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Die Einflussnahme des Menschen auf seismische Prozesse. Erdbeben durch Fluidinjektionen für Erdöl- und Erdgasförderung und Staudämme

Seminararbeit 2019 28 Seiten

Geowissenschaften / Geographie - Phys. Geogr., Geomorphologie, Umweltforschung

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1. Einleitung

2. Ziele und Forschungsfragen

3. Methodik und Aufbau

4. Allgemeines über Erdbeben
4.1. Entstehung von Erdbeben und Begriffsklärungen
4.2. Plattentektonik
4.3. Messung von Erdbeben
4.4. Auswirkungen und Vorhersage von Erdbeben

5. Anthropogene Einflüsse auf seismische Prozesse - induzierte Erdbeben
5.1. Fluidinjektion (Hydraulic Fracturing)
5.1.1. Problembeschreibung
5.1.2. Empirische Befunde
5.2. Staudämme
5.2.1. Problembeschreibung
5.2.2. Empirische Befunde
5.3. Risikobewertung und Vorhersage

6. Synthese und Ausblick

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 - Induzierte Erdbeben weltweit; Quelle: National Research Council 2013: 25

Abbildung 2 - Möglichkeiten der Spannungsänderungen im Gestein; Quelle: Ritter 2016:31

Abbildung 3 - Spannungsänderungen im Gestein durch Fluidinjektion; Quelle: Ritter 2016:30

Abbildung 4 - Induzierte Erdbeben durch Hydraulic Fracturing und Abwasserinjektion; Quelle: Witman 2018: o. S

Abbildung 6 - Porendruckveränderung durch Abwasserinjektion im mittleren Westen der USA; Quelle: Candela et al. 2018: 599

Abbildung 5 - Anzahl der Erdbeben mit Magnituden > 3 in den zentralen USA (1970-2013); Quelle: U.S. Geological Survey, Earthquake Hazards Program, übernommen von Folger & Tiemann 2015: 8

Abbildung 7 - Erdbeben mit Magnituden >2,5 in Oklahoma 1975-2015, Quelle: McNamara et al. 2015, übernommen von Foulger et al. 2018: 469

Abbildung 8 - Porendruckänderung und Anzahl der Erdbeben in Jones (Oklahoma) im Dezember 2009 und 2012; Quelle: Keranen et al. 2014: 450

Abbildung 9 - Erdbeben mit einer M >1 in der Nähe des Zipingpu-Staudamms von 2004 bis 2008; Quelle: Tao et al. 2015: 7034

Abbildung 10 - Veränderung des Porendruck unterhalb des Zipingpu-Staudamms; Quelle: Tao et al. 2015: 7038

Abbildung 11 - Maximale Erdbebenstärke durch menschliche Aktivitäten; Quelle: Foulger et al. 2018: 499

1. Einleitung

Weltweit werden pro Tag durchschnittlich 270 Erdbeben mit einer Magnitude größer als 3 registriert. (vgl. BGR 2019) Dabei handelt es sich meist um solche Erdbeben, die keine Schäden verursachen. Einzelne können jedoch verheerend sein und eine große Anzahl an Menschenleben fordern, insbesondere dann, wenn sie sich in Siedlungsgebieten ereignen. Erdbeben stellen somit eine der größten Naturgefahren dar. Während Erdbeben in der Regel von naturgegebenen seismischen Prozessen, d.h. durch Verschiebungen der Erdplatten oder vulkanische Aktivität, ausgelöst werden, können einzelne aber auch auf Aktivitäten des Menschen zurückgeführt werden. Erdbebenprozesse, die durch verschiedene Eingriffe des Menschen in den Untergrund verursacht werden, bezeichnet man als induzierte Seismizität. Durch die vermehrte Nutzung von natürlichen Ressourcen und Bodenschätzen hat sich die induzierte Seismizität weltweit erhöht. Ursachen für anthropogen induzierte Erdbeben können beispielsweise Sprengungen, Geothermie, CO2-Speicherung im Gesteinsuntergrund oder Prozesse der Rohstoffentnahme aus dem Erdinneren im Zuge von Bergbau oder Erdöl- und Erdgasförderung sein. (vgl. ZAMG 2019) Vor allem aber große Staudämme und Fluidinjektionen in die Erdkruste, etwa beim Hydraulic Fracturing, können die Spannungsverhältnisse in der Erdkruste ändern und direkt Bruchvorgänge erzeugen. (vgl. Ritter 2016: 28) Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit solchen Erdbeben, die durch Staudämme und Hydraulic Fracturing ausgelöst werden.

