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. Mehr erfahren…
