Menschgemachte Erdbeben

Die enorme Auflast von Stauseen hat zu den bisher stärksten induzierten Erdbeben geführt. Ein Interview mit Prof. Dr. Marco Bohnhoff.

Die Erdkruste befindet sich fast überall im kritischen Gleichgewicht in Bezug auf die „gespeicherte“ Spannungsenergie. Ein leichtes Überschreiten dieses Gleichgewichts zwischen Stabilität und Spannungsbelastung führt zum Bruch, welcher ein Erdbeben darstellt. Durch Aktivitäten des Menschen hervorgerufene Beben, sogenannte induzierte Beben, sind ein seit Jahrhunderten zumindest bekanntes Phänomen bei der Entnahme von Rohstoffen wie Kalisalz, Kohle, Erdöl oder -gas aber auch im Bergbau. Ob Verpressen von Fluiden in tiefe Bohrungen oder die Förderung von Kohlenwasserstoffen: Die Manipulierung des Untergrundes kann das kritische Gleichgewicht stören. Doch auch Aktivitäten an der Erdoberfläche wie z.B. die enorme Auflast von Stauseen können Erdbeben herbeiführen. Doch es kann auch einfach nichts passieren und die Erde bleibt ruhig. Die Vorhersage oder gar Kontrolle induzierter Erdbeben ist eine immense Herausforderung. Insbesondere mit einer größeren Anzahl von tiefengeothermischen Testprojekten könnten sich aber sowohl Risiken wie auch die erheblichen Potentiale besser ermitteln lassen.
Prof. Dr. Marco Bohnhoff ist Geophysiker und mehr als 20 Jahre in der Praxis und Forschung zu natürlicher und induzierter Seismizität tätig. Er leitet die Sektion 'Geomechanik und Rheologie' (Gesteinsmechanik und Verformungs- und Fließverhalten von Materie) am Deutschen GeoForschungsZentrum und lehrt an der Freien Universität Berlin Experimentelle- und Bohrloch-Seismologie. Intensiv erforscht Prof. Dr. Bohnhoff zudem den seismischen Zyklus an der Nordanatolischen Verwerfung (Türkei).

1. Wie können Sie als Wissenschaftler erkennen, ob in einem Gebiet potentiell ein Beben durch menschliche Aktivitäten ausgelöst werden kann?
Für natürliche Erdbeben wissen wir, dass etwa 90% der Erdbeben an tektonischen Plattengrenzen und die verbleibenden 10% im Innern der Erdplatten auftreten. Für induzierte Erdbeben gibt es einen klaren räumlichen und zeitlichen Zusammenhang zwischen ihrem Auftreten und menschlichen Aktivitäten wie Bergbau, dem Füllen von Talsperren, oder Fluidinjektion zur Reservoir-Stimulation/Fracking oder Speicherung im Untergrund.
Die Erfahrungen der letzten Jahrzehnte, angefangen von den Erkenntnissen aus der 9 km tiefen Kontinentalen Tiefbohrung in Deutschland bis zum jüngsten Auftreten einer großen Anzahl induzierter Erdbeben in den USA im Zusammenhang mit der Erschließung von Schiefergas, haben jedoch gezeigt, dass sich die Erdkruste im Prinzip überall im kritischen Gleichgewicht befindet. Das bedeutet, dass, je nachdem welche Eingriffe in den geologischen Untergrund man vornimmt, überall theoretisch auch induzierte Erdbeben auftreten können, aber nicht müssen.

