Überwachung von Bodenbewegungen über einem Erdgas- Porenspeicher mit Methoden der satellitenbasierten Radarinterferometrie

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1 Überwachung von Bodenbewegungen über einem Erdgas- Porenspeicher mit Methoden der satellitenbasierten Radarinterferometrie Tanja Schäfer 1, Tilman Brock 1, Wolfgang Busch 1, Matthias Stark 2 1 Institut für Geotechnik und Markscheidewesen, TU Clausthal, Clausthal-Zellerfeld 2 GASAG Berliner Gaswerke Aktiengesellschaft, Berlin Zusammenfassung. Bei einem Porenspeicher führt die initiale Befüllung im Regelfall zu Hebungen, während sich in der Nutzungsphase Hebungen und Senkungen an der Tagesoberfläche abwechseln. Diese Bodenbewegungen können klassischerweise mit Nivellements oder GPS-Messungen überwacht werden. Da durch die Verdrängung von Porenwasser der laterale Einfluss über den gasgefüllten Bereich hinaus reichen kann, sollte die Eignung der satellitenbasierten Radarinterferometrie als wirtschaftliche Methode zur großräumigen Überwachung eines Porenspeichers erprobt werden. Der hier untersuchte Porenspeicher befindet sich in einem Aquiferhorizont in mehreren Hundert Metern Tiefe unter Berlin, und wird von der Berliner Gaswerke Aktiengesellschaft (GASAG) betrieben. An der TU Clausthal wurden Daten der Radarsatelliten ERS-1/2 für den Zeitraum Mai 1992 bis Dezember 2000 mit der Persistent Scatterer Methode zur retrospektiven Erfassung von Höhenänderungen während der Befüllungsphase des Speichers ausgewertet. Da die ermittelten Höhenänderungen eine gute Übereinstimmung mit dem Druckanstieg während der Befüllung des Speichers zeigten, wurde die radarinterferometrische Erfassung von Höhenänderungen während der Betriebsphase in ein Monitoringkonzept für den UGS Berlin eingebunden und mit aktuellen Radardaten des Umweltsatelliten ENVISAT für den Zeitraum Januar 2003 bis Oktober 2010 fortgeführt. Aktuell werden hochauflösende Radardaten des Satelliten TerraSAR-X über dem Gebiet aufgenommen, mit denen eine Fortführung des Bodenbewegungsmonitoring geplant ist. Abstract. The initial injection phase of an underground gas storage situated in aquiferous reservoir rocks is usually accompanied by ground uplift, whereas changes between uplift and subsidence occurs at the operating stage. These height changes are normally monitored by leveling or GPS measurements. Because of pore water expulsion, especially during the injection phase, the influence on the surface above the reservoir is outreaching the gas filled area. Hence it was considered to test the ability of satellite based radar interferometry as an economical technique for the large-scale surveying of underground gas storages. The investigation area is an underground gas storage facility in the western part of the city of Berlin/Germany operated by Berliner Gaswerke Aktiengesellschaft (GASAG). Satellite data of radar sensors on ERS-1/2 for the period was analyzed using Persistent Scatterer Technique to retrospectively detect deformation above the gas storage during the initial injection. The deformation results corresponds well with the pressure increase during the initial injection. Therefore the radarinterferometric detection of height changes was included into a monitoring concept at the operating stage, by analyzing radar data of ENVISAT for the period Currently, high resolution data of the radar satellite TerraSAR-X is acquired to continue the deformation monitoring

