Geologie: Wenn die Welt erzittert

Erst gibt es an jenem Freitagabend im Dezember 2006 um 17:48 Uhr einen lauten Knall in Basel – dann bebt die Erde. Die Erschütterungen sind bis nach Südbaden zu spüren. Später werden die Behörden eine Magnitude von 3,4 auf der Richterskala bekanntgeben. Die Schäden sind überschaubar: Ein Totalverlust von Straußeneiern, die beim Beben von einem Tisch gefallen sein sollen, außerdem hunderte von Rissen in den Hauswänden, die jedoch wohl nicht alle auf das Erdbeben zurückzuführen sind. Doch die Bevölkerung in der Schweizer Grenzstadt ist alarmiert, denn es ist der Mensch, der die Erde zum Beben gebracht hat.

„Die Region um Basel hat günstige Voraussetzungen für die Gewinnung von Energie aus Erdwärme“, sagt Professor Serge Shapiro vom Institut für Geologische Wissenschaften an der Freien Universität. In dem von ihm geleiteten Projekt PHASE (Physics and Application of Seismic Emissions) erforscht der Geophysiker mit seiner Arbeitsgruppe „Allgemeine und Angewandte Seismologie“ seit 2004 die Prozesse hinter kleinen Erdbeben wie dem in Basel, die beobachtet werden können, wenn der Mensch Veränderungen in tiefen Erdschichten vornimmt. „In der Region um Basel ist die Erdkruste sehr heiß“, sagt der Geophysiker. „In 5000 Metern Tiefe herrschen dort 200 Grad.“

Mithilfe des sogenannten Deep-Heat-Mining-Verfahrens sollte diese Erdwärme rund 5000 Baseler Haushalte künftig mit Strom und Warmwasser versorgen: Zwei Bohrlöcher sollten bis in die heißen Gesteinsschichten getrieben werden. Durch das eine wollte man kaltes Wasser einleiten, um es an anderer Stelle erhitzt über die zweite Leitung an die Erdoberfläche zurück zu pumpen. „Doch Basel steht auf hartem Granit: Um das Wasser zirkulieren lassen zu können, musste man diese Gesteinsmassen zerklüften“, erklärt Shapiro. Von Ende Oktober 2006 an leitete der Betreiber des Projekts riesige Wassermassen durch das erste fertiggestellte Bohrloch in die Tiefe. Pro Minute flossen 3 500 Liter Wasser – also gut 20 Badewannen voll – unter hohem Druck in die Tiefe. Solche Wassermassen üben einen enormen Druck auf das Gestein aus und lassen es rissig werden.

„Wo Menschen die natürliche Geologie verändern, sind Beben möglich“

Am 8. Dezember 2006, nur anderthalb Monate später, ist der Druck zu hoch: 12 000 Kubikmeter Wasser sind bis zu diesem Zeitpunkt in den Boden gepumpt worden – der Teufelssee im Berliner Grunewald fasst rund 72 000 Kubikmeter Wasser. Der angestaute Druck entlädt sich in einem Beben.

„Überall, wo Menschen die natürliche Geologie verändern, sind solche Beben möglich“, sagt der Geophysiker. Rund um die Gasfelder im niederländischen Groningen wurden seit den 1990er Jahren ähnlich starke Erdbeben wie in Basel beobachtet. Im indischen Koyna löste ein Stausee 1967 ein Erdbeben aus, bei dem etwa 200 Menschen ums Leben kamen. Und im November 2017 bebte die Erde in der südkoreanischen Großstadt Pohang mit einer Magnitude von 5,4: Fast 100 Menschen wurden durch herabstürzende Trümmer verletzt, viele Häuser sind seitdem unbewohnbar. Man vermutet auch hier ein Geothermie-Projekt als Auslöser.

