Mitglied werden Sponsor werden

Erdbeben, induziertes

Jährliche Anzahl der Erdbeben weltweit in Abhängigkeit von der Magnitude. Quelle: BGR

Unter Induzierter Seismizität (Induzierte Erdbeben) versteht man eine Beschreibung der Erdbebenaktivität in einer definierten Region. Seismizität definiert sich dabei durch eine Beschreibung der:

  • Häufigkeit von Erdbeben
  • statistischen Verteilung der Bebenstärken (Magnituden)
  • räumlichen Verteilung der Beben (Epizentren)
  • Tiefenverteilung der Beben (Hypozentren)
  • Makrobeobachtung einzelner stärkerer Ereignisse (Bebenintensität, Schadensbilder)
  • und anderer relevanter Größen und Beobachtungen.

Induzierte Seismizität ist eine besondere Art von Seismizität, wobei menschliches Handeln die Seismizität beeinflusst. Im Engeren versteht man dabei unter ‚induziert’ solche Ereignisse, die in ihrem Auftreten und in ihrer Intensität durch die menschliche Einwirkung bestimmt sind und unter ‚getriggert’ natürliche Ereignisse, bei denen zwar der Zeitpunkt des Auftretens durch die menschliche Einwirkung bestimmt wurde, jedoch nicht deren Intensität. Unter Umständen kann damit, indem ein natürliches ('ready to go’) 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).

Eine genaue Unterscheidung zwischen induzierten und getriggerten Ereignissen ist oft schwer möglich. Eine zunächst vorgenommene Definition, nach der man von induziert nur sprach, wenn die im Ereignis umgesetzte Energie vorwiegend aus der menschlichen Einwirkung bezogen wurde, hat sich als nicht brauchbar erwiesen. Heute differenzieren die meisten Autoren nach der räumlichen Zuordnung. Im Zusammenhang mit der Stimulation eines geothermischen Reservoirs macht es demnach trotzdem Sinn, zu unterscheiden, zwischen induzierten Beben, deren Herde sich innerhalb des unmittelbar von der Wasserinjektion betroffenen Gesteinsvolumen befinden und dessen Herddimensionen, die die Ausdehnung dieses Volumens nicht überschreiten, und getriggerten Beben, deren Herde entweder außerhalb dieses Volumens liegen oder, falls sie darin liegen, deren Herdausdehnung wesentlich größer ist als dieses Volumen.

Ursachen

Induziert werden können seismische Ereignisse durch eine 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)
  • Bohrungen (Thermalwasser, Mineralwasser)
  • Frackarbeiten 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 nicht zur Erzeugung großräumiger Bruchvorgänge ausreicht. Die überwiegende Mehrzahl induzierter Ereignisse wird nur von Messgeräten aufgezeichnet und nicht gespürt. Sie haben oft kleine oder gar negative Magnituden (Lokale Magnitude nach Richter, Ml, oder neuzeitlicher Momenten- Magnituden Mw) und übersteigen selten die Magnituden 2 oder 3, also Magnituden, die in der natürlichen Seismizität Alltag sind:

Magnitude 2-3       ca. 1000 Ereignisse täglich weltweit

Magnitude 3-4       ca. 150 Ereignisse täglich weltweit

Der natürlichen Seismizität vergleichbar große Ereignisse der induzierte Seismizität traten bisher vorwiegend bei der Befüllung großer Talsperren auf. Hier wurden Magnituden bis zu 6 beobachtet.

Passive Seismik (Exploration)

Infolge der Registrierung einer Vielzahl kleiner Ereignisse (unterhalb der Fühlbarkeitsgrenze) und deren Auswertung hat sich eine neue Explorationsmethode, die so genannte ‚Passive Seismik’, entwickelt. Sie ist besonders erfolgreich im Zusammenhang mit Methoden der sekundären und tertiären Erdöl-/Erdgasförderung. Viel angewendet wird diese Methode auch in der Geothermie zur Erkundung von Hochenthalpie- Wasser/Dampf Lagerstätten und zur Kartierung der Fracarbeiten in Tiefbohrungen. Ihr Potenzial für hydrothermale Dubletten (im Betrieb) ist noch wenig erforscht.