2 1 Einführung Zur Sicherstellung der Gasversorgung für Bevölkerung und Industrie werden weltweit Erdgasspeicher genutzt, um eine Pufferfunktion zwischen Produktion bzw. Import und dem Verbrauch von Erdgas zu erfüllen. Hierzu werden Kavernen- und natürliche Porenspeicher in ausgeförderten Lagerstätten oder in Aquiferen verwendet, die beiden letzteren dienen aufgrund ihrer zu berücksichtigenden Durchflussparameter vorwiegend dem Ausgleich saisonaler Verbrauchsschwankungen (jahreszeitlicher Ein- und Ausspeicherzyklus). Je nach Speichertyp und zweck verursachen die variierenden Drücke in Abhängigkeit von der geologischen Situation Höhenänderungen an der Tagesoberfläche. Bei dem hier untersuchten Aquiferspeicher handelt es sich um den von der GASAG betriebenen Untertageerdgasspeicher Berlin. Strukturell bilden die Speicherhorizonte im mittleren Buntsandstein eine Antiklinale über dem Salzkissen Berlin, mit einem steileren Schichteinfallen im Westen und einem flacheren Schichteinfallen im Osten (s. Abb.1) [1]. Das Top der Struktur befindet sich im Bereich der Kreuzung Glockenturmstraße/Heerstraße (s. Abb. 2). Abb.1: Großräumige Struktur der Speicherhorizonte über dem Salzkissen Berlin [1] Abb.2: Tiefenlinien des Speicher-Topbereiches [2] - 2 -

3 Bei einem Porenspeicher führt die initiale Befüllung im Regelfall zu Hebungen, während sich in der Nutzungsphase Hebungen und Senkungen an der Tagesoberfläche abwechseln. Diese Bodenbewegungen können klassischerweise mit Nivellements oder GPS-Messungen überwacht werden. Da durch die Verdrängung von Porenwasser der laterale Einfluss über den gasgefüllten Bereich hinaus reichen kann, sollte die Eignung der satellitenbasierten Radarinterferometrie als wirtschaftliche Methode zur großräumigen Überwachung eines Porenspeichers erprobt werden. Dazu wurden Daten des synthetischen Apertur Radar (SAR) an Bord der Satelliten ERS-1 und -2 für den Zeitraum Mai 1992 bis Dezember 2000 und Daten des SAR an Bord des Satelliten ENVISAT mit der Persistent Scatterer Methode, einer punktbasierten Methode der differentiellen Radarinterferometrie, ausgewertet. 2 Das Verfahren der differentiellen Radarinterferometrie 2.1 Allgemeines Das Verfahren der differentiellen Radarinterferometrie zur Erfassung von Bodenbewegungen hat in den letzten 18 Jahren aufgrund der Verfügbarkeit geeigneter Radarsatelliten erheblich an Interesse und Bedeutung gewonnen. Eine erste Erfassung von Bewegungen der Erdoberfläche wurde mit Radarbildern des Satelliten Seasat durchgeführt [3]. Mittlerweile haben sich viele weitere Anwendungsgebiete für die Differentielle Radarinterferometrie entwickelt, zum Beispiel bei der Beobachtung von Bodenbewegungen durch geogene Phänomene wie Erdbeben, Vulkanaktivitäten, Hangrutschungen und Gletscherbewegungen oder bei der Überwachung von Bodenbewegungen in Bergschadensgebieten. Die Entwicklung und der Einsatz immer hochauflösenderer Radarsatelliten, wie der in 2007 gestartete deutsche Satellit TerraSAR-X und der in 2010 gestartete TanDEM-X machen die Radarinterferometrie zu einem zukunftsfähigen Verfahren für das Bodenbewegungsmonitoring. Die Radarfernerkundung bietet gegenüber der herkömmlichen Fernerkundung mit Satellitendaten im optischen Bereich des elektromagnetischen Spektrums verschiedene Vorteile. Radarsensoren senden aktiv elektromagnetische Strahlung aus und empfangen die von der Erdoberfläche reflektierte Strahlung wieder. Aufgrund dessen können Radardaten unabhängig von der Tageszeit aufgezeichnet werden, und die langwellige Strahlung durchdringt die Erdatmosphäre auch bei Bewölkung oder Niederschlag. Mit Radarsatelliten kann keine Messung der absoluten Distanz (Laufzeit) zwischen Sensor und Erdoberfläche durchgeführt werden. Es ist jedoch möglich, die Information über die Intensität des zurückgestreuten Signals und der Phasenlage zwischen ausgesendetem und empfangenem Signal als komplexe Messgröße zu gewinnen. Letztere bildet die Grundlage für die Messung von Höhenänderungen der Geländeoberfläche. Das Prinzip der differentiellen Radarinterferometrie mit SAR-Daten (DInSAR) beruht auf der Verrechnung zweier Satellitenszenen von verschiedenen Zeitpunkten zu einem Interferogramm, welches die Differenz zwischen den Phasenlagen zweier Aufnahmezeitpunkte darstellt. Anhand der interferometrischen Phasendifferenz zwischen zwei Aufnahmezeitpunkten lassen sich Verformungen der Erdoberfläche mit einer Auflösung im Bereich von Bruchteilen der verwendeten Radarwellenlänge ermitteln. Die Qualität und Genauigkeit der Erfassung von Bodenbewegungen mit differentieller Radarinterferometrie hängt jedoch wesentlich vom Einfluss unerwünschter Phasenanteile und deren Korrektur ab, sowie von verschiedenen Effekten, die zu einer Dekorrelation der Phasenwerte führen. 2.2 Persistent Scatterer Interferometry (PSI) Die vorliegeden Radardaten über dem UGS Berlin wurden mit dem Verfahren der Persistent Scatterer Interferometrie (PSI) ausgewertet. Hierbei handelt es sich um eine punktbezogene Methode zur Ermittlung von Bodenbewegungen mittels einer zeitlichen Analyse von langzeitstabilen Radarrückstreuern. Das Verfahren wurde Ende der 90er Jahre entwickelt [4] und nachfolgend weiter verbessert und erweitert [5], [6]. Für die auf statistischen Regressions

