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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), Abwasserverpressung
  • 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 ist.

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 (Störungsreaktivierung). 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. Durch Druck und Temperatur beeinflussen sie das Reaktivierungspotenzial. Eine Aufweitung der Risse, infolge der Verminderung der Normalspannung durch den Porendruck,  kann die Verzahnung durch die Rauhigkeit der Risswände jedoch weitgehend aufheben und so die Haftreibung stark reduzieren. Rissöffnung kann auch durch eine langfristige Abkühlung und somit Schrumpfung eines Gesteisnvolumens bewirkt werden.

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. Hiezu sind Modellrechnungen (THM-Modellierung) üblich. 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. Insbesondere lanfristig überwiegen die Einflüsse von Temperaturänderungen oft die von Porendruckänderungen. 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

Induzierte Seismische Ereignisse, die der Geothermie zugeordnet werden1

Ort

Magnitude/ Jahr

Details zu Zeit und Herdlokation

Geologie, Gestein, Spannung/ Maximaldruck [MPa]

Reservoitiefe (km), Bruchmechanismus

The Geysers, California, USA

4.6/ 1982

Am Rand der seismischen Woke

Metagrauwacke/ 7 MPa

3 km, Abkühlungsinduzierte Scherbewegung

Berlin, El Salvador

4.4/ 2003

2 Wochen nach shut-in, an eine vorher nicht gebrochenen Teil der Störung

Junge unverfestigte Vulkanite/ 13 MPa

2 km, Öffnen uns Schließen eines aktiven Bruches

Cooper Basin, Australia

3.5/ 2001

 

Granite mit 3.6 km Sedimentüberdeckung, TF/ 68 MPa

4.1 bis 4.4 km, Bewegung auf vorexistierenden horizontalen Brüchen

Alkmaar, Netherlande

3.5/ 2001

 

Sandstein, 2.6 bis 3.1 km Tiefe/ 18 MPa

2 km, Reactivierung des Roer Valley Rift Störungssystems, Gas Produktion

Basel, Sweiz

3.4/ 2006

Weige Stunden nach shut-in aber vor bleed-off, am Rand der seismischen Wolke

Granit, Sh= 0.7SV, SH(N144°E±14°)/ 30 MPa

4.4 to 4.8 km, voresistierende  en-echelon-Typ Scherzone

Soultz-sous-Forets, Frankreich

2.9/ 2003

In den Jahren 2000, 2003, 2004 nach shut-in

Granit, NF+SS, SH(N170°E)/ 16 MPa

4.5 to 5.0 km (GPK3), einzelne große tektonische BRuchzone

Landau, Deutschland

2.7/ 2009

Gegen Ende der zweiten Stimulation an der Basis der seismischen Wolke

Krystallines und sedimentäres Gestein, Sh<SV, SH(NS)/ 5 MPa

2.8 km, sich öffnende Scherbrücke

Paralana, Australien

2.5#, 2011

 

Sedimentbecken mit Grundgebirge unter 4km, TF/ 62 MPa

4 km, Aufschiebungs-Ereignisse

Rosmanowes, Cornwall, UK

2.0, 1987

 

Carnmenellis Granite, Batholite/ 16 MPa

2 km, System  natürlicher Brüche

KTB, Deutschland

1.2, 1994

 

Gneis, Metagabbro, SS(1-8 km), SH(N160°E)/ 53 MPa

9.1 km, Forschungsbohrung, Sich öffnende Scherbrüche

Groß-Schönebeck, Deutschland

-1.0#, 2007

 

Rotliegend Sandsteine, Vulcanite, NF, SH(N18°E)/ 60 MPa

4.1 km, insgesamt 80 Ereignisse

Anmerkungen:

  • Seismik: * Localmagnitude, # Momentmagnitude
  • Hydraulik: Pmax, maximum wDruck am Bohrkopf
  • Spannung: SH (maximum-), Sh (minimum, horizontal), SV (vertikal), SH Orientierung (N°E)
  • Bruch-Typ: NF (Abschiebung, normal faulting), TF (Aufschiebung, thrust faulting), SS Blattverschiebung, strike-slip faulting)

Direktverweise

  1. Yoon, Jeoung Seok, David Bruhn, Arno Zang, Overview of Geothermal Energy Projects in Europe and the G 592 EISER Project on Induced Seismicity, Tunnel & Underground Space Vol. 23, No. 6, 2013, pp. 581-592 dx.doi.org/10.7474/TUS.2013.23.6.581

Literatur

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Weitere Literatur unter Literaturdatenbank und/oder  Konferenzdatenbank.

Videos

https://www.youtube.com/watch?v=NJ87KJ0SOps

zuletzt bearbeitet August 2022, Änderungs- oder Ergänzungswünsche bitte an info@geothermie.de