2. In welchen Gesteinen ist in Deutschland am ehesten mit Beben zu rechnen? Welche Regionen sind besonders gefährdet?
Die natürliche Erdbebenaktivität in Deutschland ist insgesamt eher niedrig, weil wir an keiner aktiven Plattengrenze liegen. Das Vorkommen natürlicher Erdbeben in Deutschland konzentriert sich im Wesentlichen auf die Eifel, auf den südwestlichen Landesteil entlang des Rheingrabens, das Alpenvorland im Süden und die Vogtland-Region im Südosten. Die Seismizität entlang des Rheingrabens steht im Zusammenhang mit einer ca. 40 Millionen Jahre alten tektonischen -mittlerweile eher inaktiven- Plattengrenze. Die Erdbebenaktivität im Alpenvorland ist das Resultat des nach wie vor anhaltenden Gebirgsbildungsprozesses bedingt durch die nordwärts-gerichtete Bewegung Afrikas. Die Seismizität im Vogtland schließlich tritt in Form von sogenannten ‚Erdbeben-Schwärmen‘ auf, die im Zusammenhang mit dort ehemals aktiven Vulkanen stehen.

Das Auftreten von induzierten Beben ist nicht abhängig von der geographischen Region. Wichtiger ist, in welcher Gesteinsformation die Eingriffe in den Untergrund vorgenommen werden. So ist es zum Beispiel im Zuge einer hydraulischen Stimulation oder Fracking-Operation in sedimentären Schichten weniger wahrscheinlich, dass spürbare Seismizität auftritt. Der Grund ist, dass dort im Allgemeinen die Gesteinsfestigkeit geringer und das Vorhandensein kritisch vorgespannter Störungen ausreichender Größe weniger wahrscheinlich ist, als im kristallinen Grundgebirge. Die meisten induzierten Erdbeben mit Magnituden größer als 5 treten in der kristallinen Erdkruste, nicht aber in Sedimentbecken auf.

3. Was untersuchen Sie genau, wenn Sie Modellberechnungen vornehmen?
Wir begründen unsere Erkenntnisse möglichst sowohl auf Modellrechnungen und empirischen Messdaten aus Labor und Gelände. Nur durch eine ganzheitliche und skalenübergreifende Betrachtung der meist sehr komplexen Systeme im Untergrund lässt sich Fortschritt dahingehend erzielen, dass man die Prozesse in möglichst naher Zukunft versteht – gut genug, um das Auftreten von induzierten aber auch natürlichen Erdbeben möglichst bereits im Vorfeld abschätzen zu können. Das Fernziel unserer Forschung ist und bleibt, diese Prozesse irgendwann ganz zu verstehen und sogar kontrollieren zu können. Der Ursprungsort von Erdbeben ist und bleibt uns ja verborgen, und einzelne und zudem sehr teure Bohrungen in die Quellregion von Erdbeben stellen leider immer nur Nadelstiche dar. Daher ist es im Gegensatz z.B. zur Wettervorhersage, wo das System direkt beobachtet werden kann, auch so schwer, Erdbeben vorherzusagen, seien es natürliche oder induzierte.

4. Ab welcher Magnitude nehmen Menschen in der Regel ein Beben überhaupt wahr? Viele Beben finden ja statt, ohne dass wir es als Bewohner einer Region überhaupt merken.
Generell ist es schwierig, hier einen konkreten Magnitudenwert anzugeben. Das hängt damit zusammen, dass die Magnitude ein Maß für die Energiefreisetzung im Erdbebenherd ist. Ein Erdbeben der Magnitude 3, das in einer Tiefe von 3–4 Kilometern auftritt wird an der Erdoberfläche durchaus gespürt, wohingegen das gleiche Beben in 10 Kilometern Tiefe womöglich unbemerkt bleibt. Daher geht man mittlerweile dazu über, Grenzwerte für akzeptable Erschütterungen anhand der an der Oberfläche gemessenen Bodenbewegung festzulegen.

5. Was waren bisher in Deutschland wichtige Ereignisse, wenn wir über induzierte Beben sprechen? Welches waren aus wissenschaftlicher Sicht wichtige Ereignisse?
Ein Großteil der induzierten Erdbeben in Deutschland steht im Zusammenhang mit dem Salz- und Kohlebergbau und ist in Teilen ein seit Jahrhunderten bekanntes und akzeptiertes Phänomen. Im Salzbergbau wurden in Einzelfällen Magnituden von bis zu 5,6 erreicht, beim Kohlebergbau werden meist Magnituden von 4 nicht überschritten. Darüber hinaus kommt es seit wenigen Jahrzehnten in einigen Fällen auch zu induzierter Seismizität durch Gasförderung oder die Tiefengeothermie.