4 analysen beruhenden Zeitreihenanalysen ist ein ausreichend großer Datenstapel nötig, der mindestens 20 Szenen umfassen sollte. In einem ersten Schritt werden die langzeitstabilen Rückstreuer (engl. Persistent Scatterer, im Folgenden abgek. mit PS) in einem Stapel von Radarszenen ermittelt. Die Auswahl erfolgt nach den Qualitätskriterien einer hohen spektralen Stabilität der Phase und einer geringen zeitlichen Variabilität der Rückstreuintensität der Persistent Scatterer. An der Erdoberfläche sind dies meist anthropogene Objekte, wie Gebäude, Brücken oder Türme. Gebiete mit Vegetationsbedeckung besitzen in der Regel keine langzeitstabilen Rückstreueigenschaften und sind somit für die PSI-Auswertung ungeeignet. Abb. 3 zeigt die räumliche Verteilung der ca Persistent Scatterer im Großraum Berlin, die anhand der ERS-1/2 Daten im Zeitraum bestimmt wurden. Hier ist deutlich die hohe Dichte an PS in bebauten Bereichen zu erkennen. Anschließend werden die Höhenänderungen der Persistent Scatterer anhand eines Bewegungsmodells bestimmt und von anderen unerwünschten Phasenbestandteilen (z.b. bedingt durch die Topographie oder verschiedene Aufnahmegeometrien) getrennt. Dabei wird von dem Modell einer linearen Deformation ausgegangen und für jeden Punkt eine lineare Deformationsrate in der Einheit [mm/jahr] ermittelt. Abschließend erfolgt eine Analyse der Residuen, bei der das Modell verfeinert und gegebenenfalls die atmosphärischen Einflüsse bestimmt werden. Diese residuale Phase besteht schließlich nur noch aus drei Komponenten; dem Anteil der nichtlinearen Höhenänderungen (Abweichungen vom linearen Höhenänderungsmodell), dem Anteil der Atmosphäre und dem Phasenrauschen. Abb.3: Räumliche Verteilung der Persistent Scatterer im Großraum Berlin - 4 -

