Einschätzung zum Thema induzierte Seismizität auf der Grundlage des Empfehlungskataloges der DEW

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1 Einschätzung zum Thema induzierte Seismizität auf der Grundlage des Empfehlungskataloges der DEW Nicolai Gestermann Forum Geowärme 27. März 2017 Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), Hannover

2 Überblick Seismizität im Umfeld des Projekt-Standorts Bewertung von Erdbeben Entstehung von induzierter Seismizität Festlegung des Einwirkbereichs nach Vorgaben aus den neuen Verordnungen (BBergG, EinwirkungsBergV) Kommentare zu den Empfehlungen der Deutsche ErdWärme (DEW) Zusammenfassung

3 Seismizität im Umfeld des Projekt-Standorts Erdbeben-Kataloge LGRB nrift ReNaSS BGR ECOS Cenec Vollständigkeitsmagnitude M C Zeit seit Magnitude M C Zeitraum , ,8 A. Barth et al ,8

4 Breite Magnitude M L 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Projekt GeoWärme Südpfalz Seismizität im Umfeld des Projekt-Standorts Zeitraum: Maximale Magnituden: 3,2 ML natürliche Erdbeben Induzierte Erdbeben Länge

5 Breite Magnitude M L 1,0 1, ML ML ML Seismizität im Umfeld des Projekt-Standorts 2,0 2,5 3,0 3, ML Zeitraum: Maximale Magnitude 3,2 M L 4, ML ML ML ML ML ML Ereignisse am : Herdtiefen: Universität Karlsruhe: Eher flach (~ 5 km) LDG (Laboratoire de Détection et de Géophysique) 7 19 km natürliche Erdbeben Induzierte Erdbeben Länge

6 Bewertung von Erdbeben Magnitude: logarithmisches Maß für die Energiefreisetzung (Stärke) eines Erdbebens aus Messungen der Maximalamplitude seismischer Phasen. Intensität: Maß für die Auswirkungen eines Erdbebens auf Menschen, Landschaft, Straßen oder Gebäude, die ohne Instrumente wahrgenommen werden können (Makroseismik, Bodenschwinggeschwindigkeiten). Maximum in Deutschland: VIII Ein Beben gleicher Magnitude kann sich mit unterschiedlicher Intensität auf die Oberfläche auswirken (je nach Herdtiefe, Oberflächengeologie und Bebauung). Europäische Makroseismische Skala EMS-98 (Kurzversion) I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII nicht fühlbar kaum bemerkbar schwach bemerkbar deutlich bemerkbar stark bemerkbar leichte Gebäudeschäden Gebäudeschäden schwere Gebäudeschäden zerstörend sehr zerstörend verwüstend vollständig verwüstend

7 Anhaltswerte DIN 4150 für Bodenschwinggeschwindigkeiten Beurteilung der Wirkung von kurzzeitigen Erschütterungen auf Bauwerke Anhaltswert: Ein aus Erfahrung festgelegter Wert, bei dessen Einhaltung ein Schaden nicht eintritt. (DIN ) 20 mm/s 5 mm/s 3 mm/s Erschütterungsgutachten geben Bewertungen für die jeweiligen Messorte Messwerte sind nicht auf Nachbarorte übertragbar Aus fachlicher Sicht ist es sinnvoll, die PGV-Werte aller Stationen bei der Bewertung zu berücksichtigen

8 Darstellung des Coulomb-Bruchkriteriums in einem Mohr-Diagramm S c ( N Pfl ) Coulomb-Bruchkriterium σ N σ S P fl Normalspannung Scherspannung Porendruck μ innere Reibung c Kohäsion

9 Entstehung von induzierter Seismizität Physikalisch kein Unterschied zwischen induzierter und natürlicher Seismizität Erdbeben: Scherbewegungen an einer Verwerfung oder Bruchstelle Auslösemechanismus Veränderungen der Spannungen im Gestein, dem Porendruck, dem Volumen und der Belastung in unterirdischen Gesteinsformationen. Überschreitung der Scherfestigkeit des Gesteins Darstellung des Coulomb-Bruchkriteriums in einem Mohr-Diagramm Beeinflussende Aktivitäten S c N P Erhöhung des Porendrucks im Untergrund durch Flüssigkeitsinjektion Veränderung der Massenbilanz (z. B. Flüssigkeitsentnahme) Thermische Kontraktion durch Injektion kalten Wassers Chemische Veränderung von Störungszonen durch eingebrachte Fluide ( fl ) σ N σ S P fl μ c Coulomb-Bruchkriterium Normalspannung Scherspannung Porendruck innere Reibung Kohäsion

