Induzierte Seismizität besser vorhersagen

Thermo-poroelastische Spannungsübertragung und induzierte Schwankungen der Coulombschen Reibungsspannung (FCS) während langfristiger geothermischer Operationen. Obere Paneele: berechnete Schwankungen der FCS für eine thermo-poroelastische Simulation einer 30-jährigen kontinuierlichen Injektion und Förderung. Links: Modellergebnisse zu dem Zeitpunkt, an dem sich der Porendruck im System ausgleicht (maximale Ausdehnung der Porendruckfront). Rechts: Modellergebnisse in der Endphase des Betriebs. (Grafik: Cacace et al., Scientific Reports 11, 23560 (2021))

Neuer Modellierungsansatz hilft, unerwünschte seismische Aktivität infolge unterirdischer Arbeiten wie zum Beispiel der Erschließung geothermischer Lagerstätten zu verstehen und zu managen.

Im Zusammenhang mit unterirdischen Arbeiten – etwa zur Erschließung geothermischer Lagerstätten oder anderer Ressourcen – kann es zu unerwünschten seismischen Aktivitäten wie Erschütterungen oder kleineren Erdbeben kommen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Vorhersage solcher induzierter seismischer Gefährdungen zu verbessern. Die derzeitigen statistischen Ansätze berücksichtigen als wesentlichen physikalischen Effekt nur den Anstieg des Porendrucks. Wissenschaftler des Deutschen GeoForschungsZentrums Potsdam und der Freien Universität Berlin haben kürzlich im Fachmagazin Scientific Reports ein neuartiges mathematisches Modell vorgestellt, das die angenommenen Statistiken für den Einsatz in beliebigen Injektions- und Förderkonstellationen verallgemeinert und das auf beliebige physikalische Prozesse anwendbar ist. Damit konnten sie auch zeigen, wie verschiedene Injektions- und Fördermaßnahmen die seismische Gefährdung beeinflussen, und dass kontrollierte Injektionsprotokolle das induzierte seismische Risiko wirksam verringern können.

Verallgemeinerung eines erfolgreichen Modells

Seit seiner Veröffentlichung wurde das von Mitautor Serge Shapiro bereits 2010 entwickelte Seismogenic Index (SI)-Modell erfolgreich an vielen Standorten weltweit zur Vorhersage induzierter Seismizität eingesetzt. Der Erfolg dieser Theorie beruht auf ihrer relativ einfachen mathematischen Formulierung eines komplexen Problems: Das induzierte seismische Risiko einer Lagerstätte wird durch eine dimensionslose Konstante mit einer klaren physikalischen Bedeutung charakterisiert. Die derzeitige Formulierung geht von Porendruckänderungen, in neueren Arbeiten auch von poroelastischen Effekten, als Hauptursache für induzierte Erdbeben aus. Seither versucht man das SI-Modell auf andere Prozesse als die Diffusion von Porenfluid zu verallgemeinern, wobei das gleiche Maß an Einfachheit und die breite Anwendbarkeit der ursprünglichen Formulierung erhalten bleiben soll.

In der aktuellen Studie haben Mauro Cacace und Hannes Hofmann vom Deutschen GeoForschungsZentrum Potsdam und Serge Shapiro von der FU Berlin das SI-Modell für die Anwendung auf beliebige physikalische Prozesse und operative Arbeiten verallgemeinert. In dem neuen Modell wird die Seismizität durch ein normalisiertes Integral der Coulombspannungsänderung über das räumliche Reservoirvolumen (abgeleitet aus einem zugrunde liegenden Reservoirmodell) bestimmt, das – in Kombination mit dem „Seismogenic Index“ – einen dimensionslosen Näherungswert für die induzierte seismische Gefährdung liefert. „Unser Modell kann als hybrides physikalisches und statistisches Prognosemodell beschrieben werden, das die klassischen diffusionsbasierten und poroelastischen SI-Modelle beinhaltet und deren Anwendungsbereich erweitert“, sagt Mauro Cacace, Arbeitsgruppenleiter in der Sektion Sedimentbeckenmodellierung des GFZ.