5 3 Ergebnisse 3.1 Charakterisierung der Höhenänderungen über dem Erdgasspeicher Mit der PSI-Methode wird für jeden Persistent Scatterer, unter Anwendung eines linearen Regressionsmodells, die Höhenänderung als lineare Deformationsrate in Millimetern pro Jahr ermittelt. Im Folgenden werden die linearen Deformationsraten an den vorhandenen PS räumlich dargestellt. Für den zeitlichen Verlauf der Bewegung wurde die Darstellung in einem Zeit-Höhenänderungsdiagramm gewählt (vgl. Abb. 5). In Abb. 4 sind die aus ERS-1/2 Radardaten ermittelten PS farblich klassifiziert entsprechend ihrer linearen Deformationsrate in Millimetern pro Jahr dargestellt. Der räumliche Einflussbereich des Speichers während der initialen Befüllungsphase zwischen wirkt sich in einem sich in östlicher Richtung verbreiterndem ellipsenförmigen Hebungsbereich mit Zentrum im Bereich Glockenturmstraße aus. Damit spiegeln die linearen Deformationsraten an der Tagesoberfläche die in Abb. 1 gezeigte Antiklinalstruktur des Speicherhorizontes über dem Salzkissen wieder. Abb.4: Lineare Deformationsraten an Persistent Scatterern, ermittelt auf Grundlage von ERS-1/2 Radardaten im Zeitraum , hinterlegt mit einem Radarintensitätsbild.Der rote Kreis markiert ausgewählte Persistent Scatterer in der Glockenturmstraße/Nähe Olympiastadion - 5 -

6 Das Zeit-Höhenänderungsdiagramm dreier PS im Zentralbereich der Struktur zeigt den maximalen Verlauf der Hebung mit 40 bis 50 Millimetern in diesem Zeitraum, entsprechend den linearen Deformationsraten von bis zu über 6 Millimetern pro Jahr (s. Abb. 5). Die Hebung verläuft nahezu linear mit einem leichten Abflachen ab ca Mit zunehmender Entfernung vom Zentrum im Bereich Glockenturmstraße verflachen sich die Zeit- Höhenänderungsdiagramme, analog zur Abnahme der linearen Deformationsraten in den Randbereichen der Ellipse. Abb.5: Zeit-Höhenänderungsdiagramm von 3 Persistent Scatterern im Bereich Glockenturmstraße/Nähe Olympiastadion für den Zeitraum (Lage siehe Abb. 4 roter Kreis) Die aus ENVISAT Radardaten ermittelten linearen Deformationsraten über den Zeitraum 2003 bis 2010 liegen überwiegend zwischen +/- 1,5 Millimetern pro Jahr. Der Einflussbereich des Erdgasspeichers macht sich in der Darstellung der linearen Deformationsraten nicht bemerkbar (s. Abb. 6). Im Zeit - Höhenänderungsdiagramm in Abb. 7 zeigen die PS im Zentralbereich des Speichers Schwankungen zwischen bis zu ca. +/- 10 Millimetern um Null (bezogen auf den Referenzzeitpunkt ). Im folgenden Kap. 4.2 wird untersucht, inwiefern dieses Bewegungsverhalten mit den Druckschwankungen während des Speicherbetriebs einhergeht

7 Abb.6: Lineare Deformationsraten von Persistent Scatterern, ermittelt auf Grundlage von ENVISAT Radardaten im Zeitraum , hinterlegt mit einem Radarintensitätsbild. Der rote Kreis markiert ausgewählte Persistent Scatterer in der Glockenturmstraße/Nähe Olympiastadion Abb.7: Zeit-Höhenänderungsdiagramm von 2 Persistent Scatterern im Bereich Glockenturmstraße/Nähe Olympiastadion für den Zeitraum (Lage siehe Abb. 6 roter Kreis) - 7 -

