Studie zur Modellierung induzierter Erdbebenmechanismen am EGS-Standort Basel, Schweiz

Ansicht von Basel, Schweiz (Quelle: flickr/taintfair, Creative Commons)

Forscher des Mediterranean Institute for Advanced Studies (IMEDEA CSIC-UIB), des Institute for Environmental Diagnostics and Water Studies (IDAEA-CSIC) und der University of Colorado (USA) haben eine Studie zu einem vorgeschlagenen Modell veröffentlicht, das den Mechanismus erklären soll die zu induzierten Erdbeben in Basel, Schweiz, während und nach der katalytischen Phase des EGS-Projekts seit 2006 führten.

die Studium „Elastische Spannungsrelaxation, Gleitspannungsübertragung und Reibung dämpfen kontrollierte Seismizität nach der Injektion in das Basel Enhanced Geothermal System“ Von Boyet, De Simone, Ge, Vilarrasa. Veröffentlicht in Earth Communications & Environment und steht im Open Access zur Verfügung (https://doi.org/10.1038/s43247-023-00764-y).

Geschichte des EGS Basel-Projekts

Bei Projekten zu Enhanced Geothermal Systems (EGS) geht es um die Zirkulation von Flüssigkeiten, um neue Verwerfungsnetzwerke zu schaffen, die es der Flüssigkeit ermöglichen, Wärme aus dem Erdinneren aufzunehmen und an Oberflächenanlagen zu übertragen. Bei solchen Aktivitäten ist im Allgemeinen mit Mikroerdbeben zu rechnen, aber mindestens zwei dokumentierte Fälle haben dazu geführt, dass Projekte aufgrund der durch Filz verursachten Erdbebenerzeugung abgebrochen wurden.

Bei der hydraulischen Stimulation eines Tiefenwärmebergbauprojekts in Basel, Schweiz, wurden Ereignisvolumina von bis zu 2,6 ml aufgezeichnet. Der Betrieb wurde dann eingestellt, aber 5 Stunden nach Schließung des Bohrlochs wurde ein ML 3.4-Ereignis registriert. Dieses seismische, postinduzierte Gefühl führte dazu, dass das Projekt aufgegeben wurde. Bis 2017 wurde die Bohrung erneut geöffnet, um den Druck abzubauen.

Vorgeschlagene Mechanismen und numerisches Modell

Im Laufe der Jahre wurden viele Studien durchgeführt, um die beobachtete seismische Reaktion in Basel zu erklären. Ein anderer Mechanismus wurde vorgeschlagen, aber das Modell, das die räumlich-zeitliche Beobachtung von Erdbeben reproduziert, fehlt noch.

Die neue Studie schlägt die gleichzeitige Simulation von drei möglichen Kausalmechanismen für induzierte Erdbeben vor: Porendruckausbreitung, elastische Spannungsverteilung sowie Scher- und Gleitspannungsübertragung.

Als Grundlage der Studie wurde ein Modellbereich verwendet, der aus einer planaren Dehnung und einem zweidimensionalen horizontalen Abschnitt besteht, der eine vertikale Injektionsbohrung schneidet. Das Modell enthält ein Verwerfungsnetzwerk, dessen Geometrie auf der Interpretation der Häufung seismischer Ereignisse im Bereich von 3750 bis 4750 m Tiefe basiert. Die 2D-Geometrie stellt eine horizontale Ebene von 3,61 km2 dar, die sich in einer Tiefe von ca. 4.630 m befindet und mit der Injektionstiefe des Basler Kristallgrundgebirges übereinstimmt.

Ergebnisse der numerischen Modellierung

Simulationen zeigen, dass die Ausbreitung des Porendrucks nach wie vor der Hauptauslösemechanismus für induzierte Erdbeben ist. Dieses Phänomen allein erklärt jedoch die Fehlaktivierung, die die tatsächlichen Ereignisse am Standort der ESS Basel widerspiegelt, nicht ausreichend. Durch die Berücksichtigung der elastischen Spannung und des inelastischen Verhaltens (d. h. der Übertragung der Gleitschubspannung) konnten die Forscher ein kohärenteres Modell erstellen, das zeitlich und räumlich mit den beobachteten induzierten Erdbeben übereinstimmt.

Die obige Abbildung zeigt einen Teil jeder Verwerfung, der durch Porendruckeffekte, Porenelastomereffekte (Porendruckänderungen und induzierte mechanische Porenspannung) oder eine Kombination aus Porenelastizität und Spannungsübertragungseffekten aktiviert wird. zeigt, dass der Porendruck einen größeren Einfluss auf die Stabilität von Verwerfungen in der Nähe des Injektionsbohrlochs (Ausfälle A und B) und einen leichten Effekt nach dem Verschluss hat. Die Porositätselastizität wirkt sich auf einen größeren Bereich aus, kann jedoch entweder verstärken (B- und C-Fehler) oder behindern (A- und F-Fehler). Die statische Spannungsübertragung ist für die Reaktivierung von Störungen verantwortlich, die durch die Wirkung von Porendruck und porenmechanischen Spannungen unerschütterlich sind (Defekte C und E).

Die Verteilung des Porendrucks und der mechanischen Porenspannung zusammen sind die wichtigsten katalytischen Mechanismen während der Injektion. Gummidrücke können Fehler während der Injektion entweder stabilisieren oder destabilisieren und nach Beendigung der Injektion den gegenteiligen Effekt hervorrufen, da sie mit abnehmendem Porendruck schnell abnehmen. Nachdem die Injektion gestoppt wurde, steigt der Porendruck weiter an, wodurch der Porendruck weiter vom Bohrloch entfernt ansteigt, was zu einigen seismischen Ereignissen führen kann. Die Übertragung von Gleitspannungen ist nach dem Stoppen der Injektion vorherrschend, insbesondere an Verwerfungen, die weit vom Injektionsbohrloch entfernt sind

Das Modell bietet ein besseres Verständnis, ist aber immer noch nicht perfekt

Trotz des erfolgreichsten Modellierungsansatzes konnten die Ergebnisse der Studie den Stimulationsmechanismus in Basel nicht vollständig definieren, da sie die Reaktivierung aller Fehler, insbesondere der D- und G-Fehler, immer noch nicht vollständig erklären konnten. Kurz nach dem Stoppen der Injektion wird auch vom numerischen Modell nicht erfasst.

Die neue Analyse induzierter Erdbeben in Basel stellt jedoch einen großen Fortschritt beim Verständnis der physikalischen Prozesse dar, die zu induzierten Erdbeben durch hydraulische Stimulation führen können. Dieses verbesserte Verständnis der kausalen Mechanismen induzierter Erdbeben in EGS wird dazu beitragen, induzierte Erdbeben besser vorherzusagen und Stimulusprotokolle zu entwickeln, die induzierte Erdbeben abschwächen, was Schlüsselpunkte für die Entwicklung und das Management großer Geothermieprojekte sind.

Quelle: Erd- und Umweltkommunikation