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Erdbebengefährdung

Wahrscheinlichkeit des Überschreitens einer Schwinggeschwindigkeit an einem Geothermiestandort. Quelle: Morales

Unter Erdbebengefährdung (earthquake hazard) versteht man die Wahrscheinlichkeit, mit der an einem bestimmten Standort eine gewisse Erdbengröße innerhalb eines definierten Zeitraums erreicht oder überschritten wird.

Da die Erdbebengefährdung auf den Einwikungsort bezogen ist, handelt es sich um eine Immissionbetrachtung. Der Ort, an dem das Beben auftrat (Epizentrum), spielt hierbei keine Rolle. Als Maß für die Erdbebengröße sind Emissionsgrößen, wie Magnituden, in diesem Kontext ungeeignet. In Frage kommen:

Sollen die Untersuchungsergebnisse anhand der DIN 4150 beurteilt werden, sind Schwinggeschwindigkeiten (PGV) heranzuziehen. Üblich sind kumulative Darstellungen, also Überschreitenswahrscheinlichkeiten. Am interessantesten ist der Wert, wie oft die Schwinggeschwindigkeit 5mm/s überschritten wird, denn für Schwinggeschwindigkeiten unterhalb dieses Wertes schließt die DIN 4150 Schäden (auch kosmetische Schäden) an Bauwerken aus. Oft wird auch der Kehrwert der Häufigkeit angegeben, also eine Wiederkehr Periode (return period). Für ein Geothermiekraftwerk kann diese bezogen auf 5 mm/s beispielsweise 20 Jahre sein.

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. Im Falle der seismischen Gefährdungsanalyse erfolgt üblicherweise eine Angabe über die Eintretenswahrscheinlichkeit eines Bebens mit einer Magnitude >ML 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).

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 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. 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.

Die erdbebensichere Ausführung von Bauwerken (z. B. Atomkraftwerken) ist anders geregelt. Laut EUROCODE 8 ist hier diese Überschreitenswahrscheinlichkeit mit 10 % in 50 Jahren festgelegt. Es ist Aufgabe der Seismologen diese Erdbebengefährdung zu bestimmen und Aufgabe der Bauingenieure die Bauten entsprechend auszuführen.

Bedeutung in der Geothermie

Die induzierte Seismizität ist auch in der Geothermie ein wichtiges Thema. In Deutschland hat Geothermie und zwar sowohl die hydraulische Stimulation als auch der langjährigen Anlagenbetrieb noch nie zu nachgewiesenen und gerichtlich anerkannten Schäden geführt, also auch nicht zu kleinen kosmetischen Schäden wie Putzrissen. Auch im Ausland werden Schäden oft nur behauptet ohne dass sie nachgewisen wurden.

Dennoch ist die induzierte Seismizität meist eines der ersten Themen, wenn öffentlich Akzeptanz von Geothermianlagen diskutiert wird. Schon das Wort 'Erdbeben' ist ein natürlicher Angstauslöser und wird daher gerne von Bürgerinitiativen instrumentallisiert. Politik und Aufsichtbehörden haben populistisch auf den Druck der Öffentlichkeit reagiert und fordern heute in der Nachbarschaft von Geothermieanlagen oft eine seismologische Überwachung (Monitoring). Hierdurch werden zwar einerseits zusätzlich Kosten verursacht, andereseits dient diese Überwachung aber der Abwehr ungerechtfertigter Forderungen (Bergschadensvermutung).

Literatur

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 

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

Spies, T., & Schlittenhardt, J.: Untersuchung der seismischen Gefährdung aufgrund induzierter Seismizität bei tiefer geothermischer Energiegewinnung. Abschlußbericht für das Verbundprojekt MAGS - Konzepte zur Begrenzung der mikroseismischen Aktivität bei der energetischen Nutzung geothermischer Systeme im tiefen Untergrund, Einzelprojekt 4. 2014 

Wegler, U., Vasterling, M., & Bischoff, M.: Echtzeitauswertung induzierter Erdbeben und Gefährdungsabschätzung bei hydraulischen Stimulationen geothermischer Reservoire. Einzelprojekt 3 (EP3). Aufl. Abschlußbericht für das Verbundprojekt MAGS - Konzepte zur Tiefe Geothermie - mögliche Umweltauswirkungen infolge hydraulischer und chemischer Stimulationen 132 Begrenzung der mikroseismischen Aktivität bei der energetischen Nutzung geothermischer Systeme im tiefen Untergrund,, 2014 

Weitere Literatur siehe unter Literaturdatenbank und/oder Konferenzdatenbank.