Zur Gruppe der "natürlichen" Erdbeben werden drei Arten gezählt:
Zur vierten Art kann man jene Erdbeben aufgrund ihrer Ursache zählen, die durch industrielle Einflüsse herbeigeführt oder ausgelöst werden. Somit sind solche Beben auf Eingriffe des Menschen in die Natur zurückzuführen. In der Literatur werden diese Erdbeben oft als "induced earthquakes" oder "man- made earthquakes" bezeichnet. Doch der Ausdruck "induced" (bewirken, verursachen) ist nicht passend, da es sich meist nur um sehr kleine Eingriffe von Menschen in die tektonischen Verhältnisse und Prozesse handelt. Die unbeabsichtigten Erdbeben stehen im Zusammenhang mit folgenden industriellen Eingriffen in die Natur:
Schon im Altertum war man sich bewusst, dass Gebirge nur eine begrenzte Festigkeit besitzen. Dennoch waren die eigentlichen Ursachen der Gebirgsschläge lange Zeit unbekannt.
Die Erforschung wurde erst möglich, als Geräte zur Erfassung der Bodenerschütterungen zur Verfügung standen (z.B. Seismograph). Geomechanisch gesehen werden durch den Bergbau alle drei Hauptspannungen verändert, und zwar in einem solchen Ausmaß, dass sich die Differenz zwischen der größten und der kleinsten Hauptspannung oft um ein Vielfaches vergrößert.
D.h. das Material bricht bei einer bereits existierenden Schwachstelle durch plötzliche Verschiebungsvorgänge infolge von Änderungen der Gebirgsspannungen.
Zu einer Destabilisierung durch den Tagebau kann es nur kommen, wenn die kleinste Hauptspannung vertikal ausgerichtet ist, damit sich Laständerungen, die verhältnismäßig kleine Gebirgsspannungsänderungen hervorrufen, entsprechend auswirken können. Eine neue Scherbruchbildung wäre nur dann möglich, wenn wenigstens eine der horizontalen Gebirgsspannungen an der Oberfläche ungewöhnlich groß ist.
Dieser Umstand würde auf neu aufgetretenes tektonisch aktives Gebiet hindeuten, was unwahrscheinlich ist.
Eine andere und viel realistischere Erklärung bieten bereits vorhandene Störungszonen geringer Kohäsion mit Aufschiebungscharakter, bei denen schon bei einer kleinen Verringerung des Teufendrucks der Reibungswiderstand überschritten wird.
Erdbeben, die durch bergbauliche Aktivitäten an der Oberfläche hervorgerufen werden, sind relativ selten, da die drei Voraussetzungen:
Tiefbau:
Der Großteil der weltweiten Bergbauaktivität findet in Teufen bis etwa 1500 m statt, wobei meistens Kohle abgebaut wird. Da das Kohleflöz generell eine geringere Festigkeit als das Nebengestein aufweist, neigt es zum Ausbrechen. Eine Überschreitung der Zugfestigkeit des darüber liegenden Gebirges kann zu Gebirgsschlägen führen. Aber auch bei einer ungünstigen Abbaugeometrie und bei einer hohen Festigkeit der Kohle kann es zu Konzentrationen der Gebirgsspannungen kommen, die letztlich zu einem Gebirgsschlag führen.
Im Kohlebergbau sind hauptsächlich sechs verschiedene Mechanismen zu beobachten:
Extremer Tiefbau:
Dieser sehr tiefe Bergbau (>3000m) ist nur in Regionen mit niedrigen geothermischen Tiefengradienten möglich, etwa in Indien und Südafrika.
Der Versuch einer Klassifizierung der bergbauinduzierten Beben verdeutlicht die Wichtigkeit der Erfassung geologischer Störungszonen, da sich der Großteil der stärkeren Beben entlang dieser Schwächezonen konzentriert.
Weiter wird beobachtet, dass seismische Ereignisse entlang von geologischen Störungen oft einen der Geologie entgegengesetzten Mechanismus aufweisen. Die durch den Bergbau induzierten Spannungen übertreffen daher in diesen Fällen offenbar den tektonischen Trend von Auf- bzw. Abschiebungen.
