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Senkung, Senkungszone

Bewegung an der Erdoberfläche. Die Pfeile zeigen horizontale Bewegungen an, die Farben die Vertikalbewegungen. Blau bedeutet Absenkung und Rot bedeutet Anhebung. Zu erkennen ist eine Absenkung um Landau (vermutlich durch die Entnahme von Erdöl) und Mannheim (vermutlich durch große Wasserentnahmen). Quelle: Fuhrmann

Der Begriff Senkungszone wird in der Geologie und im Bergbau verwendet, um ein Gebiet abzugrenzen, in dem natürliche oder anthropogen bedingte Senkungen der Erdoberfläche eingetreten sind oder aktuell eintreten. Jedwede Entnahme von Material (Volumen) aus dem Untergrund im Zuge bergbaulicher Tätigkeit führt zur Bergsenkungen und so in Summe zu einer Senkungszone. Neben materieller Entnahme kann Ursache für Bergsenkungen auch eine Verminderung des Porendrucks oder die Abkühlung eines Volumens im Untergrund sein.

Dies gilt für den traditionellen Tiefbau aber auch für Bohrlochbergbau auf Öl oder Gas. Während im deutsche Steinkohlenbergbau  Senkungen bis zu 16 Metern aufgetreten sind, bewegen sich die Senkungsbeträge  bei Öl und Gas im Dezimeterbereich, wobei die Entnahme von Öl oder Gas druchaus in mehreren Tausend Meter Tiefe erfolgt sein kann.

Auch die Entnahme von Grundwasser in großen Mengen (Wassergewinnung) kann zu Bergsenkungen im Dezimeterbereich führen. Keine Bergsenkungen wurden über geothermalen Dubletten beobachtet wo ja Entnahme und Einspeisung im Gleichgewicht stehen und in räumlicher Nähe sind.

Das Gegenstück zu einer Senkungszone wäre eine Hebung oder Hebungszone, beispielsweise durch Fluideinpressen (ohne gleichzeitige Entnahme). Nicht zu verwechseln ist dies mit den Hebungen durch Mineralquellen, wie sie bei der Oberflächennahen Geothermie in Staufen aufgetreten sind. Dies hat dazu geführt, dass Staufen als einer der wenigen Unglücksfälle der Oberflächennahen Geothermie bekannt wurde.

Bergechtlich stehen Senkungsgebiete im Zusammenhang mit der Einwirkungszone, in der die Bergschadensvermutung gilt. Dies entspricht de facto einer Beweislastumkehr.

Beispiele von Hebungen und Senkungen

  Hebung / Senkung Zeitraum Referenz
Oberflächennahe Geothermie in Staufen Hebung: ca. 0,6 m Februar 2008–Januar 2020 LGRB 1. Sachstandsbericht zum Schadensfall Staufen 2010
Wasserhaltung Bergbau im Ruhrgebiet

Senkung: max. ca. 24 m
flächendeckend ca. 10 m

 

ca. 100 Jahre Harnischmacher & Zepp (2010)

Erdgasfeld Groningen
Niederlande

 

Senkung: 0,35–0,40 m 35 Jahre Van Thienen-Visser (2015)
Grundwasserentnahme zur Bewässerung Iran Senkung: 11,65 m 36 cm/Jahr Mahmoudpour et al. (2013)

Frage1:

Kann es durch große Wasserentnahmen zur Entstehung von Hohlräumen in der Tiefe kommen? Können diese Stellen unter dem Druck des Deckgebirges einstürzen? Wie wird sichergestellt, dass es nicht zu Landabsenkungen wie z.B. beim Kohlebergbau oder bei der Gasförderung kommt?

Bei hydrothermaler Geothermie über Einleitungs- und Förderbohrungen ist die Volumenänderung im Untergrund so gering, dass es zu keinen Schäden an der Oberfläche kommt, zumal das entnommene Wasser wieder in den Untergrund rückgeführt wird. Hohlräume entstehen durch Lösungsvorgänge insbesondere im oberflächennahen Karstgestein (Abschnitt 3). Im bohrlochnahen Bereich kann durch Auflösungen in sehr geringem Umfang im Bereich der Injektionsbohrung zusätzlicher Hohlraum geschaffen werden. Die Erfahrungen bestätigen die Berechnungen, dass dadurch keine Schäden an der Oberfläche zu erwarten sind.

Wichtig ist, dass das abgekühlte Wasser zurück in den Entnahmehorizont verbracht wird, eine hydraulische Verbindung zwischen Wasser-Rückführungsbohrung und Förderbohrung im Untergrund ist dafür erforderlich. So können Schäden wie im Kohlebergbau oder bei der Erdöl- und Gasförderung vermieden werden.

Frage1:

Das geförderte Thermalwasser enthält oft sehr hohe Gesamtlösungsinhalte. Diese „Inhaltsstoffe“ werden teilweise dem Thermalwasser durch die Ausfällungen entzogen und fehlen daher nach der Reinjektion im Untergrund. Dadurch ergibt sich eine Mindermenge an rückgeführtem Feststoffen. Welche Auswirkungen hat das?

