Schlüsselfaktoren bei der Entstehung von menschgemachten Erdbeben

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In einer neuen Studie, die in den ‚Proceedings of the National Academy of
Sciences‘ veröffentlicht wurde, berichten Dr. Lei Wang und seine Kollegen
aus der Sektion Geomechanik und Wissenschaftliches Bohren des Deutschen
GeoForschungsZentrums GFZ zusammen mit Forschenden der Universität Oslo,
Norwegen, über zwei Schlüsselfaktoren bei menschgemachten Erdbeben, so
genannten Runaway Events: die Rauigkeit bereits bestehender tektonischer
Störungen und die damit verbundene Spannungsheterogenität in geologischen
Reservoiren.

Die menschliche Nutzung des geologischen Untergrundes kann Erdbeben
verursachen. Die Kontrolle dieser „induzierten Seismizität“ ist ein
wichtiger Faktor für die Akzeptanz der Energiewende. In den meisten Fällen
sind induzierte Erdbeben weder spür- oder messbar. Sie können bei der
Injektion oder Förderung von Flüssigkeiten auftreten, z. B. in Öl- oder
Gaslagerstätten, bei der Brauchwasserentsorgung in Bohrungen oder in
geothermischen Lagerstätten. In wenigen Fällen waren induzierte seismische
Ereignisse stark genug, um Projekte zu stoppen (z.B. 2006 in Basel/Schweiz
und 2017 in Pohang/Südkorea). Intensive Forschung hat in den letzten
Jahren zu erfolgreichen Versuchen geführt, solche „Runaway Events“ (siehe
Box unten) zu vermeiden. Das GFZ dokumentierte die erfolgreiche Kontrolle
2018 bei einem Geothermieprojekt in Helsinki. Marco Bohnhoff, Geophysiker
und Leiter der GFZ-Sektion „Geomechanik und Wissenschaftliches Bohren“
sagt: „Der Schlüssel zur systematischen Vermeidung großer induzierter
Erdbeben ist ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden physikalischen
Prozesse.“

In einer neuen Studie, die in den ‚Proceedings of the National Academy of
Sciences‘ veröffentlicht wurde, berichten Dr. Lei Wang und seine Kollegen
aus Bohnhoffs Sektion zusammen mit Forschenden der Universität Oslo,
Norwegen, über zwei Schlüsselfaktoren bei „Runaway Events“: die Rauigkeit
bereits bestehender tektonischer Störungen und die damit verbundene
Spannungsheterogenität in geologischen Reservoiren.

Die Studie kombiniert numerische Modellierungsergebnisse mit neuartigen
Experimenten zur Flüssigkeitsinjektion unter akustischer Überwachung, die
im geomechanischen Labor des GFZ durchgeführt wurden. „Wir haben
festgestellt, dass sich raue und glatte Verwerfungen in den Gesteinen
während unserer Laborexperimente völlig unterschiedlich verhalten.
Besonders spannend an unseren Beobachtungen war, dass wir zusehen konnten,
wo genau sich mikroseismische Aktivität abspielt. Demnach kommt es während
der Flüssigkeitsinjektion zu einer Spannungsübertragung bereits vor großen
induzierten Ereignissen – und das können wir messen“, sagt der Erstautor
Dr. Wang, der die Experimente und die Modellierung konzipiert und
durchgeführt hat.

Die Erde im Labor: So liefen die Experimente

Die Rauigkeit bereits bestehender Störungen in geologischen Reservoiren in
einigen Kilometern Tiefe ist schwer zu charakterisieren. Um die
unzureichende Messgenauigkeit bei der Abbildung oder Überwachung solcher
Verwerfungen in der Natur zu überwinden, hat die Forschungsgruppe sich
Gesteinsproben ins Labor geholt und darin selbst Verwerfungen mit
definierter Oberflächenrauigkeit erzeugt. Diese Gesteinsproben wurden dann
mit Hilfe einer triaxialen Druckapparatur auf nahezu kritische
Spannungszustände gebracht, um so die Prozesse in der Natur nachzustellen.

Die Gesteinsproben waren mit mehreren Sensoren bestückt, darunter
piezobasierte Labor-Seismometer zur Überwachung tausender winziger
Erdbeben, so genannter akustischer Emissionen, die die Verformung im
Inneren der unter Druck stehenden Gesteine anzeigen, bevor sie brechen.
Anschließend wurde in die Proben Wasser injiziert, was die hydraulische
Stimulation von geologischen Reservoirs simuliert.

„Die Kontrolle der Randbedingungen, die Reproduzierbarkeit und der Einsatz
eines dichten Überwachungsnetzes im Labor ermöglichten es uns, die
Entwicklung induzierter Erdbeben im Labor sowie auch langsame aseismische,
also bebenfreie Verformungen abzubilden. Wir konnten Schlüsselparameter
wie Verwerfungsgleiten und Gleitrate messen. So erhielten wir ein
umfassendes Bild, um die Physik der durch Injektion induzierten
Seismizität besser zu verstehen“, sagt Georg Dresen, Professor in der GFZ-
Sektion Geomechanik und wissenschaftliches Bohren, der die Studie leitete
und initiierte.

