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GeoGeo‐‐electrical Methodselectrical Methodsfor Geothermal Explorationfor Geothermal Exploration

Dr. Hendra GrandisFaculty of Mining and PetroleumFaculty of Mining and Petroleum Engineering ‐ ITB

Electrical Properties of RocksElectrical Properties of Rocks

Electric currents flowing through a rock formation are mostly due to pore fluids.

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Electrical Properties of RocksElectrical Properties of Rocks

An electrical model for a porous rock containing pore fluids (water).

Conductivity Conductivity –– Salinity Salinity –– TemperatureTemperature

Conductivity of electrolyte fluid as function of salinity. 

Conductivity of NaCl as function of salinity and temperature. 

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Archie’s LawArchie’s Law

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Archie’s Law CurveArchie’s Law Curve

Archie’s→

Archie’s Law CurveArchie’s Law Curve

Bulk resistivity as a function of pore fluid resistivity fordifferent temperatures and porosities (Flóvenz et al., 1985).

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Resistivity of RocksResistivity of Rocks

Alteration Mineralogy Alteration Mineralogy 

Low resistivity layer →may indicate cap‐rockof a geothermal systemg y

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Alteration and Resistivity Alteration and Resistivity 

T V l i Z NZTaupo Volcanic Zone, NZApparent resistivity mapAB/2 = 500 m

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77

T V l i Z NZTaupo Volcanic Zone, NZApparent resistivity mapAB/2 = 1000 m

Resistivity Structure from MTResistivity Structure from MT

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Resistivity Resistivity Structure Structure from MTfrom MT

MT, CSAMT and Well DataMT, CSAMT and Well Data

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99

MT, CSAMT and Well DataMT, CSAMT and Well Data

Geothermal GradientGeothermal Gradient

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1010

ConductivityConductivity –– Temperature RelationshipTemperature Relationship

• Arrhenius equation 

→ Reaction rate vs. temperature

ConductivityConductivity –– Temperature RelationshipTemperature Relationship

• Arrhenius equation 

→ Extension to conductivity vs. temperature

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−σ=σ

TRE

T exp0

ET −σ=σ 0lnln

TRT σσ 0lnln

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1111

Arrhenius Equation CurveArrhenius Equation Curve

Linear relationship between (ln Linear relationship between (ln σσTT) and () and (TT--11))

ResistiResistivityvity –– Temperature RelationshipTemperature Relationship

• Arrhenius equation 

→ Resistivity vs. Temperature

→ Differentiation with respect to depth (z) with 

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ρ=ρ

TRE

T exp0 TRE

T +ρ=ρ 0lnln

discrete approximation

zT

TRE

zT ∆∆

−=∆

ρ∆ρ 21

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1212

ResistiResistivityvity –– Temperature RelationshipTemperature Relationship

→ Resistivity gradient ~ Temperature gradient

zT

TRE

zT ∆∆

−=∆

ρ∆ρ 21

z∆ρ∆

zT ∆ρ∆

ρ1

↑ ↑resistivity resistivity gradient gradient

(un‐normalized)

ρ = 1000 Ohm.m ρ = 1090 Ohm.m

ResistiResistivityvity GradientGradient

z =100 m

z = 1000 m

ρ = 10 Ohm.m ρ = 100 Ohm.m

=  = z∆ρ∆

z∆ρ∆

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ρ = 1000 Ohm.m ρ = 1090 Ohm.m

ResistiResistivityvity GradientGradient

z =100 m

z = 1000 m

ρ = 10 Ohm.m ρ = 100 Ohm.m

zT ∆ρ∆

ρ1

zT ∆ρ∆

ρ1

=  = 

Estimation of Estimation of GradientGradient

• High resistivity gradient (normalized) implies high temperature gradienttemperature gradient

→ can be used to delineate high temperature gradient area, but not the value of T

zT

TRE

zT ∆∆

−=∆

ρ∆ρ 21

g ,

• Ideally, resistivity gradient is estimated from 1‐D resistivity model, i.e. inversion of sounding curve (log ρa vs. log AB/2)

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Estimation of Estimation of GradientGradient

• High resistivity gradient (normalized) implies high temperature gradienttemperature gradient

→ can be used to delineate high temperature gradient area, but not the value of T

zT

TRE

zT ∆∆

−=∆

ρ∆ρ 21

g ,

• Resistivity sounding curve (log ρa vs. log AB/2) qualitatively represents ρ vs. z

→ approximation of resistivity gradient (?)

Apparent Resistivity GradientApparent Resistivity Gradient

• Approximation of resistivity gradient by apparent resistivity gradient:resistivity gradient:

→ fitting a straight line to descending end of theresistivity sounding curve (log ra vs. log AB/2)

→ use the lowest apparent resistivity value in the descending branch as  ρT  to obtain normalized 

i i i diapparent resistivity gradient 

2/loglog

ABza

∆ρ∆

≈∆

ρ∆2/log

log11ABz

a

CT ∆ρ∆

ρ≈

∆ρ∆

ρ

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Apparent Resistivity GradientApparent Resistivity Gradient

Apparent Resistivity GradientApparent Resistivity Gradient

• Apparent resistivity gradient map usually delineates anomaly better than apparent resistivity mapanomaly better than apparent resistivity map

• Similar technique may be applied to MT sounding data (log ρa vs. log T)  

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Apparent Resistivity GradientApparent Resistivity Gradient

Apparent Resistivity GradientApparent Resistivity Gradient