Aufgrund der Erfahrung bei bestehenden Geothermieanlagen im Rheingraben beläuft sich die jährlich anfallende Feststoffmenge (Ausfällungen, kleine Gesteinsfragmente) in den Filtern und anderen technischen Komponenten der Kraftwerke auf deutlich weniger als 1 m³ pro Anlage und pro Jahr. Damit ergeben sich keine größeren Volumendefizite und Hohlraumbildungen. Die Feststoffe müssen ordnungsgemäß entsorgt werden. Dazu gibt es rechtliche Vorgaben (Abschnitt 3).

Frage1:

Können Gesteinsschichten durch die Thermalwasserzirkulation porös werden bzw. sich in ihrer Konsistenz und hinsichtlich Stabilität verändern?

Veränderungen in Gesteinen durch Thermalwasserzirkulation können im Wesentlichen nur in der unmittelbaren Bohrlochumgebung auftreten. Die chemische Zusammensetzung im Untergrund wird durch die geothermische Zirkulation nicht wesentlich verändert. Es gibt jahrzehntelange Erfahrung durch Thermalwasserbohrungen und auch durch viele Erdöl- und Erdgasbohrungen im Oberrheingraben, die erwartungsgemäß keine Probleme durch solche Prozesse zeigen. Dasselbe gilt für Geothermieanlagen.

Frage1:

Können bei Tiefer Geothermie Hebungen durch quellfähiges Gestein wie z.B. Anhydrit auftreten?

Anhydrit kann sich bei Wasserzufluss in Gips umwandeln, was mit einer starken Volumenzunahme verbunden ist. Die Tiefenlage des Anhydrits ist dabei entscheidend. Wird bei einer Tiefbohrung Anhydrit in großen Tiefen (> 400m) angetroffen, reicht der Quelldruck des Gesteins nicht aus, um Hebungen auszulösen, da die Auflast zu groß ist. Dasselbe Prinzip gilt auch für andere quellfähige Substanzen wie Tonminerale. Bei den hohen Temperaturen, wie sie in Tiefbohrungen in größeren Tiefen angetroffen werden, ist außerdem Anhydrit stabil und wandelt sich nicht in Gips um.

Das Durchbohren quellfähiger Schichten (Anhydrit, Tonminerale) wird bei der Bohrplanung vermieden. Ist ein Durchteufen quellfähiger Schichten notwendig, werden erprobte bohrtechnische Lösungen genutzt, um ein unbeabsichtigtes Quellen zu vermeiden. Dazu gehören rasches Durchteufen und Abdichten der Bohrung, um Zutritt von Wasser in diese Schichten zu vermeiden, sowie die Nutzung einer speziellen Bohrspülung für diesen Bohrabschnitt, die das Quellen hemmt (inhibitierende Bohrspülung).

Frage1:

Heißes Wasser wird entnommen, kaltes Wasser wird zurückgeführt. Wie wirken sich die Temperaturunterschiede auf die Gesteins- und Erdschichten im Untergrund aus?

Im Untergrund kann es durch Abkühlung zu einer Kontraktion des Gesteins im Nahbereich der Wasser-Rückführungsbohrung kommen. Aufgrund der geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gesteins ist der Kontraktionseffekt in der hydrothermalen Geothermie sehr gering.

Temperaturänderungen im Untergrund können grundsätzlich zu Spannungsänderungen führen und zur Auslösung von nicht spürbaren Beben beitragen (Abschnitt 6). Mit modernen numerischen Modellrechnungen können die Auswirkungen der Temperaturänderungen vorab prognostiziert werden. Durch die Eingabe von abgekühltem Wasser in den Aquifer kann sich die Durchlässigkeit im Nahbereich um die Einleitungsbohrung verändern. Auch dieser Sachverhalt lässt sich bereits im Vorfeld mit numerischen Verfahren feststellen.

Literatur

Fuhrmann, T., Cuenca, M.C., Knöpfler, A., van Leijen, F.J., Mayer, M., Westerhaus, M., Hansser, R.F., Heck, B. (2015): Estimation of small surface displacements in the Upper Rhine Graben area from a combined analysis of PS-InSAR, levelling and GNSS data.- Geophzys. J. Int., p. 1-14.

Harnischmacher, S. & Zepp, H. (2010): Bergbaubedingte Höhenänderungen im Ruhrgebiet – Eine Analyse auf Basis digitalisierter historischer Karten.- zfv, H. 6, 135 Jg., 386-397.

Van Thienen-Visser, K. (2015): Induced seismicity in the Groningen gas field: History and recent developments.- SEG - Society of Exploration Geophysicists, 34, 6, 664-671.

Mahmoudpour, M., Khamehchiyan, M., Nikudel, M.R., Ghassemi, M.R. (2016): Numerical simulation and prediction of regional land subsidence Caused by Groundwater Exploitation in the Southwest Plain of Tehran, Iran.- Engineering Geology, 201, 6-28.

Einzelnachweise

  1. Fragen und Antworten zur Tiefen Geothermie https://www.lfzg.de/125.php

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