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Inhalt

Einleitung

Chronologie

Vorstimulation, von 23. bis 26.11.2006

Hauptstimulation ab 2.12. 2006

2. 12. 2006

8. 12. 2006

von 8. 12. 2006 bis 6. 1. 2007

von 6. bis 16. 1. 2007

Induzierte Erschütterungen

Schadenpotenzial

Längerfristiges Erdbebenrisiko

Hintergrundinformation

Natürliche Seismizität

Induzierte Seismizität

Ausmass und Auswirkung der induzierten Seismizität

Vorabklärungen und Empirische Erkenntnisse

Beobachtungsnetz

Massnahmendispositiv

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Seismizität in der Geothermiebohrung

Einleitung

Am 2. Dezember wurden die Einpressversuche von Wasser in das fertiggestellte Bohrloch begonnen. Damit sollen in fünf Kilometern Tiefe die bereits vorhandenen Klüfte und feinen Risse geöffnet und durchlässig gemacht werden, um so ein Wärmereservoir zu erschliessen, in dem das Wasser zirkulieren und sich erhitzen kann. Die Phase der Stimulation war ursprünglich für maximal 21 Tage vorgesehen.  Da sich am 8. Dezember ein stark bemerkbarer Erdstoss von Magnitude 3.4 auf der Richterskala ereignete, wurde das Einpressen von Wasser, in Uebereinstimmung mit dem für das Projekt erstellten Massnahmen-Dispositiv,eingestellt. Die Bohrung hat bis Mitte Januar 2007 etwa ein Drittel des eingepressten Wassers wieder an die Oberfläche befördert; seither ist kein Rücklauf mehr beobachtet worden. Dabei hat die unspürbare und nur messbare Mikroseismizität inbezug auf die Häufigkeit insgesamt deutlich abgenommen, aber es kam immer noch zu einigen stärker spürbaren Ereignissen: Am 6. Januar mit Magnitude 3.1, am 16. Januar mit  3.2 und am 2. Februar mit Magnitude 3.3.

Der Schweizerische Erdbebendienst (SED) ist verantwortlich für die unabhängige seismische Überwachung der Stimulation. Er registriert mit speziell installierten eigenen Messstationen an verschiedenen Orten in der Stadt, ob und in welcher Stärke Erschütterungen auftreten. Diese Ereignisse werden unmittelbar nach dem Eintreten auf einer speziellen Internetseite (www.seismo.ethz.ch/basel/) publiziert.

In Zusammenarbeit mit internationalen Experten und dem Schweizerischen Erdbebendienst wurde ein Massnahmenplan erarbeitet, der bei erhöhter Seismizität Einschränkungen oder Beendigung  der Tests vorsieht. Diese Massnahmen wurden auf der Basis weltweiter Referenzen erarbeitet und wurden bei den Operationen strikt  angewendet.

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Chronologie 

Vorstimulation, von 23. bis 26.11.2006 :

Zur Abklärung des Formationsdruckes wurden im November Druckversuche mit geringen Fliessraten von maximal 10 Litern pro Minute durchgeführt. Diese Versuche haben keine seismische Aktivität erzeugt.

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Hauptstimulation ab 2.12. 2006

2. 12. 2006:

Beginn der Hauptstimulation, die auf eine Zeitdauer von maximal 21 Tagen ausgelegt war. Es war geplant, über diesen Zeitraum bis zu 50 000 m3 Wasser in das Gestein einzupressen.

Die Fliessrate wurde plangemäss schrittweise gesteigert von 10 Litern pro Minute bis zu einem Maximum von 3800 Litern pro Minute. Dabei stieg der Einpressdruck proportional an von 45 bar auf ein Maximum von 295 bar. Parallel dazu nahm, wie geplant, die mikroseismische Aktivität im Bohrlochbereich zu. Mit der gesteigerten Mikroseismizität stieg auch die Anzahl der Ereignisse mit einer Magnitude grösser als 2.0.