Lisa Johann, wissenschaftliche Mitarbeiterin in Shapiros Arbeitsgruppe, hat jüngst Daten aus Oklahoma ausgewertet, um die Vorgänge im Erdinneren besser zu verstehen. Dort, in den weiten Ebenen der USA, wird seit jeher viel Öl gewonnen. „Bei den modernen Fracking-Verfahren, wird Wasser in die Erde geleitet, um die Räume im Gestein zu weiten und so Gase und Öl freizusetzen. Aber auch das Wasser, das natürlich im Gestein gebunden war, wird mitgefördert, sodass an den Förderstellen riesige Mengen Brauchwasser anfallen.“

In Oklahoma werden bis zu 900 Erdbeben pro Jahr gemessen

Geologen haben in Oklahoma in etwa einem Kilometer Tiefe Gesteinsschichten ausgemacht, die sehr porös sind und deshalb das überschüssige Wasser wie ein Schwamm aufnehmen; es versickert allein durch sein Eigengewicht und muss nicht etwa unter Energieaufwand in die Tiefe gepumpt werden. Mit mehreren hundert Brunnen wird das Wasser hochgepumpt und auf einer Fläche von mehr als 1000 Quadratkilometern wieder dem Erdboden zugeführt. Zunächst blieb der menschliche Eingriff folgenlos.

„Seit 2009 allerdings werden in der Region bis zu 900 spürbare Erdbeben pro Jahr gemessen“, sagt Lisa Johann. Die Berliner Wissenschaftlerin hat die offiziellen Zahlen des United States Geological Survey (USGS) und der Stanford University, mit der es in diesem Projekt einen regen wissenschaftlichen Austausch gibt, ausgewertet. Außerdem wurden die Daten der Öl- und Gasförderfirmen über die Einleitung von Wasser herangezogen.

„Auffällig war zunächst, dass die Zahl der Erdbeben abgenommen hat, seit Oklahoma die Menge an Wasser begrenzt hat, die in die Erde verbracht werden darf“, sagt Geophysikerin Lisa Johann. „Gleichzeitig stellen wir fest, dass sich die Fläche der seismischen Unruhen ausweitet, es also an Stellen zu Erschütterungen kommt, die immer weiter entfernt sind von den Injektionspunkten.“

Forscher wollen das Risiko besser unter Kontrolle bekommen

Sie hat ein Modell entwickelt, das die Vorgänge erklären könnte. Vereinfacht gesagt drückt das eingebrachte Wasser auf die tiefer liegenden Gesteinsschichten. Je mehr Wasser zugefügt wird, desto höher wird der Druck, bis sich die Spannungen, die sich in der Erde durch tektonische Prozesse angesammelt haben, über ein Beben entladen. Das eingebrachte Wasser hat aber nicht nur diese vertikale Wirkung auf die Gesteinsschichten. Der Wasserdruck breitet sich auch horizontal immer weiter aus. Dies würde erklären, warum es auch an Orten, die weit von den Brunnen entfernt sind, zu Erschütterungen kommt. Die Untersuchung zeigte erstaunliche Parallelen zu den Daten von Erdbeben, die im Zusammenhang mit Staudammprojekten aufgetreten sind.

„Die Physik ist die gleiche, egal, ob das Wasser an der Erdoberfläche gesammelt wird, oder ob man ein unterirdisches Reservoir schafft“, sagt ihr Doktorvater Serge Shapiro. Er möchte das Modell jetzt erweitern und so die Ausbreitung der Erdbeben auf größere Gebiete erklären. „Mit unserer Forschung möchten wir auch dazu beitragen, die Ängste der Menschen in Regionen, in denen geothermische Anlagen entstehen sollen, zu berücksichtigen. Ein Beispiel dafür sind etwa die rheinland- pfälzischen Orte Landau und Insheim, wo 2009 die Erde in der Nähe der Geothermie-Anlagen bebte“, sagt der Wissenschaftler. „Wir verstehen heute schon besser, welche Vorgänge zu den Zwischenfällen führen. Nun geht es darum, wie man auch das Risiko der Beben besser unter Kontrolle bekommen kann.“