feeds the deepest and slowest component of ocean circulation. The processes that govern its lifecycle are therefore key to the ocean's carbon and heat storage capacity on centennial to multi-millennial timescales. This thesis aims at characterizing and quantifying processes responsible for the destruction (synonymous of lightening and upwelling) of Antarctic Bottom Water in the abyssal ocean. Using an observational estimate of the global ocean thermohaline structure and diagnostics based on the density budget of deep waters, we explore the roles of basin geometry, geothermal heating and mixing by breaking internal waves for the abyssal circulation. We show that the shape of ocean basins largely controls the structure of abyssal upwelling. The contribution of mixing powered by breaking internal waves, though poorly constrained, is estimated to be insufficient to destroy Antarctic Bottom Water at a rate comparable to that of its formation. Geothermal heating plays an important role for the upwelling of waters covering large seafloor areas. The results suggest a reappraisal of the role of mixing in deep straits and sills, but also of the fundamental role of basin geometry, for the lightening and transport of abyssal waters.

A VSP test experiment at the high temperature geothermal field Krafla in NE-Iceland has been carried out. In two boreholes a zero-, far-, and multi-offset VSP were applied to assess the applicability of VSP as a method for delineating subsurface structures like magmatic bodies, zones of supercritical fluids, superheated steam, and high permeability in volcanic geothermal fields. Because of high well temperatures (>150°C) and high attenuating surface layers, challenging field preparations were necessary. Three-component seismic data were recorded with a sufficient signal-to-noise ratio and dominant signal frequencies around 20 Hz and 40 Hz, down to 2200 m depth, for air gun and explosive sources, respectively. As a result, the data provide a good basis for several processing and imaging techniques. As part of this Master\'s thesis, standard and novel processing techniques of a subset of the data (zero and far-offset VSP in a single well) have been tested and show promising results in accordance with the lithology from well data. Besides velocity profiles and a corridor stack for both P- and S-waves were determined, a 3D Kirchhoff depth migration and Fresnel volume migration have been applied and tested. Already for a single source location, results show structures in the vicinity and below the well, and it can be assumed that further interpretation and data integration will provide a great potential in addition to hitherto applied teleseismic and potential methods. Especially, for geothermal sites it has been shown, that VSP can be applied and provide information of geometries where dipping faults and fracture zones are expected. The research leading to these results has received funding from the European Community\'s Seventh Framework Programme under grant agreement No. 608553 (Project IMAGE).

Numerical analysis of multi-field problems in porous and fractured media is an important subject for various geotechnical engineering tasks such as the management of geo-resources (e.g. engineering of geothermal, oil and gas reservoirs) as well as waste management. For practical usage, e.g. for geothermal, simulation tools are required which take into account both coupled thermo-hydro-mechanical (THM) processes and the uncertainty of geological data, i.e. the model parametrization. For modeling fractured rocks, equivalent porous medium or multiple continuum model approaches are often only the way currently due to difficulty to handle geomechanical discontinuities. However, they are not applicable for prediction of flow and transport in subsurface systems where a few fractures dominates the system behavior. Thus modeling coupled problems in discretely fractured porous media is desirable for more precise analysis. The subject of this work is developing a framework of the finite element method (FEM) for modeling coupled THM problems in discretely fractured and non-fractured porous media including thermal water flow, advective-diffusive heat transport, and thermoporoelasticity. Pre-existing fractures are considered. Systems of discretely fractured porous media can be considered as a problem of interacted multiple domains, i.e. porous medium domain and discrete fracture domain, for hydraulic and transport processes, and a discontinuous problem for mechanical processes. The FEM is required to take into account both kinds of the problems. In addition, this work includes developing a methodology for the data uncertainty using the FEM model and investigating the uncertainty impacts on evaluating coupled THM processes. All the necessary code developments in this work has been carried out with a scientific open source project OpenGeoSys (OGS). In this work, fluid flow and heat transport problems in interactive multiple domains are solved assuming continuity of filed variables (pressure and temperature) over the two domains. The assumption is reasonable if there are no infill materials in fractures. The method has been successfully applied for several numerical examples, e.g. modeling three-dimensional coupled flow and heat transport processes in discretely fractured porous media at the Gross Schoenebck geothermal site (Germany), and three-dimensional coupled THM processes in porous media at the Urach Spa geothermal site (Germany). To solve the mechanically discontinuous problems, lower-dimensional interface elements (LIEs) with local enrichments have been developed for coupled problems in a domain including pre-existing fractures. The method permits the possibility of using existing flow simulators and having an identical mesh for both processes. It enables us to formulate the coupled problems in monolithic scheme for robust computation. Moreover, it gives an advantage in practice that one can use existing standard FEM codes for groundwater flow and easily make a coupling computation between mechanical and hydraulic processes. Example of a 2D fluid injection problem into a single fracture demonstrated that the proposed method can produce results in strong agreement with semi-analytical solutions. An uncertainty analysis of THM coupled processes has been studied for a typical geothermal reservoir in crystalline rock based on the Monte-Carlo method. Fracture and matrix are treated conceptually as an equivalent porous medium, and the model is applied to available data from the Urach Spa and Falkenberg sites (Germany). Reservoir parameters are considered as spatially random variables and their realizations are generated using conditional Gaussian simulation. Two reservoir modes (undisturbed and stimulated) are considered to construct a stochastic model for permeability distribution. We found that the most significant factors in the analysis are permeability and heat capacity. The study demonstrates the importance of taking parameter uncertainties into account for geothermal reservoir evaluation in order to assess the viability of numerical modeling.

Volcanic rifting environments, such as in Iceland, are challenging for conventional seismic reflection methods using active surface seismic sources. This study demonstrates the potential of a novel technique, called Virtual Reflection Seismic Profiling (VRSP) for imaging reflections in geothermal regions, like Hverahlíð, where a dense seismic array recorded a number of local microearthquakes for cross-correlation. Uppsala University, in collaboration with Reykjavik Energy, recorded seismicity in Hverahlíð using both seismometers and geophones. Acquired data were processed using the VRSP method, which applies seismic interferometry only to selected events, in this thesis local microearthquakes. Cross-correlation of the signal from a microearthquake recorded at one of the stations, which acts as a virtual source, with a ghost reflection recorded by the remaining receivers, produces a virtual shot gather. Stacking each station’s result, for all available events, and following a conventional multichannel processing sequence resulted in two stacked seismic images. Potential reflections observed in the obtained sections could be associated with major feed zones identified in the area by the borehole measurements. Eight dynamite explosions were processed with a conventional seismic reflection method, as a complementary source to the microearthquakes. In the produced stacked seismic section two potential reflections could be observed. Results from both passive and active datasets were 3D visualised to verify whether the reflections correspond to each other between sections. Two horizons were traced throughout all three stacked sections. One more interface appeared on two images obtained from processing the passive data. This study shows promising results for using natural sources to image the subsurface in a challenging environment.