8 3.2 Vergleich mit dem Speicherdruck Zwischen den im Speicher induzierten Gasdrücken und den Höhenänderungen kann ein Zusammenhang vermutet werden. Für den Zeitraum der Befüllung des Speichers wurde in [7] gezeigt, dass zwischen den Bodenbewegungen, die mit der PSI-Methode detektiert wurden, und den Kopfdrücken an Sonde B3 eine Korrelation besteht. Für den Zeitraum der ENVISAT-Zeitreihe ( ) lassen sich ebenfalls Korrelationen ableiten. Einen ersten Eindruck der möglichen Korrelation liefert die gemeinsame Darstellung von Druck- und Bodenbewegungszeitreihe (siehe am Bsp. für Sonde B3 in Abb. 8). Abb.8: Zeitreihen von Sondendruck an Sonde B3 (Kreuze) und Bodenbewegung relativ zum 22. Februar 2007 (Kreise) 3.3 Räumlicher Einflussbereich von Druckänderungen an der Tagesoberfläche Die gute Übereinstimmung der Höhenänderungen mit den Druckdaten lässt die Berechnung einer mittleren Höhenänderung für die Ein- und Ausspeicherereignisse zu. Dazu wurden jeweils die Differenzen zweier Zeitpunkte der PSI-Zeitreihe zwischen Beginn und Ende eines Ein- bzw. Ausspeicherzeitraumes berechnet und daraus ein Mittelwert gebildet. Anhand dieses Mittelwertes kann der räumliche Auswirkungsbereich der Druckänderungen an der Tagesoberfläche abgeschätzt werden. Dies wurde für 4 Einspeicherzeiträume zwischen November 2003 und Oktober 2007 (siehe Diagramm Abb. 9) und 5 Ausspeicherzeiträume zwischen Oktober 2002 und April 2008 durchgeführt Allerdings stimmt der Zeitpunkt der Druckminima und maxima nicht immer exakt mit einer zur Berechnung vorhandenen Radarszene überein. Wie erwartet ergibt sich im Bereich des Erdgasspeichers ein räumlicher Zusammenhang für die Hebungen bei den Einspeicherungen (s. Abb. 9) und Senkungen bei den Ausspeicherungen, der in den linearen Deformationsraten nicht erkennbar ist (Abb. 4). Im Wesentlichen hat die beeinflusste Fläche die Form einer Ellipse, die sich nach Osten hin verbreitert. Diese Form ist auch in den Ergebnissen der ERS-Auswertung , dem Zeitraum der initialen Speicherbefüllung, in den linearen Deformationsraten zu erkennen. Das Zentrum der stärksten Höhenänderungen befindet sich etwa im Bereich zwischen Olympiastadion und Stößensee

9 Abb.9: Räumliche Verteilung der gemittelten Hebungen (> 3 mm) aus 4 Einspeicherzeiträumen zwischen November 2003 und Oktober Der rote Kreis markiert die betrachteten PS in der Glockenturmstraße/Nähe Olympiastadion 3.4 Vergleich mit Nivellementsdaten Für den Zeitraum Dezember 2003 bis Oktober 2005 stehen Nivellementsdaten zur Verfügung. Der exemplarisch betrachtete Nivellementspunkt an der Kreuzung Glockenturmstraße/Heerstraße wurde in o.g. Zeitraum fünfmal gemessen. Für den gleichen Zeitraum stehen 10 PSI-Messzeitpunkte zur Verfügung (s. Abb. 10). Zum Vergleich der Nivellementsund PSI-Daten wurden die Nivellement-Messungen zum Zeitpunkt mit dem Wert Null in den Verlauf der PSI-Zeitreihe eingepasst

