Eine Untersuchung von Erdbeben, die durch die unterirdische Injektion von Flüssigkeiten ausgelöst wurden, hat überraschende Muster ergeben, was darauf hindeutet, dass die aktuellen Empfehlungen für Fracking, Abwasserentsorgung und geothermische Bohrungen möglicherweise überarbeitet werden müssen.
Forscher an der Universität von Santa Cruz analysierten Daten aus der ganzen Welt von Erdbeben, die eindeutig mit Injektionsbohrungen in Verbindung stehen. Sie fanden heraus, dass ein einziger Injektionsbrunnen Erdbeben in Entfernungen von mehr als 10 Kilometer vom Brunnen verursachen kann. Ihre Schlussfolgerung ist, dass das injektieren von Flüssigkeiten in Sedimentgestein im Allgemeinen größere, weiter entfernte Erdbeben verursachen können.
“Das ist problematisch, da der aktuelle Ratschlag ist, bevorzugt in die Sedimentsequenz zu inhizieren als theoretisch die sicherere Alternative zum Grundgestein”, sagte Emily Brodsky, Professorin für Erd- und Planetenwissenschaften an der UC Santa Cruz.
Postdoktorand Thomas Goebel sagte: “das Schlüsselproblem sei der räumliche Fußabdruck induzierter Seismizität um den Injektionsbrunnen herum. Es ist nicht so, dass das Grundgestein sicher ist, weil es immer noch die Möglichkeit gibt, eine Störung im Grundgestein zu finden, der ein großes Erdbeben verursachen kann, aber die Wahrscheinlichkeit ist geringer, weil der räumliche Fußabdruck kleiner ist”.
In einer am 31. August in Science veröffentlichten Arbeit beschrieben Goebel und Brodsky zwei verschiedene Muster induzierter Seismizität, die sie mit verschiedenen physikalischen Mechanismen im Grundgestein und Sedimentgestein in Verbindung brachten. In dem ersten Muster, das mit der Injektion in das Grundgestein verbunden ist, treten Erdbeben in einem kompakten Cluster um das Bohrloch herum auf, mit einem starken Rückgang der Erdbeben weiter vom Bohrloch entfernt. In dem anderen Muster, das mit dem Sedimentgestein assoziiert ist, nehmen induzierte Erdbeben allmählich mit der Entfernung von der Quelle ab und treten in viel größeren Entfernungen auf.
(Goebel und Brodsky, science, 2018).
Der physikalische Mechanismus, durch den Injektionsbohrungen Erdbeben entstehen lassen, wurde als direkte Folge eines erhöhten Fluiddrucks in den Poren des Gesteins angesehen, wodurch Störungen leichter verrutschen können. Dieser Mechanismus kann das räumliche Muster der Seismizität erklären, dass bei der Injektion im Grundgestein beobachtet wird, sagte Goebel. Das Muster, das bei der Injektion in Sedimentgestein beobachtet wird, legt jedoch einen anderen Mechanismus nahe, der aus einer effizienten “poroelastischen Kopplung” resultiert, die die Fähigkeit des Gesteins steuert, Fluidspannungen in die feste Gesteinsmatrix zu übertragen.
“Wenn Sie Wasser in den Boden injizieren, drückt es auf das umgebende Gestein und erzeugt eine elastische Spannung, die auf einer Entfernung Druck ausüben kann, ohne Wasser in diese Störungen zu setzen. Wenn also Poroelastizität dominant ist, erhalten Sie eine größere Grundfläche, weil es benachbarte Störungen außerhalb des Bereichs des erhöhten Porendrucks lädt “, sagte Brodsky.
Laut Goebel ist das kristalline Grundgestein steifer und hat eine geringere Porosität als Sedimentgestein. “Daher ist der Anstieg des Porendrucks auf isolierte Röume um das Bohrloch herum begrenzt, und die Kopplung mit dem gesamten Spannungsfeld ist gering”, sagte er.
Goebel sagte, ihre Ergebnisse helfen, das Ausmaß der induzierten Seismizität in Regionen wie Oklahoma zu erklären, wo es viele Injektionsstellen in Öl- und Gasfeldern gibt. Oklahoma hat seit 2010 einen dramatischen Anstieg der Erdbeben erlebt, so dass es jedes Jahr mehr Erdbeben gibt als in Kalifornien. Goebel und Brodsky haben jedoch keine Standorte in Oklahoma in ihre Studie einbezogen, da es so viele Injektionsbohrlöcher gibt, dass sie die Auswirkungen einzelner Bohrlöcher nicht isolieren können.
Veröffentlichung: Thomas H. W. Goebel, Emily E. Brodsky. The spatial footprint of injection wells in a global compilation of induced earthquake sequences. Science, 2018; 361 (6405): 899 DOI: 10.1126/science.aat5449
Pia Gaupels
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