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8. 12. 2006

Um 04.06 Uhr wurde ein seismisches Ereignis mit Magnitude 2.7 registriert. Die Fliessrate wurde gemäss dem Massnahmenplan von 3200 l/min auf 1800 l/min reduziert. Da die mikroseismische Aktivität mit über 100 mikroseismischen Ereignissen pro Stunde noch stets hoch war, wurde um 12.30 Uhr das Einpumpen von Wasser eingestellt und die Bohrung eingeschlossen. Der Druck im Bohrloch sank auf unter 200 bar.

Um 16.46 Uhr erfolgte ein zweites Ereignis mit Magnitude 2.7 . Als Folge davon wurde die Bohrung geöffnet, um das unter Druck stehende Wasser auslaufen zu lassen, was allerdings gemäss Massnahmenplan nicht zwingend notwendig war.

Um 17.48 Uhr wurde ein seismisches Ereignis mit Magnitude 3.4 registriert. Das Hypozentrum der bisher grössten Erschütterung befand sich rund 200 Meter südlich des Bohrloches auf einer Tiefe von 5'000 Metern. An sämtlichen Messstationen des Erdbebendienstes wurde die Beschleunigung des Bodens am jeweiligen Standort gemessen. Diese Messungen geben direkt Auskunft über das Schadenpotenzial einer Erschütterung. Massgebend für die Beurteilung ist die gemessene Bodengeschwindigkeit, die in mm/s gemessen wird. Die höchste in Basel (Otterbach) gemessene Geschwindigkeit betrug  9.3 mm/sec und lag damit deutlich unter dem international verwendeten Schadengrenzwert  von 34 mm/sec (siehe unten).

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von 8. 12. 06  bis 6. 1. 2007

Die Bohrung blieb geöffnet, um das Wasser ausfliessen zu lassen. Die Fliessraten gingen von zuerst 1000 l/min innert 24 Stunden auf 250 l/min zurück und betrugen am 6. Januar noch 16 l/min. Der Druck am Bohrlochkopf hat sich in dieser Zeit auf weniger als 1 bar reduziert, das heisst, dass sich das Wasser in der Bohrung nun in einem hydrostatischen Gleichgewicht befindet.

Vom 8. Dezember bis zum 6. Januar sind von den ursprünglich injizierten 11 566 m3 Wasser 2736 m3  wieder ausgeflossen; im Untergrund befinden sich zusätzlich zu den bereits vorhandenen Formationswässern noch 8'830 m3 Wasser aus der Stimulation.

Zwischen dem 8. Dezember und dem 6. Januar hatte sich die Häufigkeit und Intensität der Seismizität stark reduziert, mit nur noch einem Ereignis von Magnitude 2.5 am 14. Dezember.

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Januar bis Februar 2007

Das Hypozentrum der Erschütterung mit Magnitude 3.1 vom 6. Januar 2007 konnte auf wenige hundert Meter südlich des Bohrloches auf einer Tiefe von rund 4500 m lokalisiert werden.  An keiner der fünf Messstationen des SED wurde bei der Magnitude 3.1 eine Bodengeschwindigkeit von mehr als 1 mm/s gemessen, was weit unter dem Grenzwert von 34 mm/sec für Schadenpotenzial liegt.

Im Januar hat die Häufigkeit  der Mikroseismizität weiter abgenommen.  Am 16. Januar wurde eine Erschütterung mit Magnitude 3.2 gemessen und am 2. Februar mit 3.3.

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Induzierte Erschütterungen

Wie vorausgesehen, hat das Einpressen von Wasser Erschütterungen erzeugt.

Rund 12 000 einzelne Erschütterungen wurden im Zeitraum vom  2. Dezember 2006 bis zum 16. Januar 2007 registriert, davon waren weniger als ein Promille an der Oberfläche wahrnehmbar.

Vier Erdstösse lagen mit Magnituden auf der Richterskala zwischen 3.1 und 3.4 über der ursprünglich erwarteten maximalen Intensität von rund 2.9.

