12. Oktober 2017, 05:45 Seismologie Wie der Mensch die Erde erschüttert

Von Jonathan Ponstingl

An einem Tag im Sommer ging in Oklahoma das Licht aus. Ein Erdbeben der Stärke 4,2 erschütterte die Kleinstadt Edmond und verursachte einen Stromausfall. Vor zehn Jahren wäre so etwas noch vollkommen undenkbar gewesen. "Bevor Fracking aufkam, war Oklahoma ein aseismischer Bundesstaat", sagt Marco Bohnhoff, Seismologe am Geoforschungszentrum Potsdam. Auf den offiziellen Gefährdungskarten war der Staat ein weißer Fleck, Erdbeben traten dort im Prinzip nicht auf.

Aber Anfang der 2000er-Jahre begannen die Energiekonzerne, die Gesteine im Untergrund im großen Stil aufzubrechen, um das dort in sogenannten unkonventionellen Lagerstätten gespeicherte Erdöl und Methan zu gewinnen. Dabei entstehen Abwässer, die anschließend im Untergrund entsorgt werden; der Umfang dieser Verpressung verdoppelte sich binnen weniger Jahre.

In der Folge begann ein immenser Anstieg der seismischen Aktivität, von der Oklahoma inzwischen mehr verzeichnet als das erdbebengebeutelte Kalifornien. 2016 registrierten die Wissenschaftler 623 Erdstöße mit einer Magnitude von mindestens 3,0 - und Oklahoma hat jetzt seine eigene Erdbebenbehörde.

Erdbeben durch Fracking sind ein weitverbreitetes Missverständnis

Die Vorgänge im Zentrum der USA sind Teil eines weltweit auftretenden Phänomens: vom Menschen verursachte Erdbeben. Zum Teil haben sie mit dem sogenannten Hydraulic Fracturing zu tun, auch Fracking genannt, und der damit oft verbundenen Abwasserverpressung. Das ist aber längst nicht mehr der einzige Auslöser. Sogenannte induzierte Seismizität droht auch infolge von Bergbau, Staudämmen, Geothermie, der Entnahme von Grundwasser und CO₂-Einlagerungen im Untergrund. Im Prinzip bei allen Vorgängen, bei denen der Mensch in das Spannungsfeld der Gesteinsschichten eingreift.

Das kann beim Fracking zwar durchaus der Fall sein. Die durch den eigentlichen Prozess ausgelösten Beben sind allerdings kaum an der Oberfläche spürbar. Fracking als Auslöser für Erdbeben zu bezeichnen, ist ein weitverbreitetes Missverständnis. Die anschließende Abwasserverpressung greift wesentlich stärker in die unteren Gesteinsschichten ein.

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Methan und Erdöl können beispielsweise in Schiefer oder Sandstein lagern. Die Rohstoffe lassen sich dort aber nicht direkt fördern, sie sind im Gestein eingeschlossen. Um dieses aufzubrechen, pressen die Förderkonzerne beim Fracking große Mengen eines Gemischs aus Wasser, Sand und Chemikalien in den Untergrund. Der Druck führt zum Bruch, es entstehen künstliche Risse im Gestein. Gas oder Öl werden freigesetzt.

Die eingesetzten Flüssigkeiten sind danach nicht mehr verwendbar. Die Förderkonzerne pumpen dieses Abwasser zurück in den Untergrund. Die eingepresste Flüssigkeit verändert den Druck innerhalb des Gesteins und verursacht dadurch feine Risse. Das Gestein wird destabilisiert und Spannung umgeschichtet. Die Folge können Erdbeben sein.

Solche Erschütterungen werden oft von Kritikern des Fracking herangezogen, um auf die Risiken der Technologie hinzuweisen. Allerdings entstehen nicht nur beim Fracking, sondern auch in der herkömmlichen Förderung von Öl und Gas Abwässer, die einen Großteil der verpressten Fluide in Oklahoma ausmachen.

Künstliche Beben treten längst nicht nur durch den Abbau von Erdöl oder Methan auf. Es gibt sie auch in der Nähe von Staudämmen, wo sie von ganz ähnlichen Ursachen ausgelöst werden. Das aufgestaute Wasser drückt auf den Untergrund; Flüssigkeit dringt in feinste Poren im Gestein ein und drückt es gewissermaßen auf. Der zusätzliche Druck ist zwar wesentlich geringer als bei der Brauchwasserverpressung. Da er aber auf einer deutlich größeren Fläche ausgeübt wird, können die Erdbeben durchaus stark sein. Im indischen Koyna, südlich von Mumbai, löste ein Stausee 1967 das bislang folgenreichste Erdbeben aus, das nachweislich vom Menschen verursacht wurde. Ungefähr 200 Menschen kamen ums Leben.

