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Porendruck löst Beben aus

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 11.07.2014 11:05

Die Erschließung sogenannter unkonventioneller Öl- und Gaslagerstätten ist ein kontroverses Thema. So hat der Einsatz von Fracking-Methoden den Vorreiter USA von Energieimporten fast unabhängig gemacht und eine Milliarden-Dollar-Industrie geschaffen. Gleichzeitig werden Beschwerden über die Umweltfolgen der Fördermethode laut. Neben Grundwasserproblemen und den gewaltigen Abfallmengen sorgen immer wieder Erdbeben in bislang seismisch ruhigen Gebieten für Kritik. In "Science" hat jetzt eine Arbeitsgruppe den Versuch unternommen, über statistische Korrelationen hinaus einen Mechanismus zu beschreiben, mit dem die Aktivitäten ruhende Störungen anregen können.

Die Bewohner im Nordosten Oklahomas mussten sich in den vergangenen Jahren mit ungewöhnlichen Ereignissen vertraut machen. Mitten in der sonst grundsoliden nordamerikanischen Prärie, bebte immer öfter der Boden. Während der US-amerikanische Geologische Dienst USGS sonst ein bis zwei spürbare Beben pro Jahr mit größeren Magnituden als 3,0 verzeichnete, stieg deren Zahl 2009 auf 20 an und wächst seither steil an. 2013 wurden bereits 109 dieser Beben gemessen, die man durchaus spüren kann. In der ersten Jahreshälfte 2014 waren es mehr als 240. Unter den knapp 500 Erdbeben seit 2009 waren auch 20 mittelstarke mit einer Magnitude zwischen 4,0 und 4,8 und das stärkste bisher gemessene überhaupt: ein Beben der Stärke 5,6, das am 5. November 2011 die Kleinstadt Prague östlich der Landeshauptstadt Oklahoma City traf.

Mit der Zahl seiner Beben hat sich der Präriestaat in die absolute Spitzengruppe der US-Erdbebenstaaten katapultiert. Im vergangenen Jahr belegte Oklahoma unter den 50 kontinentalen Gliedstaaten der USA noch Platz 2 hinter Kalifornien, in diesem Jahr dürfte es den Spitzenplatz ergattern. So auffällig war der Anstieg, dass der USGS im Mai 2014 davor warnte, dass sich durch die Bebenschwärme das Risiko eines schweren Schadenbebens wie das von Prague 2011 beträchtlich erhöht habe.

Die in Oklahoma seit 1970 gemessenen Erdbeben.Die Ursache für dieses ungewöhnliche Phänomen ist naturgemäß schwer festzumachen, denn das Geschehen kann nicht direkt beobachtet werden. Im Verdacht steht jedoch die Erdöl- und Erdgasförderung des Staates. Tausende Förderanlagen sprenkeln die Getreidefelder vor allem um Oklahoma City herum. Seit in großem Stil Fracking-Methoden eingesetzt werden, floriert die Industrie - sie hat den Staat im vergangenen Jahr zum drittgrößten Erdgasproduzenten der USA gemacht. Wissenschaftliche Studien haben bislang nur wenig mehr als Korrelationen liefern können, doch die statistischen Analysen deuten darauf hin, dass vor allem die Abwasserbehandlung in einem Zusammenhang mit der seismischen Aktivität stehen könnte. Beim Fracking fallen große Mengen von belasteten Abwässern an, die häufig umgehend wieder im Untergrund verpresst werden. An einigen Stellen in Oklahoma geschieht das in gewaltigen Mengen, es gibt vier Injektionsstellen, die zusammen jeden Monat 500.000 Kubikmeter Abwasser in den tiefen Untergrund einleiten. Deshalb spricht der USGS in seiner Warnung mit aller Vorsicht davon, dass die Injektion von Abwasser in tiefe geologische Formationen "ein wahrscheinlicher Faktor" sei. 


Eine Arbeitsgruppe aus Wissenschaftlern von drei US-Universitäten und aus dem USGS sind jetzt einen Schritt über die Korrelationen hinaus gegangen und haben in einem hydrologeologischen Modell untersucht, ob die Abwassermengen der vier hauptsächlichen Einspritzstellen ausreichten, um einen besonders hartnäckigen Erdbebenschwarm auszulösen. Dieser nach der Stadt Jones im Nordosten von Oklahoma City benannte Schwarm umfasst seit 2008 über 2500 spürbare Beben, rund ein Fünftel der in Oklahoma gemessenen Aktivität. "Unsere Untersuchung vermittelt Einsichten in den Prozess, durch den Beben ausgelöst werden", erklärt Hauptautorin Katie Karanen, Professorin an der Cornell University.

Und tatsächlich sind es wohl vor allem die vier hauptsächlichen Injektionsbohrungen, die die seismische Aktivität stimulieren. Die in den Untergrund eingepressten Wassermengen heben den Porendruck über eine kritische Schwelle, im Modell breitete sich eine Front erhöhten Druckes kreisförmig um die Injektionslöcher im Südosten Oklahoma Citys aus. Die Modellrechnungen berücksichtigen Messwerte aus den Jahren 1995 bis 2012 und zeigten, dass sich die Druckfront bis 2009 25 Kilometer von den vier Bohrlöchern entfernt hatte, bis 2012 schon 35 Kilometer. "Die Wanderung des Jones Schwarms stimmte sehr genau mit den modellierten Druckfronten überein", schreiben die Autoren um Karanen in ihrem "Science"-Aufsatz. "Überraschend sind die großen Distanzen, über die hinweg die Injektionen wirken", kommentiert der USGS-Seismologe William Ellsworth, der selbst nichts mit der Studie zu tun hat. Bislang hatten die Experten damit gerechnet, dass die Abwasserinjektionen maximal in einem 20-Kilometer-Radius eine Wirkung zeigen.

Der erhöhte Porendruck scheint Störungen im Untergrund Oklahomas zu aktivieren, die im richtigen Winkel zur Druckfront liegen. Für die größte bekannte Erdbebengefahr in Oklahoma ist das eine gute Nachricht, denn diese Nemaha-Störung, die direkt unterhalb von Oklahoma City verläuft, liegt nicht im richtigen Winkel. Die Störung kann Erdbeben bis zu einer Magnitude von 7 verursachen, doch um sie zu aktivieren, müsste der Porendruck wesentlich stärker sein als bislang gemessen. Dennoch raten die Experten der Arbeitsgruppe, das Problem nicht zu unterschätzen. "Man würde das Risiko drastisch reduzieren, wenn man Methoden nach dem Stand von Wissenschaft und Technik anwendete", betont Karanen. Dazu würde zum Beispiel gehören, die Abwässer nicht länger im Boden zu verpressen, sondern oberirdisch zu entsorgen.