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Schadenpotenzial

Die Energie eines Bebens wird in sogenannten Magnituden auf der Richterskala erfasst.  Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Skala stark logarithmisch ist. Eine Stufe Unterschied bedeutet eine 32 mal höhere Energie, zwei Stufen (z.B. von  Magnitude 3 auf Magnitude 5) bedeuten eine rund 1000-mal höhere Energie. Entscheidend für das Schadenpotenzial ist aber die gemessene Beschleunigung des Bodens (gemessen in mm/sec), die nicht nur von der Magnitude abhängt, sondern auch von der Beschaffenheit des Untergrundes (d.h. ob dieser seismische Schwingungen eher verstärkt oder dämpft).

Nach internationalen Normen (Instrumental Intensity, United States Geological Survey) können erste Schäden bei Bodengeschwindigkeiten von 34 mm/s auftreten. Der stärkste Wert bei der induzierten Seismizität in Basel wurde an der Messstation Otterbach mit 9.3 mm/s gemessen (Erdstoss Magnitude 3.4).

Die erfolgten Erdstösse von Magnitude 3.1 bis 3.4 entsprechen einer Energie  von etwa 1/100 bis 1/1000 eines leichteren Schadenbebens (Magnitude 4.5 bis 5.5) und etwa 1/30 000 der Energie des Bebens von 1356.  

Rund 750 Meldungen von Beschädigungen (meist kleiner Natur) sind bei bis Mitte Januar eingegangen und werden nun geprüft. Ob signifikante Schäden registriert wurden, ist daher noch nicht bekannt. Gemäss dem Schweizerische Erdbebendienst (SED) wäre es nicht zu erwarten.

Es gibt in der Schweizer Gesetzgebung keine Grenzwerte für Erschütterungen, die potentiell Schäden anrichten können. Für die Evaluation der Sicherheit von Kernkraftwerken werden allerdings nur Beben betrachtet, die eine Magnitude grösser als 5 erreichen.

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Längerfristiges Erdbebenrisiko

Beim Einpressen von Wasser in Gesteinsklüfte, wirkt das unter Druck stehende Wasser als Gleitmittel und kann daher entlang von Klüften Spannungen abbauen, die bereits vorhanden sind.  Die beobachteten Erdstösse sind darauf zurückzuführen.

Ist der durch die Stimulation ausgelöste Druckungleichgewicht im Gestein abgebaut, treten auch keine Erschütterungen mehr auf; dies gilt insbesondere auch für eine spätere Produktionsphase. Eine Umlagerung von bereits vorhandenen Spannungen ist im beeinflussten Bereich möglich. Ein Druckausgleich im Untergrund kann allerdings längere Zeit erfordern (Wochen bis Monate). Schadenbeben bedürfen sehr grosser Spannungen über sehr grosse Bereiche mehrer Kilometer. Die Wahrscheinlichkeit ein Schadenbeben auszulösen ist extrem gering. Es gilt nun diese Wahrscheinlichkeit zu quantifizieren und in Vergleich mit unseren täglichen Risiken zu bringen. Aufgrund weltweit tausendfacher Erfahrungen mit Veränderungen des hydraulischen Drucks im Untergrund, wie z. B. bei der Erdöl- und Gasförderung, im Tunnelbau, im Staudammbau, im Bergbau und auch im Betrieb geothermischer Anlagen sind spürbare Erschütterungen,, jedoch keine Schadenbeben, bekannt.

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Hintergrundinformation

Natürliche Seismizität

Physikalisch gesehen sind Erdbeben spontane Spannungslösungen, welche Gesteinskörper entlang diskreter Rissflächen versetzen.

Man muss sich bewusst sein, dass sich die Erde andauernd bewegt, wobei Menschen nur einen sehr kleinen Teil dieser Bewegungen wahrnehmen.

Im Raum Basel kommen fast täglich natürliche Spannungslösungen im Gesteinskörper («Knistern») vor. Statistisch ereignen sich in der Region Basel jährlich zwei deutlich fühlbare natürliche Erdstösse, und in der Schweiz kommt es im Durchschnitt jährlich zu etwa zwei Beben von Magnitude 4 bis 5.