Manche Seismologen vermuten auch hinter dem Erdbeben in der südchinesischen Provinz Sichuan, wo 2008 etwa 70 000 Menschen starben, die nahe gelegene Zipingpu-Talsperre als Auslöser. Das Beben hätte in der gefährdeten Region vermutlich ohnehin irgendwann stattgefunden. Die Talsperre könnte Zeitpunkt und Ausmaß allerdings verändert haben. Ein wissenschaftlicher Beweis für diese These steht jedoch noch aus.

Forscher streiten über künftige Erdbebenwahrscheinlichkeit

Über die Frage, wie intensiv und häufig künftig in Oklahoma die Erde beben wird, ist derweil ein Streit unter Experten ausgebrochen. Die Geophysiker Cornelius Langenbruch und Mark Zoback von der Stanford University in Kalifornien nehmen an, dass die seismische Aktivität in Oklahoma künftig zurückgehen wird. Die Injektionsraten von Brauchwasser erreichten 2015 ihren Höhepunkt. In diesem Jahr hatte die Erde noch 903 Stöße mit einer Magnitude von 3,0 oder mehr abgegeben. Seitdem pressen die Konzerne weniger Wasser in den Untergrund, was vermutlich mit dem gefallenen Ölpreis und neuen Regulierungen zusammenhängt. Damit gehe auch die Wahrscheinlichkeit von Erdstößen zurück.

Ein Team von Seismologen um Thomas Goebel an der Universität von Kalifornien in Santa Cruz widerspricht in einer Studie: Zwar geben sie zu, dass die Zahl kleinerer Erdbeben mit den Wasserinjektionen zurückgegangen ist. Die Wahrscheinlichkeit von etwas stärkeren Erdbeben nehme hingegen zu, weil das bereits im Untergrund verpresste Wasser die Spannungsverhältnisse verändert hat. Auch Monate nach der Bohrung kommt es zu Erschütterungen. Im gasreichen Oklahoma ist das derzeit deutlich zu beobachten.

Das Phänomen ist nicht nur dort ein Problem: Zwei Millionen Fracks gab es bislang in den gesamten USA. Auch in anderen Ländern boomt Fracking. Und in den Gesteinsschichten unter dem chinesischen Festland lagern 30 Billionen Kubikmeter Schiefergas, das größte Vorkommen der Erde. Ausbleibende gesetzliche Bestimmungen ermöglichen einen rapiden Abbau.

In Deutschland hingegen gilt für kommerzielles Fracking seit 2014 ein Moratorium. Lediglich 300 Fracks gab es bislang, größtenteils zu wissenschaftlichen Zwecken. Aber auch hierzulande greift der Mensch in den Untergrund ein. Im Kohlebergbau etwa ist induzierte Seismizität schon lange eine Begleiterscheinung.

Bei der Kohleförderung bilden sich Hohlräume. Rutscht das Gestein nach, schichtet es Spannung um und kann zum Bruch führen. Wenn sich die Spannung löst, wird bereits im Untergrund vorhandene Energie freigesetzt. Sie äußert sich in seismischen Wellen. Bei einem solchen Erdbeben im Saarland 2008 haben Wissenschaftler eine Magnitude von 4,0 gemessen. Das Beben beschädigte mehrere Häuser in einem Gebiet, das ohnehin schon von tektonischen Störungen durchzogen ist.

War die Geothermieanlage dafür verantwortlich, dass die Häuser erzitterten?

Anfang September sorgte ein Erdbeben im oberbayerischen Poing für Aufsehen. Zwar gab es kaum Sachschäden, es ereignete sich aber in unmittelbarer Nähe einer Geothermieanlage. Prinzipiell gilt die Geothermie als sicheres Verfahren; allenfalls treten Mikrobeben auf. Die Erschütterungen sind normalerweise nicht stärker als an einer viel befahrenen Straße. Auch der Erdstoß in Poing war mit einer Magnitude von 2,4 gering. Dennoch schaltete der Betreiber die Anlage vorübergehend ab.

Schlimmer traf es Basel im Dezember 2006, wo die Betreibergesellschaften Geopower Basel AG und Geothermal Explorers Ltd ein geothermisches Heizkraftwerk planten. Sie pressten Wasser in fünf Kilometer Tiefe und erzeugten Wärme. 12 000 Kubikmeter Wasser waren in den Boden eingeleitet worden, bis sich die Erde am 8. Dezember 2006 wehrte. Der Tiefenbohrung folgte ein Erdbeben der Stärke 3,4.

Aus der Schweiz und Deutschland gingen mehr als 1000 Schadensmeldungen ein, die Betreiber mussten das Projekt einstellen. Dabei gibt es in der Schweiz immer wieder Erdstöße der Magnitude 3,4. Meist werden sie relativ gelassen hingenommen, man kann ja nichts dagegen machen. Aber das Beben in Basel löste damals Empörung aus: weil es von Menschen verursacht war.

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