10 1 Schematische Darstellung der fluidinduzierten Seismizität Ausgangszustand 2 Erhöhung des Porendrucks im Riss entlang einer Schwächezone durch eingepresste Fluide 3 Riss nach dem Bruchprozess Riss nach der Fluid-Injektion 4

11 Seismizität in Deutschland und angrenzenden Ländern Induzierte oder tektonisch stärkste Erdbeben der letzten 25 Jahre 4,6 4,5 5,6 Induziert Stärkstes Ereignis in Geothermie (Stimulation) Deutschland (Insheim 2010) 2,4 Deutschland + umg. Ausland (Basel 2006) 3,4 Stärkstes Ereignis in Geothermie (Betrieb) Deutschland (Landau 2009) 2,7 Stärkstes Ereignis in Kohlebergbau Deutschland (Ibbenbüren 1991) 4,6 Stärkstes Ereignis in Erdgasförderung Deutschland (Rotenburg 2004) 4,5 Stärkstes Ereignis in Kalibergbau Deutschland (Völkershausen1989) 5,6 2,7 2,9 3,4 1,8 2,4 3,5 tektonisch Stärkstes tektonisches Ereignis Deutschland (Waldkirch 2004) 5,4 Deutschland + umg. Ausland (Roermond 1992) 5,9 Tektonische Ereignisse im Durchschnitt pro Jahr M L 4: 1-2 Ereignisse M L 3: ca. 10 Ereignisse M L 2: ca. 100 Ereignisse

12 Kommentare zum Empfehlungskatalog Einzelmaßname 1 Messung der induzierten Seismizität Umsetzungen der Empfehlungen des Positionspapiers der AG Induzierte Seismizität des FKPE (Forschungskollegium Physik des Erdkörpers) Anmerkung Vorschläge aus Gutachten (Q-con) ist Stand der Technik. Anpassung des Konzepts (Anzahl Messstellen und Standorte) falls notwendig Einzelmaßname 2 Beginn des seismischen Monitorings Es liegen ausreichende Messwerte aus der Umgebung (Landau, Insheim) vor Anmerkungen Beginn der Messung so früh wie möglich (Referenzdaten). Untersuchung von Standorteffekten (Sedimentmächtigkeiten) und Überprüfung der Übertragbarkeit von Ergebnissen von den Standorten Landau/Insheim

13 Kommentare zum Empfehlungskatalog Einzelmaßname 3 Einwirkbereich (EinwirkungsBergV, 4 Nummer 6) Festlegung des Einwirkungsbereichs eines möglichen Erdbebens im Rahmen des Betriebsplanverfahrens vor Inbetriebnahme Anmerkungen Die Festlegung eines Einwirkbereichs eines Erdbebens ist nach dem BBergG erst nach dem Eintreffen eines seismischen Ereignisses vorgesehen Die Festlegung des Einwirkbereichs im Sinne der EinwirkungsBergV obliegt den Erdbebendiensten der Staatlichen Geologischen Dienste (SGD) Abschätzung des möglichen betroffenen Bereiches (Prognose) ist sehr sinnvoll - Festlegung von Standorten zur Erfassung der Boden-Schwinggeschwindigkeiten - Dokumentation von Gebäuden - Makroseismische Erfassung durch SGD Vorschlag Klare begriffliche Unterscheidung zwischen Einwirkbereich und Prognose von möglichen betroffenen Bereichen im Fall eines Erdbebens

14 Ausdehnung der Bergschadensvermutung auf Erschütterungen Bergschadensvermutung (Bundesberggesetz (BBergG): 120) entsteht im Einwirkungsbereich ein Schaden so wird vermutet, [,] dass der Schaden durch diesen Bergbaubetrieb verursacht worden ist Umkehr der Beweislast Einwirkungsbereich (Einwirkungsbereichsbergverordnung (EinwirkungsBergV): 4 Satz 6) neu: nach Auftritt einer Erschütterung aufgrund der seismologischen Messungen makroseismischen Intensität festgestellten Bodenschwinggeschwindigkeit sonstiger Daten durch die zuständigen Erdbebendienste der Länder und des Bundes