2. Ziele und Forschungsfragen

Es ist bekannt, dass menschliche Aktivitäten Erdbeben auslösen können. Die Nutzung von natürlichen Ressourcen geht auch mit einer Beanspruchung der Lithosphäre einher. Dabei wird Einfluss auf die naturgegebenen seismischen Prozesse genommen, indem beispielsweise im Zuge der Erdöl- und Erdgasförderung Fluide in den Gesteinsuntergrund injiziert werden oder große Staudämme zur Wasserspeicherung errichtet werden. Wie gefährlich ist allerdings die Einflussnahme des Menschen auf die Lithosphäre und welche Veränderungen lassen sich in dieser feststellen? Ziel der Untersuchung ist es, herauszufinden, welches Risiko anthropogen ausgelöste Erdbeben bergen. Dabei soll der Fokus einerseits auf Fluidinjektionen durch Erdöl- und Erdgasförderung und andererseits auf Staudämme gerichtet werden. Erstens soll eruiert werden, ob Aktivitäten, die mit der Erdöl- und Erdgasförderung einhergehen, stärkere Schadensbeben auslösen können. Dabei wird angenommen, dass Fluidinjektionen insbesondere in seismisch aktiven Zonen zu Erdbeben führen. Folglich wird nach den Auswirkungen von Staudämmen auf die Lithosphäre gefragt. Im Zuge dessen soll untersucht werden, ob die Wasserlast bzw. der Wasserdruck Auslöser für schwere Erdbeben sein können. Ein weiteres Ziel ist es herauszufinden, welche Gegebenheiten vorherrschen müssen, um Erdbeben zu induzieren. So sollen die Hauptfaktoren, die die Entstehung von Erdbeben durch anthropogene Aktivitäten beeinflussen, identifiziert werden. Aus diesen Zielen leiten sich folgende Forschungsfragen ab, die am Ende beantwortet werden sollen:

1. Können Flüssigkeitsinjektionen ins Gestein und Staudämme stärkere Schadensbeben auslösen?
2. Welche Faktoren beeinflussen die Entstehung von Erdbeben durch anthropogene Aktivitäten?

Zur Hauptforschungsfrage 1 wurden folgende Hypothese formuliert:

1. Flüssigkeitsinjektionen im Zuge der Erdöl- und Erdgasförderung können in seismisch aktiven Regionen zu schweren Erdbeben führen.
2. Wasserdruck in Stauseen führt zu seismischem Stress, wodurch schwere Erdbeben ausgelöst werden können.

3. Methodik und Aufbau

Bei der vorliegenden Arbeit handelt es sich um eine Literaturarbeit. Mehrere Studien zum Thema sollen zusammengefasst werden, um eine umfassende Analyse zu ermöglichen. Zu induzierten Erdbeben, besonders im US-amerikanischen Raum, wurden bereits viele Studien durchgeführt. Während die Auswirkungen von Staudämmen auf die Erdkruste schon genauer untersucht wurden, konzentriert sich die Forschung erst seit kürzerer Zeit auf Erdbeben, die durch Erdöl- und Erdgasförderung mittels Hydraulic Fracturing ausgelöst werden. Die Arbeit soll den neusten Forschungsstand wiedergeben. Deshalb wurde versucht möglichst aktuelle Studien zu zitieren.

In dieser Arbeit werden induzierte Erdbeben durch Staudämme und Fluidinjektion durch Hydraulic Fracturing auf globaler Maßstabsebene betrachtet. Insbesondere steht der mittlere Westen der Vereinigten Staaten im Zentrum der Untersuchung, da hier die Erdöl- und Erdgasförderung zu einem enormen Anstieg der Erdbeben geführt hat.