Weltweit gesehen ist das größte klar als induziert anerkannte Beben das Ereignis am Koyna-Staudamm im westlichen Indien mit einer Magnitude von 6,5. Bei diesem Erdbeben sind etwa 200 Menschen zu Tode gekommen. Dort wird aktuell im Rahmen eines internationalen Forschungsprojektes der Versuch unternommen, in die Bruchzone dieses Bebens in 6–7 Kilometern Tiefe hineinzubohren, um besser verstehen zu können, welches die entscheidenden geomechanischen Parameter sind, die zu solchen menschengemachten Erdbeben führen.

6. Gibt es Aktivitäten, bei denen die Gefahr für ein induziertes Beben besonders hoch ist?
Generell lässt sich sagen, dass die Wahrscheinlichkeit von stärkeren induzierten Erdbeben mit der Menge des Volumens injizierter Flüssigkeit skaliert. Je länger also z.B. Brauchwasser verpresst wird, umso eher wird es statistisch betrachtet auch zu spürbarer induzierter Seismizität kommen. Dieser Zusammenhang wird aktuell in den USA beobachtet, wo die größten induzierten Beben nicht beim Fracking selbst auftreten, sondern im Zuge der Verpressung großer Mengen Brauchwasser oder auch bei der sekundären und tertiären Produktion von konventionellen Kohlenwasserstoffen. Entscheidend ist aber immer, ob es im Untergrund schon Störungen gibt, die eventuell durch tektonische Bewegungen Spannung akkumuliert haben, und dementsprechend spürbare Erdbeben produzieren können. Die bei induzierter Seismizität freigesetzte Energie ist zum allergrößten Anteil bereits im Untergrund gespeichert gewesen. Der menschengemachte Zusatzdruck ist dann nur der letzte Auslöser, der zur Freisetzung führt.

7. Vor allem bei der Entnahme von Rohstoffen treten häufig kleinere induzierte Erdbeben auf. Warum vor allem bei der Erdgasförderung?
Es ist generell verstanden, warum es zum Auftreten von induzierter Seismizität kommt: Diese steht in direktem Zusammenhang mit menschengemachten Spannungsänderungen im Untergrund. Daher kann sowohl durch Volumenentnahme wie auch Injektion oder Speicherung von Fluiden im Untergrund Seismizität ausgelöst werden. Man kann also nicht sagen, dass vor allem bei der Erdgasförderung Erdbeben auftreten. Im Groningen-Gasfeld in den Niederlanden ist dies zurzeit ein wichtiges Thema, weil es dort im Zuge langjähriger Gasproduktion zu mehreren spürbaren Erdbeben gekommen ist, die im Bereich von Magnituden um 3 liegen. Die größeren induzierten Beben treten allerdings eher im Zusammenhang mit der Injektion großer Mengen Wasser – wie z.B. der Brauchwasserverpressung in den USA- oder durch große Auflasten an der Oberfläche – wie z.B. am Koyna-Staudamm in Indien- auf. Dort werden Magnituden von 5 erreicht oder sogar überschritten, was dann auch zu teils erheblicher seismischer Gefährdung führen kann.

8. Bei der hydraulischen Stimulation wird Wasser in eine Gesteinsschicht gepresst, um vorhandene Risse zu erzeugen oder zu vergrößern. Welche Drücke können dabei entstehen? Können Sie diese mit etwas vergleichen?
Bei der hydraulischen Stimulation oder Fracking werden immens große Drücke von bis zu mehreren hundert Bar erreicht. Diese sind notwendig, um die Permeabilitäten (Durchlässigkeit des Gesteins, Anm. der Red.) in den Lagerstätten in einigen Kilometern Tiefe zu erhöhen mit dem Ziel, Kohlenwasserstoffe oder warmes Wasser an die Oberfläche zu fördern. Als anschaulicher Vergleich hilft hier, dass der Wasserdruck in der Tiefe mit etwa 0.1 Bar pro Meter zunimmt. Dies spürt man in den Ohren schon im flachen Wasser. Jeder, der schon einmal tauchen war, hat also eine Ahnung davon bekommen, was mehrere hundert Bar bedeuten.