Die allermeisten registrierten Erdstösse sind wesentlich schwächer als die Grenzwerte für Erschütterungen wie sie z.B. für schwere Bauarbeiten oder den Strassen- und Schienenverkehr gelten.

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Induzierte Seismizität

Induzierte Seismizität (Erschütterungen nicht natürlichen Ursprungs) ist ein Phänomen, das bei verschiedensten technischen Anwendungen wie Salzsolung, Staudamm- und Tunnelbau, Kohle- und Erzbergbau, Erdöl- und Erdgasförderung vorkommt.

Auslösender Faktor der induzierten Seismizität und der Erschütterungen ist beim Geothermieprojekt nicht die Bohrtätigkeit, sondern die Wassereinpressung in den Untergrund unter hohem Druck. Mit diesen Wasserinjektionen werden bei dem hier angewandten Hot-Fractured-Rock-Verfahren Klüfte im Gestein aufgebrochen oder bestehende Klüfte erweitert, um die Durchlässigkeit so genannter Reservoirgesteine zu verbessern.

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Ausmass und Auswirkung der induzierten Seismizität

Die Aktivitäten der Geopower Basel AG können Erschütterungen auslösen, von denen die meisten angesichts der geringen Energie nicht wahrnehmbar sind. In Basel konnte mit einer ähnlichen maximalen Magnitude wie beim vergleichbaren Geothermieprojekt von Soultz-sous-Forêts im Elsass gerechnet werden (Magnitude 2.9). Bei Basel 1 ist nun dieser Wert einige Male mit Magnituden 3.1 bis 3.4 überschritten worden.

Durch die typische, kurze maximale Schwingungsdauer von induzierten Erdstössen (etwa eine Sekunde) werden gefährliche Resonanzschwingungen in Gebäuden kaum angeregt.

Einige Wissenschafter nehmen an, dass die Injektion von Flüssigkeit unter hohem Druck die lokale mikroseismische Aktivität zwar erhöht, die seit jeher vorhandene natürliche seismische Gefährdung jedoch verringert, da ein übermässiger Spannungsaufbau verhindert wird. Nach Meinung der Experten reicht die Energie bei einer Wassereinpressung aber  nie aus um zu einer präventiven Auslösung von Beben zu führen. Bezeichnenderweise hat keiner der vielen unterirdischen Nukleartests je die nötige Energie erzeugt, um signifikante Beben auszulösen.Die Aktivitäten im Rahmen von Deep Heat Mining Basel geschehen  – geologisch gesehen – in geringer Tiefe. In dieser geringen Tiefe sind die Erdspannungen vergleichsweise geringer. Spannungen für Grossbeben werden erst in deutlich tieferen Zonen aufgebaut.

Eine Einstellung der Wassereinpressung führt über einen Zeitraum von Tagen bis Wochen zu einer deutlichen Verringerung der induzierten Seismizität, wobei einige deutliche spürbare Bewegungen auch in der späteren Relaxationsphase nach vielen Wochen noch auftreten können, diese haben vor allem damit zu tun, dass das eingepresste Wasser vorerst noch weiter als Gleitfläche dient. Ist jedoch das Druckgefälle im Untergrund wieder ausgeglichen, so sind keine bleibenden induzierten Spannungen mehr vorhanden und die Gesteinsbewegungen kommen dauerhaft zur Ruhe. Neue, bleibende  Spannungsherde werden bei dem Verfahren nicht aufgebaut!

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Vorabklärungen und Empirische Erkenntnisse

Das Konzept für das technische Vorgehen, sowie die Erfassung eventueller Risiken und nötiger  Vorsichtsmassnahmen bei der Stimulation in Basel – 1 wurde  in den letzen zwei Jahren ausführlich mit weltweiten Experten diskutiert und erarbeitet. Dem technischen Team von Geopower stand dabei ein Expertenrat zur Verfügung in dem ein Grossteil der internationalen Wissenschafter vertreten sind, die über detaillierte  Erfahrung  in der Problematik Stimulationsverfahren und Seismizität verfügen.  Das schliesslich angewandte technische Programm war von diesem Expertenrat unterstützt worden.

