Seismizität, induzierte

  

Seismizität, induzierte

 

Induzierte Seismizität ist eine besondere Art von Seismizität, wobei ‚induziert’ (oder ‚getriggert’) bedeutet, dass die Ereignisse durch bestimmte Vorgänge (meist anthropogener Natur) ausgelöst oder getriggert wurden. Mit Ausnahme des tiefen Bergbaus, bei dem große Mengen an Gestein aus dem Untergrund gewonnen werden, führen die auslösenden Vorgänge in der Regel dem System Erde nicht genügend Energie zu, um ein nennenswertes seismische Ereignis mit Energie zu versorgen. Das Ereignis bezieht seine Energie, wie bei natürlichen Ereignissen aus dem Spannungsfeld der Erde. Der Mechanismus des ‚Induzierens’ besteht also im Wesentlichen darin, einen bereits kurz vorm Bruch stehenden Bereich im Untergrund <Ready to go) so zu stören, dass er bricht. Unter Umständen kann damit, dass ein natürliches Ereignis zeitlich vorgezogen wird, das Spannungsfeld (zumindest geringfügig) umgestaltet werden. Neben dem zeitlichen Ablauf kann auch die statistische Verteilung der Ereignisstärken beeinflusst werden (beispielsweise viele kleine statt wenigen großen).

Induziert werden können seismische Ereignisse durch ein Vielzahl unterschiedlicher Eingriffe in den Untergrund wie:

-          Bau von Talsperren

-          Füllen und Entleeren von Talsperren (auch Pumpspeicherwerke)

-          Tiefbau

-          Tunnelbau

-          Bergbau (Tiefbau, Tagebau)

-          Steinbrüche (große)

-          Erdöl- Erdgasgewinnung

-          Unterirdische Speicher (Gas, Druckluft)

-          Verpressen von Fluiden (CCS)

-          Förderung von Thermalwasser/ Mineralwasser

-          Fracarbeiten in Tiefbohrungen

-          Andere Eingriffe in den Untergrund

In der Bandbreite der Stärken seismischer (natürlicher und induzierter) Ereignisse sind die induzierten Ereignisse meist weniger stark und erreichen nicht die Stärken natürlicher Ereignisse. Dies liegt unter Anderem daran, dass sie in vergleichsweise geringen Tiefen auftreten, wo die im Spannungsfeld gespeicherte Energie oder auch der zur Verfügung stehende Raum nicht zur Erzeugung großräumiger Bruchvorgänge ausreicht. Die überwiegende Mehrzahl induzierter Ereignisse wird nur von Geräten aufgezeichnet und nicht gespürt. Sie haben oft kleine oder gar negative Magnituden (Lokale Magnitude nach Richter, ML) und übersteigen selten die Magnituden 2 oder 3, also Magnituden, die in der natürlichen Seismizität Alltag sind:

Geomechanisch stellt sich nun die Frage, wie eine derartige Induzierung vonstatten gehen kann. In einem kompakten Gesteinskörper wird ein Scherbruch dann entstehen, wenn die Scherspannungen die Scherfestigkeit des Gesteins übersteigen. Wachsen diese Scherspannung nun (z. B. durch Plattentektonik) stetig an, wird dieser Zustand eines Tages eintreten. In einem bereits zerbrochenen Gesteinkörper (post failure) werden Scherbewegungen meist auf vorab vorhandenen Klüften stattfinden. Hier setzt die Bewegung dann ein, wenn die Scherspannungen die (Haft-)Reibungskräfte längs des Risses überschreiten. Da es also um den relativen Betrag zweier Größen geht, kann Induktion, also eine Bruchauslösung, durch Änderung einer dieser beiden Größen erfolgen:

-          Änderung des Spannungsfeldes z.B. durch Füllung einer Talsperre oder Druckbeaufschlagung oder das Schaffen von Hohlräumen

-          Änderung der Haftreibung längs der Risse.

Durch Einpressen von Wasser in Bohrungen wird sich das Spannungsfeld kaum ändern, dazu sind die eingebrachten Energien zu klein. Eine Aufweitung der Risse kann die Verzahnung durch die Rauhigkeit der Risswände jedoch weitgehend aufheben und so die Haftreibung stark reduzieren.


Induzierte Seismizität in der Geothermie:

Die Art und Weise, wie geothermische Aktivitäten größere seismische Ereignisse induzieren können sind noch weitgehend unerforscht. Für gesicherte Aussagen gibt es viel zu wenig derartiger Ereignisse. Es muss daher auf Erkenntnisse aus anderen Bereichen (meist Erdöl/ Erdgas, Injektion von Fluiden wie flüssigen Abfällen) zurückgegriffen werden. Sicher ist dass wir zwischen

-          der Errichtungsphase (Bohrarbeiten, Fracarbeiten in den Bohrungen) und

-          der Betriebsphase

unterscheiden müssen. Forschungsprojekte für beide Phasen sind angelaufen, denn das Verstehen ist die Grundlage für das Vermeiden. Analoge Forschung auf andern Gebieten der induzierten Seismizität (insbesondere im Rahmen der CCS Forschung) wird hier weitere Erkenntnis bringen. Sowohl bei der Errichtung als auch bei dem Betrieb von Anlagen gibt es eine ganze Reihe von Parametern, die auf das Induzieren von Ereignissen Einfluss haben können. Beim Fracen ist dies beispielsweise:

-          Einpressdruck

-          Einpressmenge

-          Einpressgeschwindigkeit

-          Einpressbereich (Bohrabschnitt)

-          Einpressdauer

-          Fracgröße

Die Vielzahl dieser Einflussfaktoren lässt hoffen, dass es gelingen kann, durch eine geeignete Wahl dieser Größen die Gefahr Induzierter Seismizität zu beherrschen, genauer gesagt die induzierten Ereignisse in einem Magnitutenbereich unterhalb der Fühlbarkeit und erst recht unterhalb der Schadensgrenze zu halten. Für den Betrieb sieht dies ähnlich aus.

 

 

Weiter lesen:Majer, E.L. et al. (2009): Induced Seismicity associated with Enhanced Geothermal Systems, Elsevier.

 

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