9. Tiefe Geothermie (ab 400m): Entsteht das Beben am ehesten bei der Bohrung oder bei der hydraulischen bzw. chemischen Gesteinsbehandlung? Welcher Moment ist am kritischsten?
Man kann nicht von ‚dem einen Moment‘ oder ‚dem einen Beben‘ sprechen. Bei der hydraulischen Stimulation oder beim Fracking treten viele tausend kleinster Erdbeben auf, die reflektieren, dass im Reservoir Fliesswege geschaffen werden. Diese Kleinstbeben sind an der Oberfläche weder spür- noch messbar, aber von großer Bedeutung, da sie durch kleine Scherbewegungen im Untergrund erst die Fliesswege erzeugen. Rein statistisch treten pro Größenordnung kleinerer Erdbeben-Magnitude etwa zehnmal mehr Erdbeben auf. Tausend Minibeben der Größe ‚Null‘ würden dann etwa einem Beben der Magnitude 3 gegenüberstehen, was durchaus an der Oberfläche gespürt werden kann bei einer mittleren Tiefe von etwa 4 Kilometern. Wenn man nun also mit einem entsprechenden Messnetz möglichst viele kleine Beben registriert, kann dies helfen, die Auftretenswahrscheinlichkeit eines an der Oberfläche spürbaren Erdbebens im Vorfeld abzuschätzen und damit ein sogenanntes Ampel-System zu speisen. Man kann dann mit reduzierten Pumpraten während der Stimulation reagieren, um eventuell zukünftigen größeren Beben vorzubeugen.
Dennoch treten die größten induzierten Erdbeben meist erst nach Abschalten der Pumpen auf. Dies ist Gegenstand aktueller Forschung und im Detail noch nicht ganz verstanden. Zum Ort des größten Bebens lässt sich sagen, dass dies innerhalb des stimulierten Gesteinsvolumens auftritt, oft am Rand, wenn eine kritisch vorgespannte Störung im Untergrund quasi ‚angezapft‘ wird. Wo diese kritischen Zonen liegen ist aber im Vorfeld meist nicht bekannt.

10. Bei der hydraulischen Gesteinsbehandlung – bekannter ist der Begriff Fracking – kommt es darauf an, dass die Zuführung der Flüssigkeit seismisch kontrolliert durchgeführt wird – sprich, bei der Zunahme der Erdbebenaktivität rechtzeitig Druck und Fließrate der Fluide reduziert werden. Tritt ein induziertes Beben auf, kann ein Bohrloch mit Schwerspülung stabilisiert werden. Welche technischen Möglichkeiten gibt es noch zur Minimierung von Risiken?
Wie können heute mit sogenannten Ampelsystemen die Förder- oder Pumpraten bei wachsender Stärke induzierter Erdbeben reduzieren. Meist klingt dann auch die Seismizität relativ schnell ab. Es kann dann aber trotzdem noch zu spürbarer Seismizität kommen (siehe vorige Frage). Es handelt sich bei den Ampelsystemen also streng genommen nicht um Kontrollsysteme, sondern um reaktive Systeme. Wirklich kontrollieren können wir induzierte Seismizität heute noch nicht. Es gibt verschiedene Ansätze, die hierzu aktuell erforscht werden. Aber die volle Kontrolle würde letztlich bedeuten, dass wir nicht nur jede im Untergrund liegende Störung im Voraus erkennen können müssten, sondern wir müssten auch wissen, welcher Teil dieser Störungen wie stark durch Jahrmillionen alte tektonische Deformation kritisch vorgespannt ist und welcher Zusatzdruck dann letztlich zum Aktivieren jeder dieser vorgespannten Störungen führen würde. Das können wir heute noch nicht, bleibt aber gleichwohl unser großes Ziel bei der Erforschung dieser Prozesse. Dieser Forschungsaspekt steht übrigens auch in direktem Zusammenhang mit der Erforschung großer natürlicher Erdbeben.

