Ergebnisprotokoll Arbeitsgruppe 6 „Seismische Ereignisse“

Korrekturhinweise der AG-Teilnehmer sind blau gesetzt

Experten:

• Prof. Dr. Manfred Joswig (Universität Stuttgart, Leiter des Instituts für Geophysik, Mitglied Expertenkreis), 
• Prof. Dr. Martin Sauter (Universität Göttingen, Leiter der Abteilung Angewandte Geologie, Mitglied Expertenkreis)

Moderation:

• Bea Schmitt

Protokoll:

• Karolin Brosig, 
• Alexander Kissinger, 
• Dr. Torsten Lange

Kurzvortrag von Prof. Dr. Manfred Joswig:

Natürliches seismisches Potential in Deutschland: Oberrheingraben, Hohenzollerngraben, Niederrheinische Bucht, Voigtland. Übrige Bereiche werden als "aseismisch" bezeichnet, Intraplattenbeben sind trotzdem zu verzeichnen.

Beispiel Niederlande, Erdgasfeld Groningen: vor Beginn der Gasförderung war keine natürliche Seismizität bekannt, weder historisch noch aktuell. Binnen 15 Jahre nach Beginn der konventionellen Gasförderung erste Beben gemessen in max. 4 km Tiefe, mit einer Magnitude von max. 3,5. Die Bebenhäufigkeit nimmt mit der Stärke signifikant ab: Kleinere Beben treten am häufigsten auf. Zielhorizont ist das Rotliegend, im Gasfeld Groningen etwa in 2 bis 2,5 km Tiefe. Folgerung: Die durch Gasförderung induzierten Beben haben mit 90 % Wahrscheinlichkeit eine max. Magnitude 3,8.

In Norddeutschland treten sowohl im Bereich von Gasförderfeldern als auch außerhalb Beben mit einer Magnitude >4 auf. Eine korrekte Zuordnung auf Tiefen ist aufgrund des spärlichen Messnetzes (derzeit noch) nicht möglich. Häufig sind Tiefen unterhalb von 5 km anzunehmen. Es ist somit keine Unterscheidung von Intraplattenbeben und induzierter Seismizität möglich.

Die Bebenstärke ist abhängig von der Ausdehnung der Änderung der Spannungsverhältnisse (Porendruck).

Bei konventioneller Gasförderung werden große Reservoire leer gepumpt und beeinflusst. Der durch die Gasförderung beeinflusste Spannungsgradient ermöglicht in Relation größere Beben.

Bei unkonventioneller Gasförderung erfährt der Zielhorizont nur eine geringe, räumlich sehr begrenzte Veränderung. Die durch die Frack-Impulse erzeugten Beben sind messbar, aber in der Regel nicht fühlbar.

In Versenkbohrungen (Disposalbohrungen) werden über lange Betriebszeiten große Volumina in den Untergrund injiziert. Beben sind möglich, allerdings in Norddeutschland nicht beobachtet.

Fazit: In Norddeutschland ist die Zuordnung von Bebenursachen aufgrund des wenig ausgebauten Messnetzes schwierig.

Überblick wesentliche Themen der Diskussion

• Intensität von durch Fracking ausgelösten Beben.
• Vorkenntnisse zu tektonischen Vorspannungen in den Explorationsgebieten. 
• Unterschiede zwischen Geothermie- und Erdgas-Fracking.
• Unterscheidung von durch Fracking ausgelösten Beben von natürlichen Beben. 
• Schäden an Bausubstanz und Haftung.
• Monitoring.

Diskussionsbeiträge/Fragen und Antworten

Zur Aussage Joswig „Fracking löst keine fühlbaren Beben aus“. Gibt es darüber empirische Untersuchungen?

• Im Kontext der Erdgasförderung entstehen fühlbare Beben nur bei tektonischer Vorspannung. Fracking kann diese Spannungen beeinflussen und Beben auslösen.

Was heißt „fühlbar“?

• Bei Betrachtung der Magnitude sind Beben <3 in der Regel nicht fühlbar. Sehr flache Beben in max. 2 km Tiefe sind schon ab Magnitude 2 fühlbar, in Sondersituationen schon ab Magnitude 1 (Stichwort „soil amplification“).

Zur Aussage Joswig „Die Magnitude ist ein Maß für die abstrahlende Energie eines Bebens“. Sind Rückschlüsse von der abstrahlenden Energie auf die eingebrachte Energie möglich?

• Fracking ist wie ein Erdbeben ein Brechen in der Erdkruste, entscheidend ist aber die Größen- ordnung der aktivierten Bruchlänge, welche beim Fracking sehr gering ist. Fracking-Seismik kann selbst mit empfindlichsten Messgeräten nicht an der Oberfläche (Immission) gemessen werden, sondern nur in unmittelbarer Umgebung des Fracks mittels Bohrlochstationen (Emission) erfasst werden. Die Messung dient der seismischen Ausbreitungskontrolle der Bruchflächen.
• Korrekturhinweis:
  "Fracen kommt einem Brechen in der Erdkruste gleich". Das ist zu relativieren, da konventionelles Fracen als Mittel zur Lagerstättenstimulation meist auf eine lokale Verbrsserung der Permeabilität in der Lagerstätte abziehlt und daher die Poren oder Mikroklüfte eines gering durchlässiges Gestein durch den Frac aufgebrochen werden wobei mittels Stützmittel verhindert wird, dass diese erweiterten Poren und Klüfte sich nach der Druckbeaufschlagung wieder schließen. Ein Frac in der KW Exploration zielt primär nicht auf geologische Störungen mit allfälligen Spannungszuständen ab, sondern auf die Gesteinsmatrix selbst. Ein Brechen in der Erdkruste erscheint daher übertrieben und kann auch zu Fehlinterpretationen führen.
  "Fracing ist nicht messbar". Diese Effekte können heute mit entsprechend empfindlichen und richtig positionierten Aufnehmern gemessen werden und auch vom Umgebungsnoise getrennt werden.

