Ein weiterer Schritt in Richtung genauer Erdbebenvorhersagen
Die Förderung von Öl und Gas aus dem Boden erfordert den Einsatz von immensen Mengen an Wasser. Da dieses Wasser während des Förderungsprozesses starken Verschmutzungen ausgesetzt ist, wird es durch erneutes Einspritzen in den Boden mit sehr hohem Druck entsorgt. Das Druckwasser dringt durch das durchlässige Gestein und in alte Störungslinien ein, wodurch diese Störungen reaktiviert werden. Der vielleicht am besten dokumentierte Fall dieses Phänomens ist ein Erdbeben der Stärke 5, das kürzlich Oklahoma, USA erschütterte. „Heute kann die durch erhöhten Flüssigkeitsdruck verursachte induzierte Seismizität weltweit beobachtet werden. In einigen Fällen hängt sie auch mit mittleren bis großen Erdbeben zusammen“, erklären Marco Scuderi und Cristiano Collettini, Projektkoordinatoren des EU-finanzierten FEAT-Projekts. Der Flüssigkeitsüberdruck wurde als einer der primären Mechanismen vorgeschlagen, die es Erdbeben ermöglichen, sich entlang tektonischen Störungen auszubreiten. Die elastische Versetzungstheorie in Verbindung mit dem Reibungsgesetz legt jedoch nahe, dass ein Flüssigkeitsüberdruck die dynamischen Instabilitäten hemmen könnte, die zu Erdbeben führen. „Dieses Rätsel stellt eine ernsthafte Herausforderung für das Verständnis der Gesellschaft im Bereich der Erdbebenphysik dar, mit schwerwiegenden Folgen sowohl für natürliche als auch für vom Menschen verursachte seismische Ereignisse“, so Scuderi. Laut Scuderi weist dieses Rätsel über die Rolle des Flüssigkeitsdrucks bei induzierter Seismizität auf eine erhebliche Wissenslücke hin. Um diese Lücke zu schließen, wurden im Rahmen des EU-finanzierten FEAT-Projekts neue experimentelle Techniken zum Testen bestehender Reibungsgesetze unter spezifischen Randbedingungen entwickelt, die für die induzierte Seismizität charakteristisch sind. Zwei wesentliche Ergebnisse FEAT-Forscher erzielten in Bezug auf das Verständnis der Physik hinter der Erdbebennukleation zwei Schlüsselergebnisse. Die Forscher simulierten zunächst die Bedingungen der induzierten Seismizität, indem Abwasser unterirdisch unter hohem Druck entsorgt wurde. „Zu diesem Zeitpunkt haben wir entdeckt, dass ein Flüssigkeitsdruck, der einen kritischen Wert erreicht, eine Störung verursachen kann, um sich seismisch auszubreiten, selbst wenn die Störung rheologische Eigenschaften besitzt, die ein aseismisches Kriechen begünstigen sollten“, erklärt Collettini. „Dies deutet darauf hin, dass der Flüssigkeitsdruck während des Einspritzvorgangs eine kritische Schwelle nicht überschreiten sollte, um das Risiko von induzierten Erdbeben zu verringern.“ Daraufhin wurde das gesamte Spektrum an Störungseigenschaften in einem Labor reproduziert – vom aseismischen Kriechen bis hin zu langsamen und normalen Erdbeben – wodurch die Forscher herausfanden, dass dem Spannungsabfall des Erdbebens eine Verlangsamung der seismischen Wellengeschwindigkeit vorausgeht. „Dies hat wichtige Auswirkungen auf das Verständnis der Prozesse, die für die Schwächung der Störungszone vor einem Erdbeben verantwortlich sind, sowie auf die Umsetzung von Frühwarnsystemen“, fügt Collettini hinzu. „In der Zukunft werden es uns technologische Fortschritte hoffentlich ermöglichen, solche Signale entlang natürlicher Störungen zu erkennen, da unsere Beobachtungen darauf hindeuten, dass ein Erdbeben unmittelbar bevor es passiert festgestellt werden kann.“ Ein Blick auf den „Heiligen Gral“ Aufgrund des innovativen Charakters dieser Experimente mussten sich die Projektforscher sowohl technischen als auch rechnerischen Herausforderungen stellen. Scuderi erzählt, dass die Forscher beispielsweise, bevor die Experimente überhaupt beginnen konnten, eine vorhandene Vorrichtung zur Gesteinsverformung mit zusätzlichen Sensoren erweitern mussten, um eine größtmögliche Menge an Informationen verarbeiten zu können. Selbst als die Daten bereits gesammelt waren, mussten sie neue Techniken entwickeln, um die aufgezeichneten Informationen analysieren zu können. Während des Projekts kam es auch zu einigen positiven Überraschungen. „Eine unerwartete Überraschung war, dass wir, nach monatelanger Analyse der seismischen Wellengeschwindigkeit und Entwicklung eines neuen Ansatzes für die Analyse von seismischen Wellen, klare und konsistente Anzeichen für das Versagen entdeckten“, so Scuderi. „Erdbeben vorhersagen zu können, ist der ‚Heilige Gral‘ eines jeden Geophysikers, und obwohl wir noch lange nicht in der Lage sind, genaue Vorhersagen zu liefern, war es ein bedeutender und aufregender Schritt vorwärts, derart konsistente Versagensanzeichen bei experimentellen Störungen beobachten zu können.“
Schlüsselbegriffe
FEAT, Erdbeben, Geophysik, induzierte Seismizität