Weltweit führt die Erdölindustrie routinemässig Stimulationen  zur Verbesserung der Durchlässsigkeit von Öl- und Gasreservoirs durch, bei denen Gestein in der Tiefe durch Einpressen von Flüssigkeit aufgebrochen wird. Die Methoden der Erdölindustrie weichen zwar in technischer Hinsicht zum Teil vom Hot-Fractured-Rock-Verfahren ab, doch die in der Praxis gewonnenen Erkenntnisse sind durchaus auch für die Geopower Basel AG anwendbar.  .

Die am besten untersuchten hydraulischen Injektionstests in der Nähe von Basel und unter vergleichbaren Anlagebedingungen sind bereits seit 1993 in Soultz-sous-Forêts im Elsass durchgeführt worden (ebenfalls am Rheingraben). Die sehr umfangreichen Messresultate und Erfahrungen lassen sich daher gut auf die Situation in Basel übertragen. In Soultz-sous-Forêts gab es, totz eines Erdstosses von Magnitude 2.9, keine Seismizität mit Schäden.

Zusammenfassend gibt es weltweit kein einziges Beispiel einer durch Reservoirstimulation induzierten Seismizität, welche signifikante Schäden ausgelöst hätte – weder im Bereich der Geothermie, noch bei den Tausenden von sogenannten Fraccing Stimulationen, die seit Jahrzehnten weltweit in der Erdöl- und Erdgasindustrie durchgeführt wurden, dies obwohl dabei gelegentlich ein Vielfaches des Druckes der Basler Stimulation angewendet wurde . Bezeichnenderweise kommen solche Methoden der Reservoir Stimulation auch in ausgesprochenen Erbebengebieten (Kalifornien, Indonesien) und in Siedlungsräumen zur Anwendung (z.B. in dicht besiedelten Gegenden Norddeutschlands).

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Beobachtungsnetz

Um das erschlossene unterirdische Reservoir zu orten, das natürliche „Knistern“ zu erfassen und eine allfällige Beeinflussung durch die lokale Wasserinjektion zu erkennen, ist ein Beobachtungsnetz mit hochempfindlichen Geophonen in mehreren Bohrlöchern (sog. Horchbohrungen) von 350 bis 2750 Meter Tiefe installiert worden.

Die Beobachtungsdichte ist für solche Projekte einmalig und liefert nicht nur wertvolle neue Erkenntnisse für die Wissenschaft sondern erlaubt vor allem eine äusserst detaillierte Ueberwachung der Vorgänge.

Der Schweizerische Erdbebendienst (SED) der ETH Zürich hat unbeschränkt, permanent und in Echtzeit Zugang zu den anfallenden Messdaten. Der SED bestimmt als unabhängige Instanz die Magnitude. Alle Ereignisse werden auf einer speziell eingerichteten Webseite des SED publiziert (www.seismo.ethz.ch/basel/).

Das bedeutet, dass (auch) die induzierte Seismizität kontinuierlich unter Kontrolle nicht nur der Geopower Basel AG, sondern auch unter jener des SED ist.

Die Horchbohrungen wurden unter anderem auch deshalb so tief gebohrt, um dem Oberflächenlärm des Strassenverkehrs von Tram, Bahn, Strassenarbeiten etc. zu entgehen. An der Oberfläche platziert, könnten die Geophone das seismische Signal weniger gut aus dem Umgebungslärm herausfiltern.

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Massnahmendispositiv

In Kenntnis der speziellen tektonischen Lage Basels und angesichts der historischen Beben in dieser Region wurde der Frage der künstlichen Auslösung (triggered events) grösserer Beben spezielle Beachtung geschenkt.

