Seismisches Monitoring im Zusammenhang mit der geothermischen Nutzung des nördlichen Oberrheingrabens

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Elizabeth Holzmann
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1 AG Seismologie 8. Tiefengeothermie-Forum Seismisches Monitoring im Zusammenhang mit der geothermischen Nutzung des nördlichen Oberrheingrabens Prof. Dr. Georg Rümpker Benjamin Homuth, Dr. Michael Lindenfeld, Dr. Helmuth Winter Facheinheit Geophysik, Institut für Geowissenschaften Goethe Universität Frankfurt Darmstadt, 1. Oktober 2013

2 Erlaubnisfelder Hessen Beantragte / bewilligte Erlaubnisfelder zur Aufsuchung von Geothermie in Hessen Was wissen wir über die natürliche Seismizität im nördlichen Oberrheingraben? Quelle: Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie, Wiesbaden 1

3 Übersicht Grundlagen o Maße der Erdbebenstärke o Erdbeben als Scherbruch o Moment-Magnitude o Historische Seismizität in Deutschland und im nördlichen Oberrheingraben Projekt SiMoN: Mikroseismisches Netzwerk und Analyse der natürlichen Seismizität Projekt FERRY: Seismische Fernüberwachung geothermischer Kraftwerke mittels Arraytechnologien Ausblick: Seismisches Monitoring mit Bohrlochstationen 2

4 Maße für die Erdbebenstärke Quelle: Schweizerischer Erdbebendienst 3

5 Intensitätsskala 4

6 Erdbeben als Scherbruch Quelle: Schmidt, U Kiel { Versatz: D Größe der Bruchfläche: A 5

7 Moment-Magnitude Magnitudendefinition basierend auf dem Seismischen Moment: Größe der Bruchfläche A Versatz D Scherwiderstand m M0 m DA Mw 2 3 log10 M0-6.0 (M 0 in N m) Beispiel: m 10 : Scherwiderstand/Schermodul (Gesteinsparameter; 3 10 Pa) D : Versatz entlang Bruchfläche (z. B.: 1 cm) A: Bruchfläche (z.b.: 500 m 250 m) M M 0 w N m 6

8 Historische Erdbeben Grundlage für Gefährdungsabschätzungen Erdbebengebiete: Oberrheingraben Niederrhein Vogtland Schwäbische Alb Alpenrand (Intensitäten, nach Leydecker 2011) 7

9 Historische Seismizität Hessen Seismizität in Hessen (+ 50 km Umkreis) nach dem hessischem Erdbebenkatalog (Quelle: M. Kracht, HLUG, 2012) 8

10 Historische Seismizität Hessen Historische Seismizität inklusive Schwarmbeben ( ) in rot; keine Magnituden vorhanden; Intensitäten bis VII. 9

11 Erdbebenschwarm (H. Landsberg, Gerlands Beiträge zur Geophysik, 1931) 10

Projekt SiMoN SiMoN = Seismisches Monitoring im Zusammenhang mit der geothermischen Nutzung des Nördlichen Oberrheingrabens Finanziert durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und

12 Projekt SiMoN SiMoN = Seismisches Monitoring im Zusammenhang mit der geothermischen Nutzung des Nördlichen Oberrheingrabens Finanziert durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU). Laufzeit: Oktober 2011 bis September 2014 Forschungsziele Detektion und Lokalisierung seismischer Ereignisse zur Verbesserung der Charakterisierung der natürlichen Seismizität (M<2) im nördlichen Oberrheingraben weit vor der Realisierung eines Projekts der Tiefen Geothermie Modellierung des lokalen Spannungsfeldes Detektion möglicher induzierter Seismizität Projektpartner Universität Frankfurt AG Seismologie (Projektleitung) Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie (HLUG) in Kooperation mit Universität Stuttgart Institut für geothermisches Ressourcenmanagement (Bingen/Mainz) ÜWG / GeoT (Industriepartner) 11

Seismisches Monitoring SiMoN Netzwerk bestehend aus 13 Breitband Stationen (rote Dreiecke) mit Online- Anbindung (durch HLUG) Zusätzlich können Daten der Permanentstationen des Hessischen

13 Seismisches Monitoring SiMoN Netzwerk bestehend aus 13 Breitband Stationen (rote Dreiecke) mit Online- Anbindung (durch HLUG) Zusätzlich können Daten der Permanentstationen des Hessischen Erdbebendienstes (blaue Dreiecke) und der GRSN Station TNS (oranges Dreieck) genutzt werden. Schwarze Dreiecke repräsentieren Stationen, die während einer Pilotstudie zum SiMoN Projekt verwendet wurden. Die Pilotstudie fand zwischen November 2010 und September 2011 statt. Die Installation des SiMoN Netzwerkes begann im Dezember

14 13

15 Potentielle Standorte für das Geothermieprojekt der ÜWG 14

16 Seismische Stationen 15

17 Unterschiede Tag/Nacht Seismogramm - 1 Station bei Messel 16

18 Fernbebenregistrierung Seismogramm - 2 Station bei Darmstadt Sea of Okhosk 17

19 Lokale Signale Seismogramm - 3 Steinbruchsprengung? 18

20 Ereignistabelle Ereignisse pro Monat im Gebiet des Messnetzes 19

21 Lokalisierte Erdbeben Seismizität zwischen November 2010 und August 2013 (SiMoN- Netzwerk + Pilotstudie) 61 Erdbeben im Untersuchungsgebiet 20

22 Erdbeben-Lokalisierung Herdtiefenverteilung Magnituden- Häufigkeitsverteilung 21

23 Erdbeben-Herdtiefen Tiefenprofil projiziert auf Profillinie Seismizitätskarte mit Profillinie (gestrichelte schwarze Linie), die zur Erstellung des Tiefenprofils verwendet wurde. (Quelle: Homuth et al. 2013)