Um eine Annäherung ans Thema zu ermöglichen erfolgt zuallererst eine allgemeine, kurze Einführung über Erdbeben. Es wird erklärt wie Erdbeben entstehen und relevante Begriffe erläutert, anschließend soll auf die Plattentektonik eingegangen werden. Folgend werden die Messung sowie die Auswirkungen und die Vorhersage von Erdbeben thematisiert. Kapitel 5 widmet sich der Analyse anthropogen induzierter Erdbeben. Zuerst wird allgemein diskutiert, inwiefern der Mensch auf die Lithosphäre bzw. auf seismische Prozesse Einfluss nimmt. Anschließend wird der Fokus auf Erdbeben gerichtet, die durch Fluidinjektionen im Zuge von Hydraulic Fracturing ausgelöst wurden. Nach der Problembeschreibung stellt die Zusammenführung empirischer Befunde den nächsten Schritt im Analyseverfahren dar. Im zweiten Teil der Analyse wird danach gefragt, ob Staudämme stärkere Schadensbeben verursachen können. Dabei sollen wiederum die Auswirkungen von Staudämmen auf die Lithosphäre diskutiert werden, bevor empirische Befunde verglichen werden. Als letztes wird auf das Risiko von anthropogen ausgelösten Erdbeben sowie auf deren Vorhersage eingegangen. Abschließend sollen die Ergebnisse der Studien zusammengefasst werden. Die Beantwortung der Forschungsfragen bzw. die Verifizierung oder Falsifizierung der Hypothesen sollen hier erfolgen. Außerdem wird ein kurzer Blick in die Zukunft gegeben.

Im Literaturverzeichnis finden Sie Quellenangaben zur verwendeten Literatur, die teilweise auch online verfügbar ist.

4. Allgemeines über Erdbeben

4.1. Entstehung von Erdbeben und Begriffsklärungen

Erdbeben entstehen, wenn Gesteine über einen kritischen Wert der Scherspannung hinaus beansprucht werden, dadurch deformiert werden und schließlich brechen. Am häufigsten treten Erdbeben an Plattengrenzen auf, weil dort Spannung am größten ist und die Festigkeit des Gesteins durch vorhergegangene Erdbeben bereits vermindert wurde. Die Verschiebung passiert ruckartig. Dabei wird Energie frei, die als Bodenbewegungen wahrgenommen werden können. Nach dem Beben reduziert sich die Spannung, bevor sie sich nach und nach wieder langsam aufbaut und zu einem bestimmten Zeitpunkt zu einem erneuten Erdbeben führt. (vgl. Press & Siever 2008: 332f., vgl. Grotzinger & Jordan 2017: 336f.)

Als Hypozentrum oder Erdbebenherd bezeichnet man jenen Punkt, an dem die Verschiebungsbewegung einsetzt, als Epizentrum jenen Ort direkt über dem Hypozentrum an der Erdoberfläche. Erdbeben treten in der kontinentalen Kruste üblicherweise in einer Tiefe von 2 bis 20 km auf. (vgl. Grotzinger & Jordan 2017: 339)

4.2. Plattentektonik

Seit Beginn der Forschung konnte beobachtete werden, dass sich die meisten Erdbeben an den Rändern der Erdplatten ereignen. Erdbeben können allgemein an konvergierenden und divergierenden Platten sowie an Transformstörungen auftreten. Darüber hinaus sind aber auch Intraplattenerdbeben möglich. An konvergenten Plattengrenzen sind weltweit die stärksten Erdbeben zu verzeichnen. Dabei schiebt sich an der Subduktionszone eine Platte unter die andere. Divergierende Platten bewegen sich voneinander weg. Durch die Dehnungskräfte, die während dieses Vorgangs wirken, werden Erdbeben ausgelöst. An Transformstörung gleiten zwei Platten in entgegengesetzter Richtung aneinander vorbei. Durch die Reibung werden die Gesteinsblöcke ruckartig bewegt, sodass Erdbeben erzeugt werden. Einzelne wenige Erdbeben kommen auch innerhalb der Erdplatten vor, wobei diese sehr heftig sein können. Sogenannte Intraplattenerdbeben sind der Beweis dafür, dass selbst in weiter Entfernung von Plattengrenzen noch große Kräfte in der Kruste wirken und Brüche möglich sind. (vgl. Grotzinger & Jordan 2017: 352-354)

4.3. Messung von Erdbeben

Seismische Wellen sind starke Schwingungen, die durch ein Erdbeben ausgelöst werden und sich radial vom Erdbebenherd weg über die gesamte Erde ausbreiten. Die Messung von seismischen Wellen funktioniert mittels eines Seismographen. Man unterscheidet zwischen Primärwellen, Sekundärwellen und Oberflächenwellen. Zuerst kommen die Primärwellen beim Seismographen an, dann die Sekundärwellen, schließlich die Oberflächenwellen. Sowohl Primär- als auch Sekundärwellen durchlaufen das Erdinnere, während sich Oberflächenwellen nur an der Erdoberfläche ausbreiten. (vgl. Grotzinger & Jordan 2017: 339-343)

