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Seismische Gefährdung

Die seimische Gefährdung an einer bestimmten Lokation wird durch eine Gefährdungsanalyse untersucht.

Nach der üblichen Begriffsverwendung beschreibt eine seismische Gefährdungsanalyse (hazard analysis) die Auftretenswahrscheinlichkeit (pro Jahr) eines Ereignisses in Anhängigkeit von der Größe des Ereignisses. Beruht diese Abschätzung auf probabilistischen Daten, spricht man von einer PSHA (probabilistic seismic hazard analysis). Eine deterministische Abschätzung würde DSHA genannt.

Für eine vollständige seismische Risikoanalyse (probabilistic seismic risk analysis, PSRA) ist noch die Abschätzung der möglichen Schadenshöhe (Vulnerabilität) für ein Ereignis bestimmter Größe zu ergänzen.

Grundsätzliches

Es gibt einige Parameter, die Einfluss auf die seismische Gefährdung haben. Die Betrachtung dieser Parameter ersetzt nicht eine ausführliche Behandlung des Themas in einem Basisgutachten. Einie Punke sind:

Geologische Gegebenheiten
Deutliche natürliche Seismizität kann einen negativen Einfluss haben, setzt allerdings auch einen Rahmen.
Expansionsgebiete (Gräben) mit niedrigen Normalspannungen scheinen kritischer zu sein.
Matrixpermeabilit (Poren) ist weniger kritisch als Kluftpermeabilität. Hier stellt sich allerdings die Frage inwieweit eine statistische Permeabiltät kleiner Klüfte der Matrixpermeabilität zuzuordnen ist.
Ein geringer Abstand zum Grundgebirge oder ein Projekt ganz oder teilweise im Grudngebirge ist meist kritischer.
Gut permeables Grundgebirge scheint weniger kritisch.
Eine gute hydraulische Verbindung zwischen Deckgebirge und Grundgebirge scheint einen Einfluss zu haben.
Tiefere Projekte sind meist kritischer.
Projekte mit höheren Temperaturen erscheinen kritischer.
Operative Gegebenheiten
Projkete mit höherem Injektionsdruck sind kritischer.
Projekte mit höheren Fließraten sind kritischer.
Schnelle Wechsel der Operationsparameter (Produktionspausen) scheinen kritisch zu sein.

Ungeklärt ist, wann das Gebirge mehr zu einem Spannunsgabbau durch Kriechen neigt und es daher nicht zu Seismizität kommt. Gegenstand der Forschung ist auch, welche Rolle Änderungen der hydraulischen Drucke und welche Temperaturänderungen (thermoelastische Effekte) haben. Hier wird es eine zeitliche Verschiebung geben, so dass zunächst Druckeffekte maßgeblich sind, nach längerer Zeit (Jahre) aber Temperatureffekte.

Emissionsbetrachtung

Im Falle der seismischen Gefährdungsanalyse erfolgt üblicherweise eine Angabe über die Eintretenswahrscheinlichkeit eines Bebens mit einer Magnitude >M_L in einer vorgegebenen Region. Die üblicherweise angegebene Gutenberg-Richter Beziehung enthält eine Obergrenze für diese Angabe. Aus ihr lässt sich ablesen, wie viele Ereignisse mit Magnituden >M jährlich im Schnitt zu erwarten sind oder (bei seltenen größeren Ereignissen), ist es auch üblich anzugeben, wie groß der zeitliche Abstand zwischen zwei Ereignissen mit Magnituden >M im Mittel sein wird (Wiederkehrperiode, return period).

Immissionsbetrachung

Aus der Sicht möglicher Schäden (Immissions-Betrachtung) ist es sinnvoller statt des Überschreitens einer Magnitude die Überschreitenswahrscheinlichkeit eines vorgegebenen PGV-Wertes (z.B. 5 mm/sec) am Einwirkungsort darzustellen. Aus einer ausreichenden Datengrundlage von Messungen der PGV an einer Lokation mit einer DIN-konformen (DIN 4150, Teil 3) Datenerfassung oder ersatzweise aus umgerechneten PGV- Werten aus Magnitudenbestimmungen lässt sich auch hier eine, der Gutenberg-Richter Beziehung ähnliche, Darstellung erstellen, aus der man sieht, wie oft im Jahr an einer Lokation ein vorgegebener PGV- Wert (z.B. 5mm/sec) überschritten wird.

Die Abbildung zeigt eine derartige Darstellung für einen Geothermie Standort in Deutschland. Statistisch wird hier der DIN-Anhaltwert von 5 mm/sec, bis zu dem Schäden auszuschließen sind, alle 22 Jahre einmal überschritten, ein fühlbares Ereignis wird im Schnitt alle 1,6 Jahre auftreten.

Bezugsraum

Eine kritische Größe im Zusammenhang mit Magnitudenüberschreitungen ist (im Gegensatz zu den Überschreitenswahrscheinlichkeiten der PGV) der betrachtete Bezugsraum. Die Zahl der Ereignisse steigt natürlich mit der Größe der betrachteten Fläche. Bei der Seismologie natürlicher Ereignisse wird versucht, statistische Daten für geotektonisch homogene Bereiche zu erarbeiten. Die Überschreitenswahrscheinlichkeiten der PGV beziehen sich dagegen auf einen diskreten Einwirkungsort. Auch dies ist ein Grund, diese Darstellungsart zu bevorzugen.

Literatur

G. Grünthal, Ch. Bosse, D. Stromeyer: Die neue Generation der probabilistischen seismischen Gefährdungseinschätzung der Bundesrepublik Deutschland. GFZ Potsdam, 2009.

Amir Hossein HAKIMHASHEMI, Jeoung Seok YOON, Oliver HEIDBACH, Arno ZANG, Gottfried GRÜNTHAL, Günter ZIMMERMANN: FISHA - Forward Induced Seismic Hazard Assessment, Application to Synthetic Seismicity Catalog Generated by Hydraulic Stimulation Modeling, World Geothermal Congress (2015)

Brückner - Röhling, S., Espig, M., Fischer, M., Fleig, S., Forsbach, H., Kockel, F., Krull, P., Stiewe, H. & Wirth, H.: Projekt Gorleben, Standsicherheitsnachweise Nachbetriebsphase: Seismische Gefährdung. - Teil 1: Strukturgeologie. Archiv - Nr. 0128111, 183 S. Aufl. Hannover : Liag, 2002

Caccavale, van Eck, Dost, Kraaijpoel: Evaluating non-stationary seismic hazard for gas fields in The Netherlands, European Geothermal Conference (2013)

Dimitrios KARVOUNIS, Gischig, VALENTIN, Stefan WIEMER: EGS Probabilistic Seismic Hazard Assessment with 3-D Discrete Fracture Modeling, Stanford Geothermal Workshop (2014)

Kopera, Morales-Avilés, Schlittenhardt & Spies: Abschluss-Workshop: Untersuchung der seismischen Gefährdung aufgrund induzierter Seismizität bei tiefer geothermischer Energiegewinnung. In: MAGS EP4 (2013)

Weitere Literatur unter Literaturdatenbank und/oder Konferenzdatenbank.