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Seismizität, induzierte

Induzierung von Seismizität durch Druckbeaufschlagung eines Risses.Quelle: Rüter

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
  • Tunnelbauten, U-Bahn Bauten
  • Starkregen
  • 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.

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 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.

Geschichte der induzierten Seismizitäts in Deutschland

Die größten induzierten Ereignisse waren nach G. Grünthal und W. Minkley (2005):

Datum

Ort oder Gegend

ML

I0

Aktivität

24.05.1940

Krügerschall (Saale-Revier)

4,9

VII

Kalibergbau

22.02.1953

Heringen (Werra-Revier)

5,0

VII-VIII

Kalibergbau

08.07.1958

Merkers (Werra-Revier)

4,7

VII

Kalibergbau

23.06.1975

Sünna (Werra-Revier)

5,2

VIII

Kalibergbau

13.07.1981

Ibbenbühren

4,1

VI

Kohlebergbau

13.03.1989

Völkershausen (Werra-Revier)

5,6

VIII-IX

Kalibergbau

16.05.1991

Ibbenbühren

4,3

VI

Kohlebergbau

11.09.1996

Teutschenthal (Saale-Revier)

4,9

VII

Kalibergbau

06.01.200.

Ibbenbühren

4,2

VI

Kohlebergbau

20.10.2004

Rotenburg/Wümme

4,5

 

Gasförderung

23.02.2008

Primsmulde/Saarland

4,0–4,2

 

Kohlebergbau

Induzierte Seismizität in der Geothermie

In Deutschland haben Ereignisse, die durch Geothermie induziert wurden, eine Magnitude von 2,3 nicht überschritten. Die Magnituden liegen deutlich unter den in obiger Tabelle angeführten Ereignisse anderer Bergbauzweige. Im Ausland ist, auch bei größeren Ereignissen ein Bezug zur Geothermie meist unklar.

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

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
  • Fracgeometrie (Größe, Richtung etc.)

Einflussfaktoren ('Stellschrauben')

Diese Einflussfaktoren geben eine Möglichkeit die induzierte Seismizität bei Geothermieprojekten zu beherrschen, sie ermöglichen also einen 'Kontrolliereten Betrieb' der Anlage. Dieser hat in der Regel zumindest die folgenden Komponenten:

  • Seismische Überwachung (Monitoring)
  • Reaktionsschema (Ampel)
  • Gutachterliche Begleitung
  • Fomalisierte Berichterstattung (Aufsichtsbehörden)
  • Öffentlichkeitsarbeit, Transparenz, Ombutsmann

Literatur

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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

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Weitere Literatur unter Literaturdatenbank und/oder  Konferenzdatenbank