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Einzelprojekt 4 - Ermittlung der seismischen Gefährdung bei tiefer geothermischer Energiegewinnung unter Berücksichtigung der regionalen und lokalen geologisch/tektonischen Strukturen

Das Einzelprojekt 4 im Verbundprojekt MAGS 2 beschäftigt sich mit der probabilistischen seismischen Gefährdungsanalyse für induzierte Seismizität beim Erschließen und dem Betrieb geothermischer Systeme. Dabei wird die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten bzw. Überschreiten der Bodenschwinggeschwindigkeit von vorgegebener Höhe an einem Standort ermittelt. Die Bodenschwinggeschwindigkeit ist entscheidend für die Fühlbarkeit und das Auftreten von Schäden bei seismischen Ereignissen. Sie hängt von der Stärke des Ereignisses (Magnitude), der Distanz eines Standortes zum Ereignis und von den sogenannten lokalen Standorteffekten ab. Die lokalen Standorteffekte können ein entscheidender Faktor bei der seismischen Gefährdung sein, indem sie Schwingungsamplituden frequenzabhängig verstärken und Schwingungsdauern verlängern können. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn im Baugrund des Standorts weiche Sedimente wie Tone oder Sande über harten Gesteinen vorkommen.

Die Messanlage, die aus 10 einzelnen Stationen besteht, wurde von der Fa. Omnirecs, Potsdam, entworfen. Sie basiert auf dem Datenlogger Data Cube, der am Geoforschungszentrum Potsdam GFZ entwickelt wurde und von Fa. Omnirecs vertrieben wirdDie Messanlage, die aus 10 einzelnen Stationen besteht, wurde von der Fa. Omnirecs, Potsdam, entworfen. Sie basiert auf dem Datenlogger Data Cube, der am Geoforschungszentrum Potsdam GFZ entwickelt wurde und von Fa. Omnirecs vertrieben wird. Jede einzelne Station zeichnet die Bodenbewegung in drei Komponenten im Frequenzbereich von 0,2 bis 50 Hz auf. In einem weiteren Entwicklungsschritt wird eine drahtlose Datenverbindung zwischen den Messstationen hergestellt und in den Prototyp integriert Quelle: BGR


Seismische Messstation im Test: im beigen Case befinden sich die Datenlogger und Stromversorgung, der Sensor in blau (Seismometer Lennartz 3D-5s) misst die Bodenschwingungen. Links neben dem Case ist die GPS-Antenne in schwarz zu erkennen.Seismische Messstation im Test: im beigen Case befinden sich die Datenlogger und Stromversorgung, der Sensor in blau (Seismometer Lennartz 3D-5s) misst die Bodenschwingungen. Links neben dem Case ist die GPS-Antenne in schwarz zu erkennen Quelle: BGR

Die Messananlage im Feldeinsatz bei Landau, Juli 2014. Die Sensoren sind jeweils mit einem Eimer als Abdeckung gegen Umwelteinflüsse abgeschirmt.Die Messanlage im Feldeinsatz bei Landau, Juli 2014. Die Sensoren sind jeweils mit einem Eimer als Abdeckung gegen Umwelteinflüsse wie Sonne, Wind und Regen abgeschirmt. Die einzelnen Stationen wurden hier im Ring mit einem Durchmesser von 10m aufgestellt. Der Ring wird im Zuge der Messungen vergrößert, um sukzessive tiefere Untergrundbereiche zu erfassen Quelle: BGR



Balkenplan EP4 (PDF, 10 KB)
Projektvorstellung KickOff 12/2013
Projektvorstellung Workshop München 10/2014
Projektvorstellung Workshop Mainz 09/2015
Projektvorstellung gemeinsamer Workshop MAGS2 - SHynergie, Bochum 10/2016

Grenzwerte der Bodenschwinggeschwindigkeiten für die Fühlbarkeit von seismischen Erschütterungen und für auftretende Schäden an Gebäuden können einer einschlägigen DIN entnommen werden (DIN 4150). Die Wahrscheinlichkeit für das Überschreiten der Grenzwerte wird in den probabilistischen Analysen berechnet. Wie bei der natürlich auftretenden, tektonischen seismischen Aktivität ist damit eine Bewertungsgröße auch für den Fall der induzierten Seismizität verfügbar, z.B. für behördliche Entscheidungen in Bezug auf Erschließung und Betrieb der geothermischen Anlagen.
Ein Schwerpunkt im EP4 ist es, die lokalen Standorteffekte mit passiven seismischen Methoden zu bestimmen und in der probabilistischen seismischen Gefährdungsanalyse zu berücksichtigen. Dies soll die Anzahl aufwändiger und teurer Untersuchungen wie Bohrungen und geotechnischen Messungen reduzieren. Zur lokalen Bestimmung der Bodenverhältnisse (Untergrundstruktur) werden dabei passive Einzelstationsmessungen und seismische Arraymessungen eingesetzt, um eine sogenannte Mikrozonierung durchzuführen. Dabei werden aus den Einzelstationsmessungen Rückschlüsse auf die Verstärkung durch die lokalen Standorteffekte gezogen und gegebenenfalls kleinräumig Gebiete mit der gleichen Untergrundstruktur und ähnlicher Verstärkungs-charakteristik ermittelt und kartiert. Aus den aufwändigeren Array Messungen lässt sich in diesen Gebieten dann die Untergrundstruktur ermitteln und später die lokalen Standorteffekte berechnen.

Die Methodik soll an den Geothermie-Standorten Landau und Unterhaching entwickelt werden. Dabei handelt es sich um Entwicklungen der Hardware, der Auswertesoftware und der Vorgehensweisen für eine praxistaugliche Anwendung. Im Bereich der Hardware wird ein Prototyp der Fa. Omnirecs, Potsdam, eingesetzt, der speziell auf die effektive Durchführung passiver seismischer Arraymessungen zugeschnitten ist. Bisher waren solche Messapparaturen nicht auf dem Markt verfügbar.

Gemessene inverse Ausbreitungsgeschwindigkeit (Slowness) von seismischen Oberflächenwellen in Abhängigkeit ihrer FrequenzGemessene inverse Ausbreitungsgeschwindigkeit (Slowness) von seismischen Oberflächenwellen in Abhängigkeit ihrer Frequenz. Die Farbskala von rot zu violett ist ein Maß für die statistische Sicherheit der Messung. Deutlich zu erkennen ist eine Zunahme der Slowness zu höheren Frequenzen hin, d.h. eine Abnahme der Geschwindigkeit. Diese sogenannte Dispersion wird zur Bestimmung der lokalen Untergrundstruktur benutzt (Verlauf der Geschwindigkeit von Scherwellen mit der Tiefe) Quelle: BGR

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