Wichtige Implikationen für Ereignisse in der Natur

Im Vergleich zu glatten Verwerfungen führt injektionsinduziertes Gleiten
auf rauen Verwerfungen zu einer räumlich konzentrierten Anhäufung
akustischer Emissionen, die in der unmittelbaren Umgebung kritisch
gespannter Bereiche auftreten. Dort sind die induzierten lokalen
Gleitraten höher, begleitet von einer relativ höheren Anzahl großer
Ereignisse.
Die Flüssigkeitsinjektion reaktiviert diese Verwerfungsbereiche zunächst
durch langsames, aseismisches Gleiten und verursacht nur wenige und kleine
seismische Ereignisse. Danach folgt eine immer stärkere räumliche
Konzentration der Mikrobeben, die schließlich zu großen induzierten
Ereignissen (Runaway-Events) führt. „Diese Studie hat wichtige
Implikationen für induzierte Erdbeben in der Natur: Wenn Fluidinjektionen
in geologischen Reservoiren in Echtzeit überwacht werden, können solche
Lokalisierungsprozesse vor der Entstehung größerer induzierter Ereignisse
erkannt und vermieden werden – ein entscheidender Schritt hin zur sicheren
Nutzung geologischer Reservoire“, sagt Marco Bohnhoff.

Ähnlichkeiten zwischen akustischen Ereignissen im Labor und induzierten
und natürlichen Erdbeben

Um die Relevanz der Laborexperimente für Erdbeben in geologischen
Reservoiren weiter zu untersuchen, haben die Autoren eine Vielzahl von
Datensätzen zur induzierten Seismizität zusammengestellt und die
seismische Energie als Funktion der ins System eingebrachten hydraulischen
Energie bei Laborexperimenten und im Reservoir-Maßstab auf der ganzen Welt
untersucht. Der Wert der seismischen Injektionseffizienz, also dem
Verhältnis zwischen der bei Erdbeben freigesetzten Energie und der
hydraulischen Energie, unterscheidet zwischen druckgesteuerten seismischen
Ereignissen und Runaway-Events.

Im Gegensatz zu Runaway-Events mit hoher seismischer Injektionseffizienz
weist nämlich die ungefährlichere schwache induzierte Seismizität, die
einen ausgedehnten druckgesteuerten Bruch zeigt, in der Regel eine viel
geringere seismische Injektionseffizienz auf. Dr. Wang betont, dass
„unsere Laborbeobachtungen Ähnlichkeiten mit den im Feldmaßstab
induzierten Erdbeben aufweisen, die druckgesteuerten Brüchen entsprechen,
was sich in der Tatsache widerspiegelt, dass in unseren Experimenten die
Seismizität kurz nach Beendigung der Flüssigkeitsinjektion endet“.

Ziel: Kontrolle und letztlich Vermeidung spürbarer induzierter Seismizität

Die Studie ist Teil einer kürzlich gestarteten Forschungsinitiative, die
darauf abzielt, induzierte Erdbeben in geologischen Reservoiren und
langfristig schließlich auch große katastrophale natürliche Erdbeben
besser vorherzusagen. Teil dieser Initiative ist es, die Prozesse aus dem
Feldmaßstab in das Labor zu bringen, wo die steuernden Parameter
kontrolliert und die Prozesse, die zu seismischen Ereignissen führen,
reproduziert werden können. Marco Bohnhoff fasst zusammen: „Erst neuartige
Ansätze der Prozessierung der Messdaten, auch unter Einsatz Künstlicher
Intelligenz, und die Anwendung klassischer seismologischer Methoden zur
Analyse von Erdbeben auf Labordaten bilden die Grundlage, um die
Gesteinsdeformationsprozesse und letztlich Erdbeben genauer zu verstehen.
Studien wie die jetzt von Wang und seinen Co-Autoren machen Hoffnung und
bergen das Potenzial, vom Menschen verursachte seismische Gefahren zu
entschärfen. Dies ist letztlich eine Grundvoraussetzung für die Akzeptanz
der Nutzung des geologischen Untergrunds im Kontext der Energiewende.“


Box:
Runaway Event
Große Teile der Erdkruste stehen unter Spannung, selbst wenn dort
keinerlei Erdbeben dokumentiert sind. Außerdem gibt es Schwächezonen im
steinernen Untergrund, so genannte Störungen, und bereits bestehende
Brüche.
Energie, die von außen ins System kommt, kann dazu führen, dass sich vor
Urzeiten aufgestaute tektonische Spannung in Erdbeben entlädt, die weitaus
mehr Energie freisetzen als von außen kam.
Insbesondere bestehende Störungen sind für solche getriggerten Erdbeben
anfällig, die als Runaway Event bezeichnet werden.