11. Es wird beim Thema Geothermie sehr viel über Gefahren diskutiert. Werden diese Gefahren realistisch eingeschätzt? Welche Gefahren sind aus Sicht der Wissenschaft begründet und welche Gefahren werden nach aktuellem Forschungsstand eventuell zu hoch eingeschätzt.
Die Gefahren beim Thema Geothermie werden deswegen so ausführlich diskutiert, weil sie zum einen eine hohe Relevanz für die Akzeptanz dieser Technologie in der Bevölkerung haben. Zum anderen sind sie aber auch für Betreiber und potenzielle Investoren von Bedeutung, weil aufgrund des aktuellen Entwicklungsstandes der Tiefengeothermie die Gewinnmarge im Vergleich zu anderen Energieformen eher gering ist. Um dies zu verbessern wäre es wünschenswert, eine größere Anzahl von tiefengeothermischen Testprojekten zu haben, um die Risiken und vor allem Potenziale besser quantifizieren zu können.

12. Welchen Beitrag kann Tiefengeothermie für die Energieversorgung der Zukunft in Deutschland leisten?
Das Potential der Tiefengeothermie in Deutschland ist erheblich, das ist unbestritten. Wenn allerdings diese Technologie im zukünftigen Energiemix eine wichtige Rolle spielen soll, dann müssten nun die Weichen gestellt werden, um sich diesem Ziel auch in absehbarer Zeit zu nähern.

13. Zum Abschluss: Wie wichtig ist es für die Wissenschaft, bei dieser Technologie ganz vorne mit dabei zu sein? Wie nah ist die Wissenschaft hier an der Praxis?
Die Wissenschaft vereinigt bei der Tiefengeothermie ganz konkret aktuelle Grundlagenforschung mit angewandten Aspekten und bietet damit große Chancen für Wissens- und Technologietransfer. Wir Wissenschaftler können hier also nicht nur Fortschritt beim Prozessverständnis zum Thema Erdbeben erzielen, sondern gleichzeitig auch zur Effizienzsteigerung und Wirtschaftlichkeit von regenerativen Energieformen beitragen.

Literaturhinweise

Kwiatek G, Martinez-Garzon P, Dresen G, Bohnhoff M, Sone H, Hartline C (2015): Effects of long-term fluid injection on induced seismicity parameters and maximum magnitude at northwestern The Geysers geothermal field. J. Geophysical Research, 120, 7085-7101. DOI:10.1002/2015JB012362
Martinez-Garzon P, Bohnhoff M, Kwiatek G, Dresen G (2013): Stress tensor changes related to fluid injection at the The Geysers geothermal field, California. Geophys. Res. Lett., 40, 2596-2601. DOI:10.1002/grl.50438.
Bohnhoff M, Dresen G, Ellsworth W L, Ito H (2010): Passive Seismic Monitoring of Natural and Induced Earthquakes: Case Studies, Future Directions ans Socio-Economic Relevance. In: S. Cloetingh, J. Negendank (eds.), New Frontiers in Integrated Solid Earth Sciences, International Year of Planet Earth. Springer. DOI 10.1007/978-90-481-2737-5_7
Acatech - Deutsche Akademie der Technikwissenschaften (Hrsg.) (2015): Hydraulic fracturing. Eine Technologie in der Diskussion (acatech POSITION). München.

Text, Fotos und Grafiken soweit nicht andere Lizenzen betroffen: eskp.de | CC BY 4.0
eskp.de | Earth System Knowledge Platform – die Wissensplattform des Forschungsbereichs Erde und Umwelt der Helmholtz-Gemeinschaft

Verwandte Artikel

Grundlagen