Archive for the 'Geowissenschaften' Category

Eingegipst? Stuttgart 21 und die Erdwärme

September 2nd, 2010

Stuttgart Hbf alt (gemeinfrei, Andreas Praefcke)

Stuttgart Hbf alt (gemeinfrei, Andreas Praefcke)

Selten – und wenn dann meist am Rande – kommt mal ein Geologe zu Wort. Was der dann zu sagen hat, ist meist unerfreulich.

Der Tübinger Geologe Jakob Sierich, ein Spezialist für anhydrit- und gipsführende Erdschichten, hat für das Magazin [Stern] das Gutachten analysiert. Sein Befund lautet: „Bei Stuttgart 21 geht es nicht um mögliche Risse in Häusern, es geht um mögliche Krater, in denen Häuser verschwinden können. Es geht um Menschenleben.“

Genau erklärt wird das Problem in den Medien aber kaum. Sie würde wie eine frische Fleischwunde die politischen und wirtschaftlichen Widersprüche offen zur Schau stellen.

Um diese Geschichte von Anfang an zu erzählen, müssen wir eine Weile zurückblicken. Vor rund 200 Millionen Jahren war es in Südwestdeutschland warm und feucht. Die Region lag am Rand eines großen Ozeans, von dem es durch eine Barriere abgetrennt war. Die Sonnenstrahlung dampfte einen großen Teil dieses Beckens ein. Minerale reicherten sich an, ähnlich wie das heute im Toten Meer passiert. Als fast das gesamte Wasser verdampft war, fiel Anhydrit aus. Dieses Mineral – Kalziumsulfat – reagiert wegen seiner Entstehungsgeschichte extrem empfindlich auf Wasser. Wenn er mit Tonsedimenten wasserdicht abgedeckt wird, kann er sich jedoch unbeeindruckt über hunderte Millionen Jahre halten.

In der schwäbischen Hauptstadt liegen diese Anhydritschichten heute wieder an der Oberfläche. Und nicht erst seit Stuttgart-21: Die auch als Gipskeuper bezeichnete Schicht wurde durch Erosion in der jüngeren geologischen Geschichte freigelegt. Das Resultat: Überall, wo Regen- und Grundwasser eindrang, reagierte es mit dem Anhydrit und formte Gips. Dieser Prozess der chemischen Lösung ist das täglich Brot einer ganzen Handwerkerinnung: „Gips“ aus dem Baumarkt enthält zum großen Teil Anhydrit, der mit Wasser abbindet. Was den Gipser wenig stört: Das Mineral Anhydrit ist deutlich kompakter als der entstehende Gips. Das Volumen des gehärteten Gips liegt um 60% über dem des eingesetzten Anhydrits. Aus einer Packung Anhydrit entstehen so 1,6 Packungen Gips.

Woher holt der Gips im Untergrund diesen Platz? Er nimmt ihn sich! Wenn aus einer mit Anhydrit geschwängerten wässrigen Lösung Gips entstehen kann, wird er entstehen. Der sogenannte Quelldruck kann schon mal ein paar hundert Meter Erdreich in die Höhe stemmen.

Genau das passierte nach einer Erdwärmebohrung im malerischen Staufen im Breisgau: Die Stadt ist durchzogen von zwei Störungszonen, die sehr viel Wasser führen. Gleichzeitig stehen die geologischen Schichten senkrecht, inklusive des anhydritreichen mittleren Muschelkalks. Die Bohrung verband die wasserführenden Klüfte mit senkrecht stehenden Anhydritschichten. Das Resultat: Der Staufener Untergrund begann sich an manchen Stellen um mehr als 40 Zentimeter zu heben. In den historischen Gebäuden der mittelalterlichen Altstadt entstand erheblicher Sachschaden (Schad & Gehlen, 2008).

In Stuttgart ist die geologische Situation eigentlich überschaubarer: Der anhydritführende Gipskeuper liegt schon seit Jahrtausenden an der Oberfläche und ist ausgelaugt, also in Gips umgewandelt. Wo ist das Problem?

Geologisches Profil Stuttgart (nachgezeichnet nach Ufrecht 2003, Amt für Umweltschutz, Stuttgart)

Geologisches Profil Stuttgart (nachgezeichnet nach Ufrecht 2003, Amt für Umweltschutz, Stuttgart)

Nun: Der Gipskeuper ist nicht komplett ausgelaugt. In der nebenstehenden Abbildung erkennt man eine feine rot gestrichelte Linie, die den Gipskeuper (hellblaue Schicht) durchzieht. Der Gipsauslaugungshorizont. Der Hauptbahnhof liegt im Bereich „Stadtmitte“, der hier den Stuttgarter Talkessel markiert. Gräbt man hier einen unterirdischen Bahnhof und „unterfährt“ die Stadt mit weiteren Tunneln, muss man direkt in den Gipskeuper bohren. Solange man dies in der ausgelaugten Zone (über der Strichellinie) macht, besteht kein Risiko. Arbeiten darunter schaffen eine Wegsamkeit für Grund- und Regenwasser zu unausgelaugtem Anhydrit. Und hier beginnt das Problem. Denn wo diese Auslaugungsfront exakt liegt, kann man nicht überall sagen.

