Menschgemachte Erdbeben

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).

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.

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.

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.

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.

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.