Zur Aussage Joswig „Beben gibt es nur in vorgespannten Gegenden“. Sind Vorspannungen im Bereich der Fracking-Horizonte bekannt? Korreliert die Erdbeben-Herdtiefe mit der Reservoir-Tiefe?

• Das Messnetz ist nicht kleinskalig und empfindlich genug, um exakte Angaben über die Herdtiefe zu machen. Von größeren Beben sind Herdtiefen von 5 bis 15 km bekannt.

Zur Aussage Joswig „Bei Versenkbohrungen sind Beben durch geeignetes Monitoring vermeidbar“. Wie das?

• Änderungen des Porenwasserdrucks durch Injektionen von Abwasser sind messbar. Das seismische Monitoring zeigt die mögliche Ausbreitung der Rissfronten, zeitlich und räumlich. Eine Kontrolle und ein potentielles Rückfahren der Injektion sind daher möglich (Stichwort: Ampelsystem).

Explorationsgebiete in NRW. Das Spannungsregime im Münsterland und im Ruhrgebiet ist sehr gut bekannt. Wie groß muss eine Störung sein, um ein Beben durch Fracking auslösen zu können?

• Eine quantitative Aussage ist sehr schwierig. Generell unterscheiden muss man Geothermie- Fracking von Gas-Fracking. Geothermie-Fracking bewirkt durch größere Injektionsmengen groß- flächige Veränderungen des Porenwasserdrucks. Dabei wird mir geringen Drücken gearbeitet. Es soll nur minimaler Versatz erzielt werden, der eine größere Durchlässigkeit wegen rauer Oberfläche bewirkt. Beim Gas-Fracking werden hohe Drücke und geringe Volumina über einen kurzen Zeitraum eingesetzt (vergleichbar mit einem Nadelstich). Die Frackausbreitung ist sehr viel kleinräumiger.

Wie groß muss eine aktivierte Störung sein, um als Erdbeben verspürt zu werden?

• Empirisch kann man grob abschätzen, dass eine Bruchlänge von wenigen Metern nicht ausreicht. Bruchflächen ab 100 m entsprechend einem Beben der Magnitude 2 können verspürt werden.

Sind Geothermie-Verfahren eher prädestiniert ein Beben auszulösen als das Fracking?

• Im Großen und Ganzen: Ja.
• Korrekturhinweis:
  In der Geothermie ist zu unterscheiden zwischen der Stimulation und dem Betrieb, besonders der Reinjektion. Darüber hinaus ist unkonventionelles Erdgas immer im Sediment und Geothermie kann auch im Grundgebirge sein. In jedem Fall ist eine generelle Aussage nicht möglich sondern es muss standortbezogen geurteilt werden.

Gibt es bei der Abschätzung von Bauschäden hinsichtlich Haftung und Schadensbegleichung eine Möglichkeit zur Unterscheidung von induzierten und natürlichen Beben?

• Bauschäden können durch Erdbeben (dynamische Belastung) und Bodensenkungen (statische Belastungen) erzeugt werden. Bei kosmetischen Schäden (Putz) ist keine Unterscheidung möglich. Bei größeren Schäden ist zumindest anhand des charakteristischen Schadensbildes eine Unter- scheidung zwischen baubedingten (Setzungs-)Schäden und bebenbedingten Schäden möglich. An der Zuordnung von Beben, natürlich oder anthropogen, wird gearbeitet. Für eine ganze Folge von Beben können Wahrscheinlichkeits- und Plausibilitätsanalysen herangezogen werden. Für ein einzelnes Beben kann es aber bisher keine eindeutige Antwort der Wissenschaft geben.

Wie müsste ein Monitoring aussehen, das diese Fragen beantwortet?

• Es gibt Empfehlungen des FKPE zur Überwachung induzierter Seismik. Wir müssen Beben bereits erfassen können, wenn Menschen sie noch nicht spüren. Die Messung muss 10-fach empfindlicher sein, als der empfindlichste Mensch. Die Herdparameter, insbesondere die Herdtiefe müssen mit einer Genauigkeit von max. 1 km bestimmt werden können. Dies ist mit einem großen Monitoring-Aufwand verbunden. Die Wissenschaft kann die Kriterien beschreiben, aber die Politik bzw. die Genehmigungs- behörde mittels Betriebsplan muss entscheiden, ob und wo Monitoring gemacht werden soll. 
• Korrekturhinweis:
  Hier ist ein Hinweis auf die Richtlinie GTV-1101 angebracht

Weitere Hinweise von Joswig:

Die größten induzierten Beben werden durch Staudämme ausgelöst, z. B. in Koyna, Indien mit Magnitude 6.

Es kann kein allgemeines Gutachten geben, welches besagt, ob Fracking in Norddeutschland kritisch ist oder nicht. Vielmehr müsste für jeden Standort auf Basis der vorhandenen geologischen Schwächezonen, des rezenten Spannungsfeldes sowie der konkreten Injektionsparameter ein gesondertes Gutachten erstellt werden.

Dokumente/Dateien: 

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