Fundamental data and conceptual framework for the exploration of geothermal resources in the Himalaya-Karakoram Orogenic belt, northern Pakistan

by Muhammad Anees
Doctoral thesis
Date of Examination:2024-01-19
Date of issue:2024-04-08
Advisor:Prof. Dr. Jonas Kley
Referee:Prof. Dr. Jonas Kley
Referee:Prof. Dr. Mumtaz Muhammad Shah
Sponsor:German Academic Exchange Service
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10427

 

 

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Abstract

English

Northern Pakistan lies within the collision zone of the Indian and Asian plates comprising Himalaya, Kohistan, and Karakoram, with numerous hot springs associated with the Himalayan Geothermal Belt, extending 3000 km along the Himalayas. The magnitude of terrestrial heat flow and the characteristics of potential heat sources for the present geothermal systems in this belt are of great importance and interest in geoscientific disciplines. The geothermal exploration in this remote region is limited to a two-decade-old geochemical analysis of hot springs. At the same time, the rugged topography, limited road infrastructure, and harsh climate hinder any prospect of large-scale exploration. Despite the indication of high surface heat flow in neighboring Indian Kashmir, the absence of reliable geophysical data and petrophysical parameters prevents the establishment of the thermal state of the lithosphere, which is a prerequisite for geothermal modeling and evaluation. Moreover, high radiogenic heat production (RHP) and fast exhumation of the basement crystalline complexes and granitoid batholiths are assumed to contribute significantly to the upper crust’s heat flow. The focus of the thesis was to understand and assess the geothermal resources of the Himalaya-Karakoram region of Pakistan on a reconnaissance scale and provide the baseline information and zones of interest as potential targets for future detailed exploration. To this end, it concentrated on the following objectives: 1) Identifying the areas with high lineament density, thermal anomalies, and hydrothermal alteration associated with active and paleo-geothermal zones. 2) Estimating the magnitude and variation of radiogenic heat production in different lithological units and understanding its role and contribution to overall heat flow and local geothermal systems. 3) Petrological, geochemical, and petrophysical characterization of outcrop analogs of subsurface reservoirs. 4) Creation of conceptual geological and geothermal models for understanding the geothermal play-types in the area and propose potential development scenarios. A multi-method and multi-scale approach is followed, which started from a regional level large-scale study through remote sensing, geological mapping, and literature review to analyze and understand the tectonic mechanism and structural features, surface temperature patterns, and hydrothermal alterations. A portable gamma spectrometer was used to measure radioelement concentration on the ground. Lab analysis (XRD, optical and cathodoluminescence microscopy, XRF, ICP-MS) of altered and unaltered samples were carried out to determine the mineralogical, petrological, geochemical, and petrophysical properties. The remote sensing results confirmed the presence of high lineament density, thermal anomalies, and hydrothermal alteration in the regions close to hot springs and suture zones. The hydrothermal alteration results from remote sensing, later confirmed by XRD analysis, provided base information for subsequent field investigation. The radiogenic heat production in the Nanga Parbat Massif – NPM (with > 4 μWm-3) is classified as high heat-producing, the Karakoram batholith – KB (with 2 – 4 μWm-3) as moderately heat-producing, and the Kohistan-Ladakh batholith – KLB (with < 2 μWm-3) as low heat producing. Geochemical results indicate that the gneisses and granites of the NPM are mostly peraluminous alkaline S-type, enriched in REEs and radioactive elements, indicating partial melting and high fractionation. The granitoids of the KB are syenitic to granitic in composition, with the presence of REE-rich allanites in syenite. The KLB granitoids are calc-alkaline I-type and show depletion of REEs and radiogenic elements. Low matrix porosities (0.6 – 3.5%) and higher fault zone alteration indicate hydrothermal fluids’ feedback effect on the host rocks via alteration-induced permeability. The crustal-scale thermal models revealed that the surface radiogenic heat production cannot be extrapolated to mid-crustal depth in the case of a subducting or under-thrusting layer. This layer’s magnitude of heat production and thickness mainly control surface heat flow. Exhumation transports hot rocks to the surface, resulting in higher surface heat flow, even in an upper crust with low RHP. However, the lateral influence of exhumation is limited compared to the RHP. The shape of the near-surface isotherms is greatly influenced by topography, which gets expanded under mountains and compressed in valleys. A conceptual model explaining the genetic mechanism for current hot springs considers increased concentrations of radiogenic elements and high exhumation for increasing the geothermal gradient, which is accessed by meteoric waters via deep faults. Finally, combining multi-scale and multi-method studies, the Nanga Parbat region, central Karakoram, and eastern Karakoram are potential geothermal targets identified for detailed and site-specific investigations. This thesis suggests the presence of hydrothermal and hot-dry rock geothermal play types in these identified areas. The findings presented in this work provide new key data for understanding of the region’s geothermal regime on a larger scale and are fundamental for future geothermal exploration.
Keywords: Radiogenic heat production; Gamma spectrometry; Thermal model; Himalaya; Karakoram; Pakistan; Remote sensing; Granitoids; Geothermal characterization; Hydrothermal alteration