15 Aktivitäten zu den neuen Verordnungen (BBergG, EinwirkungsBergV) FKPE Arbeitsgruppe Induzierte Seismizität (Forschungskollegium Physik des Erdkörpers) Milestone-Gruppe 6 Beschluss vom Nächstes Treffen am Direktorenkreis (DK) - Staatlich Geologische Dienste (SGD) - Bundesanstalt für Geowissenschaften (BGR) Teil des Bund-Länder-Ausschuss Bodenforschung (GLA-GEO) Gründung des Arbeitskreises 7 (AK7) Aufruf zur Meldung von Teilnehmern aus den SGD AK7 wurde noch nicht konstituiert Leitung durch die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) Koordination Christian Bönnemann (BGR) Erstes Treffen für April/Mai geplant Zeithorizont: etwa 1 Jahr

16 Makroseismische Untersuchungen Völkersen Erdbeben 22. November 2012 M L = 2.9 Intensität V 184 Beobachtungen Community Internet Intensity (CII)

17 Makroseismische Untersuchungen Reported Intensity values as a function of distance Intensity Maximum-Intensity Intensity distribution

18 Abnahme der Bodenschwinggeschwindigkeit (PGV) mit der Entfernung Erdbeben bei Völkersen :45:31 (UTC) Magnitude 3,1 ML Herdtiefe 4,1 km (± 1 km) Einflüsse Site-Effekte (Verstärkung der Bodenschwinggeschw. durch lokale Untergrund-Effekte) Abstrahlcharakteristik des Bruchvorgangs Seismometer-Ankopplung

19 T. Eulenfeld et al (MAGS2) Bodenbewegungsmodell für die Südpfalz

20 Karte der Verstärkungsfaktoren Interpolation der bestimmten Bodenverstärkung an den Stationen mit dem Krigging-Verfahren Projekt Insheim T. Eulenfeld et al (MAGS2)

21 Erschütterungskarten Erschütterungsmessungen für ein Erdbeben Bestimmung der Erdbebenkorrektur (Magnitude) Bestimmung der PGV-Werte für alle Entfernungen vom Erdbebenherd Korrektur mit Karte der Verstärkungsfaktoren Erschütterungskarte

22 Kommentare zum Empfehlungskatalog Annahmen für die Abschätzung möglicher Auswirkungen im Fall eines Erdbebens (Gutachten Q-con) Maximale angenommene Magnitude: 2,7 M L, Tiefe 3,5 km (Landau , Tiefe 2,8 km ± 0,5 km) Modellierung der maximalen Bodenschwinggeschwindigkeit nach Douglas et al. (2013) und Poggi et al. (2011) Din 4150 (Auswirkungen von kurzen Erschütterungen auf Bauwerke). Richtwert: 3 mm/s Maximale Bodenschwinggeschwindigkeit: 4,1 mm/sec (berechnet) Einwirkungsbereich: 3-4 km (Planungsgrundlage: Radius 5 km) Anmerkungen Einzelmaßname 3 Einwirkbereich (EinwirkungsBergV, 4 Nummer 6) Rezente natürliche Seismizität (max. Mag.): 3.0 M L, Tiefe > 5 km? (Erdbeben am ) Maximale gemessene Bodenschwinggeschw.: 4,7 mm/sec ( Ereignis Landau am ) Übertragung der Untergrund-Verhältnisse von Landau auf Germersheim? Modellierung des quellnahen Bereichs unterliegt größeren Variationen Entschädigung durch Erdgasförderbetrieb (Norddeutschland) ab 2 mm/s (Unsicherheitsbereich) Vorschlag Festlegung eines Unsicherheitsbereichs. Anpassung der Abschätzung. Offenlegung der Parameter der Modellierungen