Gemessen wird die Erdbebenstärke heute meist mithilfe der Moment-Magnitude (früher meist Richter-Magnitude verwendet). Die Magnitude gibt Aufschluss über die Intensität der seismischen Wellen und die potentielle Zerstörungskraft des Erdbebens. Schwache Erdbeben, d.h. Erdbeben mit einer geringen Magnitude, sind weltweit viel häufiger als starke Erdbeben. So treten beispielsweise pro Jahr etwa 1.000.000 Erdbeben mit Magnituden größer zwei auf, während jährlich nur ungefähr zehn Erdbeben mit Magnituden über sieben zu verzeichnen sind. (vgl. Grotzinger & Jordan 2017: 346ff.)

4.4. Auswirkungen und Vorhersage von Erdbeben

Die Auswirkungen von Erdbeben können verheerend sein. In den letzten zehn Jahren (Stand 2017) wurden weltweit etwa 700.000 Menschen durch Erdbeben getötet. Beispielsweise kamen beim Erdbeben in L‘Aquila am 6. April 2009 309 Menschen ums Leben, in Haiti wurden am 12. Jänner 2010 316.000 Menschen getötet. Das verheerende Erdbeben in Tohoku (Japan) 2011 forderte fast 20.000 Tote. Neben den Todesopfern sind selbstverständlich auch die wirtschaftlichen und finanziellen Schäden nicht außer Acht zu lassen. Gebäudeschäden können zum Teil enorm sein. Abgesehen davon dürfen auch die sekundären Effekte von Erdbeben nicht vergessen werden. Tsunamis können zusätzlich noch viel mehr Menschenleben fordern als das Erdbeben selbst, wie es in Japan 2011 der Fall war. Weiters war auch die Explosion des Kernkraftwerkes in Fukushima damit verbunden. Darüber hinaus können Erdbeben zu Erdrutschen oder Bränden führen. (vgl. Grotzinger & Jordan 2017: 354ff.)

Die genaue Vorhersage über Ort, Zeit und Magnitude eines Erdbebens ist schwierig. Je länger das letzte Erdbeben zurückliegt, desto wahrscheinlicher ist es, dass bald das nächste Erdbeben stattfinden wird. Allerdings ist eine präzise langfristige Vorhersage unmöglich. Auch die kurzfristige Vorhersage von Erdbeben, d.h. die Angabe von Ort und Zeit einige Tage oder Stunden davor, ist schwierig, aber möglich. Kleinere Vorbeben sowie eine rasche Deformation des Untergrundes können Vorzeichen für Erdbeben sein. (vgl. Grotzinger & Jordan 2017: 367f.)

