Vom Menschen verursachte Erdbeben

Der Mensch kann durch Eingriffe in die Natur Erdbeben auslösen – das ist bereits länger bekannt. Insbesondere Industrieaktivitäten wie etwa tiefe Geothermie, Öl- oder Gasförderung und die unterirdische Entsorgung großer Salzwassermengen, die mit Kohlenwasserstoffen mitgefördert wurden, können zu Erschütterungen der Erde führen, die in Ausnahmesituationen mit Todesopfern, häufig aber mit weiteren negativen sozialen, ökologischen und wirtschaftlichen Folgen in den betroffenen Regionen verbunden sind. Ein internationales Team unter maßgeblicher Beteiligung von Geophysikern der FU Berlin hat jetzt die komplexen physikalische Prozesse zusammengefasst, die insbesondere bei industriellen Flüssigkeitsinjektionen in die Erde sowie bei Extraktionen aus der Erde auftreten. Die Studie könnte dazu beitragen, mögliche negative Auswirkungen durch innovative Energiewende-Technologien wie die tiefe Geothermie oder die unterirdische CO2-Speicherung zu minimieren. Die konkreten Forschungsergebnisse könnten insbesondere für Geowissenschaftler, Industrievertreter, Regulierungsbehörden und politische Entscheidungsträger relevant sein.

Die Forscher untersuchten Erderschütterungen, die bei der konventionellen Kohlenwasserstoffgewinnung, beim hydraulischen Fracking unkonventioneller Kohlenwasserstoffreservoire, bei der Entwicklung von tiefen geothermischen Systemen, bei Bergbaubetrieben, der unterirdischen Salzwasserentsorgung oder bei unterirdischen Gas- oder CO2-Speichervorgängen verursacht werden können. Das Team fand heraus, dass Erdbeben, die durch Flüssigkeitsinjektionen und -extraktionen ausgelöst werden, hauptsächlich durch Spannungsänderungen an präexistierenden tektonisch belasteten Bruchflächen entstehen.

„Insbesondere Porendruckdiffusion und poroelastische Kopplungen konnten als Hauptauslösemechanismen für injektionsinduzierte und extraktionsinduzierte Seismizität identifiziert werden“, sagt Serge Shapiro von der FU Berlin. Während der Injektion von Flüssigkeiten in tiefen Gesteinen führt ein höherer Porendruck zu einem Abfallen der Normalspannung, was die Bruchflächen destabilisiert und Erdbeben auslösen kann.

Die Studie zeigt auch, dass die Auslösemechanismen für vom Menschen verursachte Erdbeben von Standort zu Standort variieren können. Ein wichtiger Aspekt ist dabei die komplexe Interaktion zwischen verschiedenen industriellen Aktivitäten, insbesondere in Gebieten, in denen sowohl hydraulisches Fracking als auch die Entsorgung großer Salzwassermengen, die mit dem Kohlenwasserstoff mitgefördert wird, stattfinden. Auch andere Faktoren wie etwa die Entfernung zu jedem Bohrloch, die Menge des injizierten Flüssigkeitsvolumens, Betriebszeitfenster und die jeweiligen geologischen und hydrologischen Eigenschaften sind entscheidend für die komplexen physikalischen Prozesse, die zu Spannungen in Gesteinsformationen führen können.

Das Forschungsteam empfiehlt den Aufbau eines mikroseismischen Überwachsungsnetzes an jedem Bohr-Standort, um induzierte Seismizität frühzeitig erkennen zu können. Auch faseroptische Sensortechnologien könnten dabei zum Einsatz kommen. Da bisherige wissenschaftliche Erkenntnisse über vom Menschen verursachte Erdbeben vor allem aus In-situ-Experimenten abgeleitet wurden, die aber häufig nur begrenzte Möglichkeiten für Tiefenmessungen haben, plädieren die Wissenschaftler zudem für neue Forschungsansätze, bei denen auch die Möglichkeiten von physikbasierten KI-Methoden genutzt werden.

„Aktuell können die Risiken von induzierter Seismizität nur statistisch geschätzt werden. Dabei werden bislang nur wenige physikalische Faktoren in entsprechende Vorhersage-Modelle integriert“, sagt Cornelius Langenbruch von der FU Berlin. Die neue Studie unterstreicht daher die Bedeutung physikalischer Modelle, die gekoppelte multiphysikalische Prozesse erfassen können und zum Beispiel auch die Bruchbildung und Ausbreitung über mehrere Skalen berücksichtigen. „Die Entwicklung physikbasierter Vorhersagemodelle und die damit verbundene Risikominimierung von induzierten Erdbeben könnte die gesellschaftliche Akzeptanz neuer Geo-Energie-Technologien erhöhen“, sagt Mohammad Javad Afshari Moein von der FU Berlin.

Diese Erkenntnisse waren außerdem Grundlage für eine weitere Studie der Geophysiker. In dieser Arbeit haben die Forscher die Ideen der ersten Studie weiterentwickelt und auf die Erdgasförderung im Gasfeld von Groningen in den Niederlanden angewendet. Sie konnten zeigen, dass die dort durch die Erdgasproduktion induzierten Erdbeben durch poroelastische Effekte verursacht sind und sehr wahrscheinlich keine Verbindung zu großen tektonischen Störungszonen zeigen. „Das vermindert die Wahrscheinlichkeit von starken Erdbeben im Gasfeld von Groningen“, sagt Nepomuk Boitz von der U Berlin.

FU Berlin / RK