Da sowohl induzierte als auch natürliche Seismizität ihre Energie vorrangig aus dem Spannungsfeld der Erde beziehen, könnte man annehmen, dass  induzierte Seismizität nur in Regionen auftreten kann, in denen es auch natürliche Seismizität gibt. Es ist aber durchaus möglich, dass auch in Regionen, in denen keine Erdbeben auftreten, dennoch erhebliche Spannungen im Untergrund vorhanden sind, diese aber natürlicherweise ausschließlich aseismisch (durch Kriechen) abgebaut werden. Induzierte Seismizität ist auch aus derartigen aseismischen Gebieten bekannt. Beispiele sind die nord-ost-holländischen Gasfelder, aber auch das Ruhrgebiet. In jedem Fall ist induzierte Seismizität in seismisch aktiven Gebieten anders zu sehen als in aseismischen Gebieten, da in seismischen Gebieten von vorn herein davon ausgegangen werden kann, dass das lokale Spannungsfeld höhere Spannungen aufweist und die Gesteine zu einem Spannungsabbau durch Bruchvorgänge neigen. Insgesamt verändert auch dort die induzierte Seismizität die Gesamtseismizität meist nur unwesentlich, da sie ja nur die Zeiten des Auftretens von Ereignissen und eventuell die statistische Verteilung der Ereignisstärken  verändert, nicht aber Einfluss darauf hat, ob Ereignisse überhaupt auftreten oder nicht.

Geomechanik

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 Scherspannungen nun (z. B. durch Plattentektonik) stetig an, wird dieser Zustand eines Tages eintreten. In einem bereits zerbrochenen Gesteinskörper (post failure) werden Scherbewegungen meist auf vorab vorhandenen Klüften stattfinden. Hier setzt die Bewegung dann ein, wenn die Scherspannungskomponente in Rissrichtung 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, insbesondere der Scherspannungen, z. B. durch Füllung einer Talsperre (Druckbeaufschlagung) oder das Schaffen von Hohlräumen mit entsprechenden Rand- Zusatzspannungen.

Änderung der Haftreibung längs der Risse, beziehungsweise Reduzierung der Normalspannungen auf diesen Rissen beispielsweise durch Erhöhung des Porendrucks auf der Störfläche.

Bedeutung in der Geothermie

Wie bei allen andern Aktivitäten unter Tage besteht auch bei der Tiefengeothermie eine latente Gefahr induzierter Seismizität. Entscheidend ist es in seismisch aktiven Gebieten, zu betrachten, ob diese die Gesamtseismizität relevant ändert. Dieses kann nur abgeschätzt werden durch eine Analyse der natürlichen Seismizität der Region und durch eine Betrachtung, wie diese durch geothermische Installationen verändert werden könnte. Derartige Analysen setzen eine gute Datenlage voraus. Da Magnitudenverteilungen exponentiell abnehmend sind (Gutenberg-Richter Beziehung), also kleine Ereignisse viel häufiger auftreten als große, kann eine ausreichende statistische Datenbasis nur erreicht werden, wenn kleine (nicht spürbare) Ereignisse in großer Zahl beobachtet werden. Aus den statistischen Gegebenheiten dieser kleinen Ereignisse wird dann auf das Auftreten großer Ereignisse (die ja immer nur in einer für statistische Betrachtungen nicht ausreichenden Zahl auftreten) extrapoliert. So lässt sich z. B. abschätzen, welche Maximalereignisse in einer Region denkbar sind und wie wahrscheinlich sie sind (Auftretenshäufigkeit, statistischer Zeitabstand zwischen dem Auftreten, return period).

Bei einer ausreichenden Ausstattung der Region mit Messgeräten (vergl. Richtlinie GTV 1101) sind derartige Untersuchungen auch für induzierte Ereignisse möglich. Hierbei müssen insbesondere sehr kleine Ereignisse beobachtet werden, um eine ausreichende Datenbasis zu erhalten.