2.) Wasserreservoirs:
Weltweit sind etwa nur 0,6% der 11.000 größten Reservoirs mit einer Mindeststauhöhe von 10m seismisch aktiv. Dieser Prozentsatz erhöht sich allerdings mit zunehmender Stauhöhe sehr schnell, so dass bereits bei etwa 10 % aller Reservoirs, deren Stauhöhe 90m übersteigt, induzierte Seismizität nachgewiesen werden konnte. Verallgemeinern sollte man dies jedoch nicht.
Es wurden zwei Modelle zur Erklärung der Seismizität vorgeschlagen:
Typ 1
Direkte Reaktion auf Pegeländerung des Reservoirs.
Hier reagiert der Untergrund seismisch auf eine Veränderung des Pegelstandes des Dammes innerhalb eines kurzen Zeitraumes. Die Bebentätigkeit beschränkt sich auf den obersten Krustenbereich mit Herdtiefen von wenigen Kilometern. Der Mechanismus dürfte hauptsächlich einer Abschiebung entsprechen.
Typ 2
Sehr langsame bzw. keine Reaktion auf Pegeländerungen des Reservoirs.
Hier kommt es erst nach geraumer Zeit zum Auftreten von Beben. Bei diesem Fall handelt es sich um einen Vorgang, wobei die aufgestaute Wassermasse teilweise in den Untergrund eindringt. Abhängig von der geologischen Beschaffenheit des Untergrundes kommt es zu zeitverzögerten Reaktionen, die sich meist in stärkeren Erdbeben als bei Typ 1 äußern. Häufig finden die Beben in großer Tiefe statt. Dieser Umstand erklärt auch die Verzögerung zwischen den Auflaständerungen und der oft viel später eintretenden Seismizität, da der Ausbreitungsprozeß der Porenwasserdruckerhöhung innerhalb einer Bruchzone Zeit benötigt.
Insgesamt ist zu sagen, dass sie meisten Reservoirs - wenn überhaupt- durch sehr langsame Porenwasserdruckänderungen entlang einer Störungszone im obersten Krustenbereich Erdbeben auslösen. Eher selten geschieht dies durch tiefgreifende seismisch-hydraulische Diffusionsprozesse.
4.) Injektion und Extraktion:
Bei der Injektion (z.B. dem Verpressen von Stoffen in ein Bohrloch) wird der Porenwasserdruck erhöht. Bei der Extraktion von Flüssigkeiten aus der Erdkruste hingegen sollte es zur Stabilisierung von Störungszonen führen, da die effektive Normalspannung erhöht wird.
Der Grund von Erdbeben bei Erdgas- und Erdölförderung liegt in der vertikalen Entlastung des Gebirges. Dadurch können in historischer Zeit nicht mehr seismisch aktive Störungen wieder aktiviert werden. Meist handelt es sich dabei um flache Überschiebungen oberhalb und unterhalb der Lagerstätte oder um Abschiebungen entlang des Randes des Senkungsbereichs des Produktionsfeldes.
Zusammenfassung:
Induzierte und ausgelöste Erdbeben können in den Erdbebengefährdungskarten deshalb nicht berücksichtigt werden, da die industriellen Eingriffe in die Natur nicht vorhersehbar sind. Durch die offensichtlichen Ursachen wird es möglich, geeignete Maßnahmen zu ergreifen, die entweder die Auswirkungen verringern oder überhaupt das Ereignis selbst verhindern.
Alle Beben, außer jenen im Untertagebau und jenen in der Nähe von Bohrlöchern, sind als "ausgelöst" einzustufen, da sie nur dann auftreten, wenn die tektonischen Voraussetzungen bereits vorliegen.
Nadja Wagner
Quelle:
Wolfgang A. Lenhardt: Erdbeben der vierten Art.
Lokales seismisches Gefährdungspotential durch Eingriffe in die Natur.
in: Bautechnik 10/1998, S. 47 - 57