German

Nordpakistan liegt in der Kollisionszone zwischen der indischen und der asiatischen Platte, die den Himalaya, Kohistan und Karakorum umfasst. Der geothermische Gürtel des Himalaya erstreckt sich über 3000 km und weist zahlreiche heiße Quellen auf. Die Höhe des terrestrischen Wärmeflusses und die Charakteristik der potenziellen Wärmequellen in diesem Gürtel sind von großer Bedeutung und Interesse für das Verständnis und die Quantifizierung der geothermischen Systeme in der Region. Die geothermische Erkundung in dieser abgelegenen Region beschränkt sich bislang auf eine zwei Jahrzehnte alte geochemische Analyse heißer Quellen. Gleichzeitig erschweren die starke Topographie, die begrenzte Straßeninfrastruktur und das raue Klima eine groß angelegte Exploration. Obwohl es Hinweise auf einen starken Oberflächenwärmefluss im benachbarten indischen Kaschmir gibt, ist es aufgrund des Fehlens zuverlässiger geophysikalischer Daten und petrophysikalischer Parameter nicht möglich, die thermische Characterisitk der Lithosphäre zu bestimmen, was aber Voraussetzung für eine geothermische Modellierung und Nutzungsbewertung ist. Dabei wird davon ausgegangen, dass die hohe radiogene Wärmeproduktion (RHP) und die schnelle Exhumierung der kristallinen Grundgebirgskomplexe und granitoiden Batholithe wesentlich zum Wärmefluss in der oberen Kruste beitragen. Das Ziel dieser Arbeit war es, die geothermischen Ressourcen in der Himalaya-Karakorum-Region Pakistans auf einer Erkundungsebene zu verstehen und zu bewerten, sowie grundlegende Daten bereitzustellen und Areale zu identifizieren, die als potenzielle Ziele für künftige detaillierte Explorationen dienen sollen. Zu diesem Zweck konzentrierte sich das Projekt auf folgenden Ziele: (1) Identifizierung der Gebiete mit hoher Lineamentdichte, thermischen Anomalien und hydrothermaler Alteration in Verbindung mit aktiven und fossilen geothermischen Zonen, (2) Schätzung der Höhe und der Schwankungen der radiogenen Wärmeproduktion in verschiedenen lithologischen Einheiten sowie das Verständnis ihrer Rolle und ihres Beitrags zum gesamten Wärmefluss und zu lokalen geothermischen Systemen, (3) Petrologische, geochemische und petrophysikalische Charakterisierung von Aufschlüssen, die als Analogien zu krustalen Wärmereservoiren darstellen (4) Erstellung konzeptioneller geologischer und geothermischer Modelle zum Verständnis der geothermischen Vorkommen in dem Gebiet und Vorschläge zu potenziellen Entwicklungsszenarien. Es wurde eine multimethodische und multiskalige Strategie angewandt, die mit einer Studie auf regionaler Ebene durch Fernerkundung, geologische Kartierung und Literaturrecherche begann, um die tektonischen Mechanismen und strukturellen Merkmale, Oberflächentemperaturmuster und hydrothermale Veränderungen zu analysieren und zu verstehen. Ein tragbares Gammaspektrometer wurde zur Messung der Radioelementkonzentration an der Gesteinsoberfläche im Feld eingesetzt. Laboranalysen (XRD, optische und Kathodolumineszenz-Mikroskopie, XRF, ICP-MS) von alterierten und nicht alterierten Proben wurden durchgeführt, um die jeweilige Mineralogie zu