Obwohl das Verfahren in der Erdöl und Ersgasindustrie rountinemässig zur Anwendung kommt, kann,wie bei jeder technischen Anwendung, auch hier ein Restrisiko nicht mit absoluter Sicherheit ausgeschlossen werden. Aus diesem Grunde haben die Projektverantwortlichen ein Überwachungs- und Kontrollkonzept erarbeitet, das von den zuständigen Instanzen genehmigt wurde (Amt für Umwelt und Energie, Kantonsgeologe, Schweizerischer Erdbebendienst).

Als Grundsatz für ein Überwachungskonzept galt, dass aus den hydraulischen Injektionen für Dritte kein Schaden entstehen darf. Weiter sollen spürbare Erschütterungen die Lebensqualität der im Einflussbereich wohnhaften Bevölkerung möglichst wenig beeinträchtigen. Mit diesem Konzept soll die induzierte Seismizität so kontrolliert werden, dass bei Überschreitung definierter Werte korrigierende Massnahmen eingeleitet werden.

Zur Überwachung der Erschütterungen wurde ein komplexes Monitoring System, bestehend aus fünf speziell dafür abgeteuften Beobachtungsbohrungen und sechs Oberflächenstationen in und um die Stadt eingerichtet. Alle Stationen melden jegliche Erschütterungen in Echtzeit an das Kontrollzentrum der Projektleitung, wie an den Schweizerischen Erdbebendienst.

Das Konzept besteht darin, bei der Überschreitung einzelner kritischer Messwerte die Stimulationsarbeiten stufenweise einzuschränken, bis zum vollständigen Unterbruch der Arbeiten.

Der Aktionsplan ist gegliedert in vier Stufen, die über die drei unabhängig erhobenen Kriterien definiert werden: Magnitude [ML], maximale Bodengeschwindigkeit [mm/s] und Wahrnehmung der Öffentlichkeit. Überschreitet nur eines dieser Kriterien einen gegebenen Grenzwert, so werden stufengerecht Massnahmen eingeleitet. Die Festlegung der Kriterien richtete sich nach internationalen Normen und nach einem exemplarischen Massnahmenplan, der von der Erdölindustrie in einem extrem erdbebengefährdeten Gebiet angewandt wurde. Für den Standort Basel wurden die Kriterien vor Beginn der Stimulation in Rücksprache mit dem SED und dem Kantonsgeologen auf freiwilliger Basis noch weiter verschärft.

In vereinfachter Form sind für folgende Kriterien folgende Massnahmen vorgesehen:

Stufe

Kriterien

Massnahmen

1

Magnituden (ML) < 2.3

Bodengeschwindigkeit (PGV*) < 0.5 mm/s

Normales Stimulationsprogramm

2

ML ≥ 2.3

PGV = 0.5 – 2.0 mm/s

Injektions- (Fliess-)rate nicht weiter erhöhen.

3

ML ≤ 2.9

PGV = 2.0 – 5.0 mm/s

Druck im Bohrloch bis unterhalb „Fraccing pressure“ absenken.

4

ML > 2.9

PGV > 5 mm/s

Druck abbauen; zum Druckabbau Wasser aus Bohrloch auslaufen lassen.

*PGV = Peak Ground Velocity

Der Massnahmenplan wurde währen der gesamten Stiimulationsphase nicht nur genau eingehalten, sondern angesichts einer Neubeurteilung der Lage im Laufe des Tages vom 8. Dezember sogar übererfüllt. So wurde z.B. das Auslaufenlassen des Wassers im Bohrloch bereits vor dem Erdstoss von 3.4 angeordnet, obwohl dies gemäss Massnahmenplan noch nicht zwingend gewesen wäre.

Parallel zu den Kriterien oben aufgeführten Kriterien für operative Massnahmen wurde auch ein Kommunikationsplan erarbeitet, wobei die Benachrichtigung der Behörden und öffentlichen Institutionen vom Schweizerischen Erdbebendienst vorgenommen wird.

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