Die Art und Weise, wie genau geothermische Aktivitäten starke Ereignisse induzieren können, sind noch Gegenstand der Forschung. Für gesicherte Aussagen gibt es (glücklicherweise) viel zu wenig derartige (starke) Ereignisse. Erkenntnisse aus anderen Bereichen, wie der Erdöl/ Erdgas Produktion oder der Injektion von Fluiden (flüssigen Abfällen) können hilfreich sein. Sicher ist, dass wir zwischen

  • der Errichtungsphase (Bohrarbeiten, Fracarbeiten in den Bohrungen) und
  • der Betriebsphase (stationärer Betrieb und betriebsübliche Besonderheiten)

unterscheiden müssen. Forschungsprojekte für beide Phasen sind angelaufen, denn das Verstehen ist auch hier die Grundlage für das Vermeiden. Analoge Forschung auf andern Gebieten der induzierte 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. Dies sind beispielsweise:

  • Einpressgeschwindigkeit bzw. Einpressdruck
  • Einpressmenge und Einpressdauer
  • Chemische und physikalische Fluideigenschaften (Dichte und Viskosität)
  • Einpressbereich (Bohrlochabschnitt)
  • Temperaturunterschiede zwischen eingepresstem Fluid und dem Gestein
  • Lage und Ausmaß angeschlossener Horizonte bzw. Störungszonen
  • Die zeitlichen Änderungen dieser Betriebsgrößen.

Die Vielzahl dieser Einflussfaktoren lässt erwarten, dass es gelingen kann, durch eine geeignete Wahl dieser Größen die Gefahr Induzierter Seismizität besser zu beherrschen, genauer gesagt, die induzierten Ereignisse in einem Magnitudenbereich möglichst unterhalb der Fühlbarkeit und erst recht unterhalb der Schadensgrenze zu halten.

Literatur

Gross, Fritschen, Ritter: Untersuchung induzierter Erdbeben hinsichtlich ihrer Spürbarkeit und eventueller Schadenswirkung anhand der DIN 4150. In: Bauingenieur Nummer 88 (2013)

Leydecker: Erdbebenkatalog für Deutschland mit Randgebieten für die Jahre 800 bis 2008. In: Geologisches Jahrbuch Nummer E 59 (2011), S. 1-198

Beall, M.J., Stark, M.A., Smith, J.L. & Kirkpatrick, A.: Mircoearthquakes in the Southeast Geysers Before and After SEGEP Injection. In: Geothermal Resources Council Trans. : (1999), Nummer 23, S. 253-259

Benjamin Edwards, John Douglas: Magnitude scaling of induced earthquakes. In: Geothermics Nummer 52 (2014), S. 132-139

Boucher, G, A. Ryall, and A.E. Jone: Earthquakes associated with underground nuclear explosions. In: J. Geophys. Res. , 74, Nummer 74 (1969), S. 3808

Chiou, B., Youngs, R., Abrahamson, N., and Addo, K: Ground-motion attenuation model for small-to-moderate shallow crustal earthquakes in California and its implications on regionalization of ground-motion prediction models. In: Earthquake Spectra , v. Nummer 26 (2010), S. 907-926

Chung , W.Y., Liu , C.: The Reservoir - associated Earthquakes of April 1983 in Western Thailand: source modeling and implications for induced seismicity. In: Pure and Applied Geophysics Nummer 138 (1992), S. 17-41

Davis & Frohlich: New Objective Criteria to Determine if Fluid injection has Induced Earthquakes. In: EOS Transactions Nummer 68 (44) (1987), S. 1369

Davis, S. D., Frohlich , C.: Did (or will) fluid injection cause earthquakes?: Criteria for a rational assessment. In: Seismological Research Letters Nummer 64 (1993), S. 207-224

Deichmann, N. and Giardini, D. : Earthquakes induced by the stimulation of an Enhanced Geothermal System below Basel (Switzerland). . In: Seism Res Letters Nummer 80(5):doi:10.1785/gssrl.80.5.784. (2009)

Evans, J.R., Eberhart-Phillips, D., Thurber, C.H.: User\'s Manual for Simulps12 for maging Vp and Vp/Vs: A Derivative of the “Thurber” Tomographic Inversion Simul3 for Local Earthquakes and Explosions. 94-431. Aufl. U. S.Geological Survey , 1994

Fehler, M., House, L., and Kaieda, H. : Determining planes along which earthquakes occur: Method and application to earthquakes accompanying hydraulic fractures. . In: J Geophys Res Nummer 92 (1987), S. 9407–9414

Weitere Literatur unter Literaturdatenbank und/oder Konferenzdatenbank