5. Anthropogene Einflüsse auf seismische Prozesse - induzierte Erdbeben

Durch menschliche Aktivität induzierte Seismizität wurde seit den 1920er Jahren beobachtet und dokumentiert. (vgl. Pratt & Johnson 1926, zit. n. National Research Council 2013: 24) In den letzten Jahrzehnten zeigte sich, dass induzierte Erdbeben weltweit vermehrt auftreten. (vgl. Foulger et al. 2018: 438) Bell (1999) beschreibt ,induzierte Seismizität’ folgendermaßen: „Induced seismicity occurs where changes in the local stress conditions give rise to changes in strain in a rock mass.” (Bell 1999: 105) Es ändern sich also die Spannungsverhältnisse in der Erdkruste, indem direkt auf diese Einfluss genommen wird. Bell (1999), sich beziehend auf McCann (1988), führt weiter aus: “It is the action of man that causes the activity by bringing about these changes in the local stress conditions.” (McCann 1988, zit. n. Bell 1999: 105) Aktivitäten des Menschen verursachen demzufolge Änderungen im Spannungsfeld der Lithosphäre, wodurch Erdbeben ausgelöst werden können. Dabei handelt es sich um Aktivitäten wie Bergbau, die Errichtung von Staudämmen, Geothermie, Erdöl- und Erdgasförderung, Fracking und CO2-Speicherung, um die wichtigsten zu nennen. Insbesondere treten induzierte Erdbeben durch Massenumlagerungen und durch das Verpressen von Flüssigkeiten in den Gesteinsuntergrund auf. Bereits geringe Beanspruchungen der Lithosphäre durch anthropogene Aktivitäten können ausreichen, um den Stress in der Erdkruste derart zu erhöhen, sodass Erdbeben initiiert werden. In den meisten Fällen handelt es sich aber nur um Mikrobeben, die kaum bemerkbar sind. (vgl. Foulger et al. 2018: 438, vgl. Ritter 2016: 28) Nach der Erdbebendatenbank HiQuake konnten zwischen 1868 und 2016 über 700 Erdbeben verzeichnet werden, die durch anthropogene Aktivitäten ausgelöst wurden. Allerdings ist nicht immer sicher, ob die Erdbeben tatsächlich durch den Menschen induziert wurden oder doch auf natürliche Tektonik zurückzuführen sind. Manche Erdbebenereignisse können nicht eindeutig auf menschliche Aktivitäten zugeschrieben werden, weshalb sich auch im wissenschaftlichen Bereich die Meinungen spalten. (vgl. Foulger et al. 2018: 438f.) Grundsätzlich ist zwischen natürlicher und menschlich induzierter Seismizität zu unterschieden. Jedoch kann es zu Überschneidungen kommen, wenn beispielsweise Erdöl- und Erdgasförderung in tektonisch vorbelasteten Gebieten stattfindet. Auf die Überschneidung von natürlicher und induzierter Seismizität soll im Laufe der Analyse noch genauer eingegangen werden. (vgl. Ritter 2016: 28) Die folgende Karte zeigt alle bisher aufgezeichneten induzierten und vermutlich induzierten Erdbeben weltweit.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 – Induzierte Erdbeben weltweit; Quelle: National Research Council 2013: 25

Damit ein Erdbeben induziert werden kann, muss die kritische Spannung relativ zur Gesteinsfestigkeit überschritten werden. Dies kann, unter anderem, durch folgende Prozesse passieren. Erstens ist es möglich, dass sich die vertikale Spannungskomponente im Gebirgskörper durch Gesteins- oder Fluidentnahme verringert (sh. Abbildung 2, C). Die Druckentlastungen können heftige Erdbeben mit Magnituden über 4 bewirken. Das Erdbeben 2011 bei Lorca in Spanien mit einer Stärke rund 5,1 ist zum Beispiel auf die massive Grundwasserentnahme für die Landwirtschaft zurückzuführen. Auf Erdbeben, die durch Fluidentnahmen ausgelöst wurden soll aber in der vorliegenden Arbeit nicht näher eingegangen werden. Zweitens kann es durch das Befüllen eines Stausees zu Spannungsänderungen im Gebirgskörper kommen (sh. Abbildung 2, D). In der Regel korreliert das Auftreten von Erdbeben mit der Füllhöhe von Staudämmen. Es ist jedoch nicht eindeutig geklärt, ob die zusätzliche Auflast auf den Gesteinskörper oder das Eindringen von Fluiden in den Untergrund entscheidend sind. Gerade bei Staudämmen können ungünstige Verhältnisse zusammenkommen. Flussläufe bilden sich bevorzugt an geologisch-tektonischen Schwächezonen. Der Fluideintrag kann dort bereits existierende Verwerfungen in der Erdkruste verursacht haben; das Aufstauen des Wasserreservoirs kann die Spannung zusätzlich kritisch verändern. Drittens können Fluidinjektionen und -bewegungen Spannungsänderungen im Gestein hervorrufen (sh. Abbildung 2, E und F). Das Verpressen von toxischen Abwässern oder die Injektion von Fluiden bei der Erdgas- und Erdölförderung führen zur Änderung des Porenwasserdrucks. Fracking -Aktivitäten in British Columbia 2014 und 2015 haben beispielsweise ein Beben mit einer Magnitude von 4,4 verursacht. (vgl. Ritter 2016: 29ff.)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 – Möglichkeiten der Spannungsänderungen im Gestein; Quelle: Ritter 2016: 31

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Details

Seiten
28
Jahr
2019
ISBN (eBook)
9783346326317
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v975794
Institution / Hochschule
Universität Wien – Institut für Geografie und Regionalforschung
Note
1,0
Schlagworte
anthropogen induzierte Erdbeben Fluidinjektion Hydraulic Fracturing Staudämme Erdöl- und Erdgasförderung seismische Prozesse

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Titel: Die Einflussnahme des Menschen auf seismische Prozesse. Erdbeben durch Fluidinjektionen für Erdöl- und Erdgasförderung und Staudämme