23 Kommentare zum Empfehlungskatalog Einzelmaßname 4 Bestandsaufnahme typischer Gebäude Dokumentation von 5 bis 10 Gebäuden im prognostizierten Einwirkbereich eines möglichen Erdbebens Anmerkungen Sehr sinnvolle und zielführende Maßnahme Vorschlag Festlegung von Richtlinien bzw. Anleitungen zur privaten Dokumentation des Zustands von Gebäuden

24 Kommentare zum Empfehlungskatalog Einzelmaßname 5 Schwingungs- Messung innerhalb von Gebäuden (Seismisches Monitoring Immission) Installation an [5-10] Standorten pro Gemeinde Anmerkungen Die Messung von Bodenschwinggeschwindigkeiten (PGV) ist eine grundlegende Voraussetzung zur Abschätzung möglicher Auswirkungen eines Erdbebens. Keine direkte Übertragbarkeit der Messungen auf andere Standorte Lokale Site-Effekte können auch im Nachhinein bestimmt werden Standorte und Anzahl der Geräte müssen u. U. angepasst werden.

25 Kommentare zum Empfehlungskatalog Einzelmaßname 6 Allgemeine Einschätzung der Seismischen Gefährdung Keine Erschließung des kristallinen Grundgebirges geplant Anmerkungen Detaillierte Gefährdungsabschätzung auf der Grundlage der standortspezifischen Parameter (Gutachten Q-con) steht noch aus Eine mögliche hydraulische Anschließung des Grundgebirges lässt sich an Hand der Mikro-Seismizität erkennen Langzeit-Auswirkungen durch thermische Kontraktion und durch chemische Veränderungen von Störungszonen ist zur Zeit schwer abzuschätzen (Forschungsbedarf)

26 Kommentare zum Empfehlungskatalog Einzelmaßname 7/8 Ampelsystem im Betrieb der Anlage Reaktionsplan Schwellenwerte Festlegung der Grenzwerte für die Bewertung der Seismizität und Aktivierung des Reaktionsschemas (grün, gelb, rot) erfolgt zu einem späteren Zeitpunkt Anmerkungen Voraussetzung: Automatische und zuverlässige Erfassung der Herdparameter möglicher induzierter seismischer Ereignisse in Echtzeit Koordination und zeitnaher Austausch zwischen Betreiber und Auswerter Frühzeitige Inbetriebnahme des seismischen Überwachungssystems zur Überprüfung/Anpassung der automatischen Auswertung

27 Kommentare zum Empfehlungskatalog Einzelmaßname 10 Stimulation der Bohrung während der Erstellung Verschiedene Maßnahmen in Abhängigkeit der vorgefundenen Verhältnisse Anmerkungen Ein funktionstüchtiges Monitoring-System und Reaktionsschema muss bis zum Beginn eventueller Stimulationsmaßnahmen installiert sein Detaillierte Gefährdungsabschätzung auf der Grundlage der standortspezifischen Parameter (Gutachten Q-con) steht noch aus

28 Kommentare zum Empfehlungskatalog Einzelmaßname 12 Transparenz Veröffentlichung der Messergebnisse (Emission und Immission) und relevanter Betriebsparameter Anmerkungen Uneingeschränkt zu begrüßen Freigabe der Daten zu Forschungszwecken wäre zu begrüßen

29 Zusammenfassung Aus seismologischer Sicht sind in den Empfehlungen der DEW alle relevanten Aspekte berücksichtigt und eine ausreichende Vorsorge getroffen worden. Änderungsvorschläge und Anregungen betreffen keine grundlegenden Aspekte Detaillierte Gefährdungsabschätzung auf der Grundlage der standortspezifischen Parameter (Gutachten Q-con) steht noch aus Bezüglich der Prognose des von einem möglichen Erdbeben betroffenen Bereiches (Prognose Einwirkungsbereich) könnten geänderte Parameter der Berechnungen zu einem etwas größeren Bereich führen Die Festlegung des Einwirkungsbereiches im Fall eines eventuellen Erdbebens obliegt dem Landeserdbebendienst (SGD). Es muss sichergestellt werden, dass die hierfür erforderlichen Daten (seismische Messergebnisse, Makroseismik etc.) vorliegen Die Methodik zur Festlegung des Einwirkungsbereichs ist Gegenstand von Diskussionen und Untersuchungen