Fracking verursacht neue Art von Erdbeben

Neuartige Mischform: Die Erdgasförderung mittels Fracking kann eine neuartige Form seismischer Erschütterungen verursachen. Diese Erdbeben haben langsamere Wellen als normal und halten auch länger an, wie ein Forschungsteam ermittelt hat. Sie deuten dies als Indiz dafür, dass diese Fracking-Beben eine Mischform aus den gängigen induzierten Beben und einer aseismischen Verschiebung des Untergrunds sein könnten.

Die Erdgasgewinnung mittels „Hydraulic Fracturing“, kurz Fracking, hat vor allem den USA einen neuen Förderboom beschert. Bei dieser Technik wird ein Gemisch aus Wasser, Sand und verschiedenen Zusätzen unter hohem Druck in den Untergrund gepresst. Die dadurch entstehenden Risse im Gestein machen die vielen kleinen im Gestein verteilten Gastaschen zugänglich. Allerdings mit erheblichen Nebenwirkungen: Die meist giftigen Fracking-Chemikalien vergiften Trinkwasser und Luft, außerdem können die Bohrungen Erdbeben bis zur Magnitude von 5 und mehr auslösen.

Beben mit ungewöhnlichen Merkmalen

Doch wie kommen solche Fracking-Erdbeben zustande? Das haben nun Hongyu Yu vom Geological Survey of Canada und seine Kollegen an einem Fracking-Standort im Westen Kanadas näher untersucht. Für ihre Studie hatten sie ein Netz aus acht seismischen Stationen rund um ein Bohrloch in der Montney-Shale-Formation installiert. Fünf Monate lang zeichnete das Netzwerk alle seismischen Erschütterungen auf, die während und nach der Periode des aktiven Frackings auftraten.

Unter den 350 registrierten Erdbeben waren viele schwache Erschütterungen, wie sie typischerweise durch das Aufbrechen des Gesteins verursacht werden. Doch 31 Erdbeben stachen aufgrund ungewöhnlicher seismischer Merkmale heraus: Nach einem starken Schub der eintreffenden Primär- und Sekundärwellen folgte eine zweite Phase mit niederfrequenten, aber lange anhaltenden seismischen Wellen. Ähnlich langsame, anhaltende Beben wurden bislang hauptsächlich in Vulkangebieten beobachtet.

Ungewöhnlich langsame Bruchausbreitung

Wegen dieser Kombination aus normalem Beginn und einem langsamen, lang anhaltenden Ende haben die Forschenden den neuartigen Bebentyp „Erdbeben mit hybrid-frequenten Wellenformen“ getauft (EHW). Wie und warum sie beim Fracking entstehen, haben sie anschließend mithilfe der Messdaten und einem ergänzenden Modell untersucht. Demnach ist es schwer, diesen Erdbebentyp allein durch frackingbedingte Veränderungen des Porendrucks oder Spannungsänderungen zu erklären.

Stattdessen geht die zweite Bebenphase offenbar auf eine ungewöhnlich langsame Ausbreitung des spannungslösenden Risses im Untergrund zurück. „Eigentlich waren wir davon ausgegangen, dass die meisten Erdbeben die gleiche Bruch-Geschwindigkeit von zwei bis drei Kilometern pro Sekunde haben“, erklärt Koautorin Rebecca Harrington von der Ruhr-Universität Bochum. Doch das scheint hier nicht der Fall zu sein.

Kombination aus seismischen und aseismischen Bewegungen

Das Forschungsteam vermutet, dass die neuentdeckten langsamen Erdbeben eine Zwischenform von herkömmlichen Erdbeben und einer für Fracking-Standorte bereits länger postulierten aseismischen Verschiebung des Untergrunds sein könnten. Dabei kommt es durch die Fluid-Injektion zunächst zu einer solchen erdbebenlosen Verschiebung im Gestein. „Die in Verwerfungszonen gefangenen Fluide könnten dann über Monate bis Jahre hinweg eine lokalisierte, erhöhte Spannung behalten“, erklären Yu und seine Kollegen.

Diese Vorspannung bewirkt dann, dass die später ausgelösten Erdbeben eine Art Übergangsform zwischen dem aseismischen und seismischen Regime darstellen, die mit langsameren Bruchgeschwindigkeiten verknüpft ist. Sollte dieses Szenario stimmen, dann wären die jetzt nachgewiesenen langsamen Beben ein erster Beleg dafür, dass Fracking tatsächlich auch die schon länger vorhergesagten aseismischen Verschiebungen verursacht, wie das Team erklärt.

„Wenn wir verstehen würden, wann der Untergrund auf den Fracking-Prozess mit Bewegungen reagiert, die kein Erdbeben und somit keinen Schaden an der Oberfläche anrichten, könnte man die Prozesse entsprechend anpassen“, sagt Harrington. (Nature Communications, 2021; doi: 10.1038/s41467-021-26961-x)

Quelle: Ruhr-Universität Bochum