Anwendung auf geothermische Systeme und Neubewertung seismischer Gefährdung

Bei der Anwendung des Modells auf geothermische Systeme haben er und seine Kollegen festgestellt, dass die induzierte seismische Gefährdung nicht nur von der Höhe des Drucks abhängt, sondern auch von den auferlegten Druckraten, was auch durch jüngste Laborexperimente belegt wurde. „Wir haben gezeigt, wie verschiedene Injektions- und Fördermaßnahmen die seismische Gefährdung beeinflussen, und dass kontrollierte Injektionsprotokolle das induzierte seismische Risiko wirksam verringern können“, resümiert Cacace.

Darüber hinaus zeigten die Forschenden, dass nichtlineare, quasi-statische thermo-poroelastische Spannungsübertragung zu einer systematischen Zunahme der Magnituden induzierter seismischer Ereignisse führt, die sich über ein größeres Volumen und einen längeren Zeitraum erstrecken, als es die klassischen Porendruckmodelle vorhersagen würden. „Dies mahnt zur Vorsicht bei der Bewertung der seismischen Gefährdung. Wenn solche komplexen physikalischen Wechselwirkungen nicht berücksichtigt werden, können nur Untergrenzen für Gefährdungsabschätzungen festgelegt werden“, erläutert Hannes Hofmann, Leiter der Helmholtz Nachwuchsgruppe ARES in der Sektion Geoenergie am GFZ und Juniorprofessor an der TU Berlin. „In dieser Hinsicht stellt unser neuartiger Ansatz eine wertvolle Ergänzung zu adaptiven Ampelsystemen dar, indem die induzierte Seismizität in Abhängigkeit vom Injektionsdesign berechnet werden kann.“

Berechnung der zu erwartenden Seismizität und weitere Anwendungen des neuen Modells

Der neue Ansatz bietet die Möglichkeit, Informationen (tektonischer „Seismogenic Index“), die während einer frühen Projektphase gewonnen wurden, zu nutzen, um die zu erwartende Seismizität zu berechnen, die durch eine andere Nutzungsart in derselben Lagerstätte induziert werden könnte. Darüber hinaus kann das Modell zur Ermittlung optimaler Injektionsstrategien verwendet werden, um potenzielle seismische Gefährdungen durch geplante Arbeiten zu mindern und die Anwendbarkeit neuartiger Konzepte zur Vorhersage und Kontrolle induzierter Erdbebengefahren zu testen.

In der vorliegenden Studie haben sich die Autoren auf Anwendungen für geothermische Lagerstätten beschränkt. Die Flexibilität des Modells ermöglicht jedoch eine breitere Anwendung für untertägige Arbeiten und eine Ausweitung auf natürliche Erdbeben, die wie gewöhnlich durch Coulombspannungsvariationen beschrieben werden können.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Mauro Cacace
Sektion 4.5 Sedimentbeckenmodellierung
Arbeitsgruppenleiter
Helmholtz-Zentrum Potsdam
Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
Telegrafenberg
14473 Potsdam
Tel: +49 331 288-1783
E-Mail: mauro.cacace@gfz-potsdam.de

Prof. Dr. Hannes Hofmann
Sektion 4.8 Geoenergie
Arbeitsgruppenleiter
Helmholtz-Zentrum Potsdam
Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
Telegrafenberg
14473 Potsdam
Tel: +49 331 288-28739
E-Mail: hannes.hofmann@gfz-potsdam.de

Originalpublikation:

M. Cacace, H. Hofmann, S. A. Shapiro, Projecting seismicity induced by complex alterations of underground stresses with application to geothermal systems. Scientific Reports, 11, 23560 (2021), DOI: 10.1038/s41598-021-02857-0
https://doi.org/10.1038/s41598-021-02857-0

https://www.gfz-potsdam.de/medien-kommunikation/meldungen/detailansicht/article/induzierte-seismizitaet-besser-vorhersagen/

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