24 Tektonische Spannungen (Homuth et al. 2013; eingereicht bei Tectonophysics) Karte mit 55 Herdflächenlösungen für den Zeitraum 1997 bis Juni 2013, sowie Orientierung der T- Achsen als Histogramme. 23

25 Lokalisierungsfehler R > 2 x Herdtiefe (nach FKPE Empfehlungen) Streuung der Herdkoordinaten in Abhängigkeit vom Geschwindigkeitsmodell; hier: Dv=10% R > 2 x Herdtiefe 24

26 Projekt FERRY Seismische Fernüberwachung geothermischer Kraftwerke mittels Arraytechnologien Machbarkeitsstudie für das Monitoring von natürlichen und induzierten Ereignissen im Oberrheingraben mit einem seismischen Array Ort: Kleiner Feldberg / Taunus unter Einbindung der GRSN- Station TNS (sehr gutes S/N Verhältnis) Ziel: unabhängige und zentrale Überwachung induzierter Beben im Bereich geothermischer Anlagen. Das Projekt wird vom BMU mit einer Laufzeit von drei Jahren gefördert ( ) Beantragte / bewilligte Erlaubnisfelder zur Aufsuchung von Geothermie in Hessen Array - ca. 700 m - 25

27 Arrayverfahren - Prinzip (a) (b) Bestimmung von (Back)-Azimut (horizontaler Einfallswinkel) und vertikalem Einfallswinkel (Slowness) durch Richtstrahlbildung (beamforming) Daraus ergeben sich Richtung und Entfernung des Erdbebens

28 Taunus (Kl. Feldberg) Array 11 Elemente Array mit Apertur von ca. 700 m 10 Breitbandseismometer (Trillium Compact + Centaur Datenlogger von Nanometrics) Integration der bestehenden TNS Station Datenanbindung und Stromversorgung innerhalb des Observatorium Geländes per Kabel Betrieb der Außenstationen per Brennstoffzellen und Funkrouter Kalibrierung des Arrays mit Lokalisierungen eines mobilen Netzes von 10 Stationen im Oberrheingraben Voruntersuchung mit einem 5 Elemente Array 27

29 Array-Übertragungsfunktion Beschreibt die Übertragungseigenschaften des Arrays - wird aus Stationskoordinaten berechnet Azimut Ideale Eigenschaften für genaue Lokalisierung: Möglichst schmaler zentraler Peak großer Amplitude Keine Nebenmaxima 28

30 Array-Optimierung 29

31 Seismisches Rauschen I95 Stationskriterium (nach FKPE): Rauschamplitude < 2 µm/s (5-40 Hz) Beispiel: Alle Stationen im SiMoN- Netz weisen I95 Werte unterhalb von 2 µm/s auf! Kriterium ist nicht ausreichend zur Detektion und Lokalisierung von Beben kleinster Magnituden (< 0.5). Bohrlochmessungen notwendig 30

32 Signal/Noise - Verbesserung 100 m Quelle: P. Malin, IESE Auckland, NZ Signal to Noise Ratio 31

33 Magnituden - Empfindlichkeit 100 m Quelle: P. Malin, IESE Auckland, NZ 32

Geplante Bohrlochstationen Betrieb von 4 Bohrlochmessstationen zur Untersuchung der Änderung der Rauschbedingungen mit der Tiefe geplant: 2 x bis 50 m Tiefe (jeweils 1-2 wöchige Messungen an

34 Geplante Bohrlochstationen Betrieb von 4 Bohrlochmessstationen zur Untersuchung der Änderung der Rauschbedingungen mit der Tiefe geplant: 2 x bis 50 m Tiefe (jeweils 1-2 wöchige Messungen an verschiedenen Messstellen => laterale Variationen) 1 x bis 100 m Tiefe (dauerhafter Betrieb für min. 12 Monate, Referenzstation) 1 x Hole Lock System (=> vertikale Variationen) Verwendung von bestehenden Bohrungen (vor allem Grundwassermessstellen) zur Kostenersparnis m 2 BIEBRICH Nr [m] Gestein 0,7 0,0 0,0 : : : : Auffüllung : : : : -1,0 : : : : : : : : : : 2,0 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : -3,0 Sand : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : -4,5 4,8 Kalk- und Mergelstein ,3 Ton , , ,0-20,0-22,0 22, ,2 m ,0 Endtiefe -24,0 250 m m [m] -9,5 33

35 Bohrlochsensor Goethe-Universität Frankfurt 34

36 Zusammenfassung SiMoN Projekt: Charakterisierung der natürlichen Seismizität weit vor der Realisierung eines Projekts der Tiefen Geothermie Bisher keine Hinweise auf seismisch aktive Verwerfungen in Tiefen bis etwa 10 km im Bereich Groß-Gerau (Aussage basiert auf relativ kurzem Beobachtungszeitraum < 2 Jahre!). FERRY-Projekt: Seismisches Array im Taunus wird ab 2014 die unabhängige Detektion von Ereignissen im Umkreis bis etwa 50 km ermöglichen. Eine hochgenaue Lokalisierung ist nur mit zusätzlichen Stationen vor Ort möglich. Noisebedingungen im Oberrheingraben erfordern Bohrlochstationen zur sicheren Detektion von Ereignissen mit Magnituden < 0.5

AG Seismologie Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! weitere Informationen unter: www.simon.hlug.

37 AG Seismologie Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! weitere Informationen unter: Die Projekte SiMoN und FERRY werden vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) unter den Förderkennzeichen A/B bzw A gefördert und durch den Projektträger Jülich (PtJ) begleitet. 36

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