10 Abb.10: Höhenänderungen aus PSI-Daten(Glockenturmstraße/Sondenplatz D) und Nivellement-Messungen (Kreuzung Glockenturmstraße/Heerstraße), die Unterbrechungen sind Datenlücken von mehr als 175 Tagen. Nivellemendaten: GASAG Die Daten des 1. und 2. Nivellements zwischen Dezember 2003 und März 2004 ergeben eine Senkung von 9 Millimetern. In den PSI-Daten wurde zwischen Dezember 2003 und Mai 2004 ebenfalls eine Senkung von 6-10 Millimetern festgestellt. Während die Nivellementsdaten zwischen März 2004 und April 2005 eine verlangsamte Senkung von 4,5 Millimetern zeigen, ist in den PSI-Daten die vorangegangene stärkere Senkung bis Juli 2004, gefolgt von einem Stillstand der Bewegung bis etwa April 2005 erkennbar. Die darauf folgende Hebung wurde im Nivellement zwischen April 2005 und Oktober 2005 mit 14 Millimetern gemessen und in den PSI-Daten mit 9-12 Millimetern. Die mit PSI und Nivellement ermittelten Höhenänderungen sind gleicher Art und Größenordnung. Es sollte berücksichtigt werden, dass die Messung von Höhenänderungen bei beiden Messverfahren methodisch bedingt an unterschiedlichen Objekten und zu leicht unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgte. 4 Résumé Mit Hilfe der radarinterferometrischen Auswertungen konnten Erkenntnisse über den zeitlichen Verlauf der Höhenänderungen über dem Erdgasspeicher Berlin, sowie deren räumlichen Auswirkungsbereich gewonnen werden. Die Ergebnisse wurden in einem GIS dargestellt, analysiert und mit Nivellementergebnissen sowie Druckdaten des Speichers validiert. Dabei konnte während der initialen Befüllungsphase zwischen eine lineare Hebung detektiert werden, die anhand ihres Auswirkungsbereich sehr gut die Antiklinalstruktur des Speicherhorizontes mit ihrer maximalen Hebung im Bereich des Tops wiederspiegelt. Die durch Ein- und Ausspeichervorgänge induzierten Bewegungen während der Betriebsphase im Zeitraum lassen ebenfalls einen räumlichen Zusammenhang mit der Struktur des Speicherhorizonts erkennen. Die räumliche Ausdehnung des Einflussbereichs ist jedoch wesentlich geringer als während der durch großräumige Verdrängung von Porenwasser geprägten Phase der initialen Befüllung. 5 Ausblick Die aktuellen Daten der Satelliten ERS und ENVISAT sind aus technischen Gründen nicht mehr für die Fortsetzung der radarinterferometrischen Auswertung geeignet. Da die radarinterferometrische Erfassung von Höhenänderungen in ein Monitoringkonzept für den UGS Berlin eingebunden ist, werden seit Juni 2010 hochauflösende Radardaten des Satelliten TerraSAR-X mit einer geplanten zeitlichen Wiederholrate von 22 Tagen über dem Gebiet aufgenommen. Mit diesen Daten ist eine Fortführung des Bodenbewegungsmonitorings geplant, bei der die höhere Bodenauflösung von TerraSAR-X zudem eine höhere Anzahl von Persistent Scatterern erwarten lässt [8]

11 6 Literatur [1] Burkowsky, M., Krekler, G.: Erdgasspeicher Berlin. In: Gas-Erdgas gwf, Heft Jg., S , [2] Burkowsky, M., Krekler, G.: Erkundung der geologischen und lagerstättentechnischen Gegebenheiten des Erdgas-Aquiferspeichers Berlin. In: Gas-Erdgas gwf, Heft Jg., S , [3] Gabriel, A. K., Goldstein, R. M. & Zebker, H. A. : Mapping small elevation changes over large areas. In: Differential radar interferometry. Journal of Geophysical Research, Bd. 94 (B7), S , 1989 [4] Ferretti, A.; Prati, C.; Rocca, F.: Permanent Scatterers in SAR Interferometry. In:Proceedings of IGARSS 99, Hamburg, Germany, S , 1999 [5] Hooper, A.: Persistent Scatterer Radar Interferometry for Crustal Deformation Studies and Modelling of Volcanic Deformation. PhD Thesis, Stanford University, USA, 2006 [6] Kampes, B.: Radar Interferometry: Persistent Scatterer Technique (Remote Sensing and Digital Image Processing), Springer-Verlag, 2006 [7] Kühn, F., Hoth, P., Stark, M., Burren, R., Hole, J.: Experience with Satellite Radar for Gas Storage Monitoring. In: ERDÖL ERDGAS KOHLE, Heft 11, 125. Jg., S , 2009 [8] Schäfer, M.; Hannemann, W.; Busch, W.: Mining related ground movement detection by combination of multi-temporal and multi-sensoral DInSAR and PSI analyses. Poster presentation and paper. 4. TerraSAR-X Science Team Meeting , DLR, Oberpfaffenhofen