bestimmen. Die Fernerkundungsergebnisse zeigen eine hohe Lineamentdichte, thermische Anomalien und hydrothermale Alteration in den Regionen in der Nähe von heißen Quellen und Suturzonen. Die Ergebnisse der Fernerkundung zur hydrothermalen Umwandlung wurden durch XRD-Analysen bestätigt, die eine Informationsgrundlage für die weitere Felduntersuchung vor Ort bildeten. Die radiogene Wärmeproduktion im Nanga-Parbat-Massiv (NPM) (mit > 4 μWm-3) wird als stark wärmeproduzierend eingestuft, der Karakoram-Batholith (KB) (mit 2 - 4 μWm-3) als mäßig wärmeproduzierend und der Kohistan-Ladakh-Batholith (KLB) (mit < 2 μWm-3) als gering wärmeproduzierend. Geochemische Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Gneise und Granite des NPM überwiegend peraluminöser, alkalischer S-Typ sind, der mit REEs und radioaktiven Elementen angereichert ist, was auf partielles Schmelzen und hohe Fraktionierung hindeutet. Die Granitoide der KB haben eine syenitische bis granitische Zusammensetzung, wobei im Syenit REE-reiche Allanite vorkommen. Die KLB-Granitoide sind vom kalkalkhaltigen I-Typ und weisen eine Verarmung an REEs und radiogenen Elementen auf. Niedrige Matrixporositäten (0,6 - 3,5 %) und eine stärkere Alteration von Störungszonen deuten auf einen Rückkopplungseffekt der hydrothermalen Fluide mit dem Wirtsgestein hin, was einealterationsbedingte Permeabilität zur Folge hat. Die thermischen Modelle auf der Krustenskala zeigen, dass die radiogene Wärmeproduktion an der Oberfläche im Falle einer subduzierenden oder unterschiebenden Kruste nicht auf die mittlere Krustentiefe extrapoliert werden kann. Die Höhe der Wärmeproduktion einer solchen Kruste und ihre Dicke bestimmen hauptsächlich den Wärmefluss an der Oberfläche. Durch die Exhumierung wird heißes Gestein an die Oberfläche transportiert, was zu einem höheren Wärmefluss an der Oberfläche führt, selbst in einer oberen Kruste mit niedrigem RHP. Der seitliche Einfluss der Exhumierung ist jedoch im Vergleich zur RHP begrenzt. Der Abstand der oberflächennahen Isothermen wird stark von der Topografie beeinflusst; er nimmt unter Bergen zu und ist in Tälern komprimiert . Ein konzeptionelles Modell, das den genetischen Mechanismus der heutigen heißen Quellen erklärt, geht von hohen Konzentrationen radiogener Elemente und einer starken Exhumierung aus, was zu einem erhöhten den geothermischen Gradienten führt. Meteorisches Wasser gelangt über tiefreichende Störungen in diese Zonen erhöhter Temperatur. Durch die Kombination von Multiskalen- und Multimethodenstudien wurden die Nanga Parbat-Region, der zentrale Karakorum und der östliche Karakorum als potenzielle geothermische Ziele für detaillierte und standortspezifische Untersuchungen identifiziert. Die Arbeit weist auf das Vorhandensein hydrothermaler und “Hot-Dry-Rock” geothermischen Systeme in diesen Gebieten hin. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse liefern neue Schlüsseldaten für das Verständnis des geothermischen Regimes der Region in einem größeren Maßstab und sind grundlegend für die zukünftige geothermische Exploration.
 
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