Ein weiteres Problem entsteht in Gebieten, die bereits vor langer Zeit ausgelaugt worden sind: Der Gips hat sich hier Wegsamkeiten geschaffen, hat Gestein und Erdreich in seiner Umgebung weggeschoben und dabei oft Hohlräume geschaffen, die später wieder teilweise verschüttet wurden. Beim Bohren von Tunneln können diese Schuttkegel unwissentlich geöffnet werden. Diese führen manchmal bis an die Oberfläche, so dass nachstürzendes Geröll ganze Gebäude gefährden kann.

Natürlich ist den Genehmigungsbehörden am Umweltamt genau das klar. Daher wurde der Stuttgarter Untergrund ausgiebig erkundet. Hunderte Bohrungen wurden niedergebracht. Während des Baus senken etliche Brunnen im Stadtbereich den Grundwasserpegel ab, um zutretendes Wasser zu reduzieren. Doch der alte Bergmannsspruch vor der Schippe ist es dunkel gilt auch für Stuttgart 21: Wie es unter der Erde wirklich aussieht, wird man erst beim Graben erfahren, egal wie gut vorher erkundet wurde.

Die dargestellte Profilzeichnung stammt übrigens aus einer Broschüre des Amtes für Umweltschutz zur Nutzung der Geothermie in Stuttgart. Die Behörden im Ländle sind besonders besorgt, dass ausufernde geothermische Bohrungen zur Energieversorgung von Gebäuden bald auch Anhydritschichten durchstoßen. Die schlechten Erfahrungen aus Staufen im Breisgau sollen sich in der Landeshauptstadt nach Möglichkeit nicht wiederholen. Daher wird seit rund zwei Jahren verlangt, dass jede Erdwärmebohrung beim ersten Anzeichen von Sulfatgestein (Anhydrit oder Gips) zu stoppen und sofort zu verfüllen ist.

So eine Güterabwägung gehört klar zu den Aufgaben eines Amtes: Die Versorgung mit sauberen erneuerbaren Energien steht hier der Sicherheit der Gesellschaft gegenüber. Das lässt sich aber offenbar nur gegenüber kleineren Akteuren durchsetzen.

Menschen machen Erdbeben

August 6th, 2010

Florian Freistetter vom Blog Astrodictum simplex hat sich ausgiebig über die Erdbebenwaffe des US-Militärs HAARPS echauffiert. Weil sie gar keine Erdbebenwaffe ist, sondern ein großes Instrument zur Untersuchung der Ionosphäre. Nutzer der Anlage ist auch nicht nur das Militär, viele zivile Wissenschaftler mit sind dabei. Und er echauffierte sich eigentlich auch nicht über HAARPS, sondern über Verschwörungstheoretiker, die in HAARPS eine Erdbebenwaffe sehen. Oder noch Schlimmeres. Aber lest selbst.

Dass eine Messstation für die Ionosphäre irgendwo auf der Welt Erdbeben auslösen könnte, ist natürlich Unsinn. Da gebe ich Florian recht. Er weist darauf hin, dass Menschen auf ganz anderem Wege Erdbeben auslösen:

[…] in der Wissenschaft gibt es tatsächlich Geräte, die solche künstlichen „Erdbeben“ auslösen. Das Verfahren nennt sich Vibroseis und man versetzt dabei den Erdboden in Schwingung (mit Sprengungen bzw. speziellen schweren und vibrierenden Fahrzeugen) und misst dann, wie sich diese Schwingungen im Boden fortbewegen.

Menschen haben die Werkzeuge, um Erdbeben zu machen (beccaplusmolly auf Flickr, CC-NC-SA)

Menschen haben die Werkzeuge, um Erdbeben zu machen (beccaplusmolly auf Flickr, CC-NC-SA)

Diese geophysikalische Messmethode – die Vibrationsseismik – ist aber nicht das Paradebeispiel für menschgemachte Erdbeben. Die Erschütterungen sind hier recht gering. Der Mensch ist aber in der Lage, die Erde deutlich nachhaltiger zum Beben zu bringen. In Tschechien und Polen – einer sehr berbaureichen Region – bebt die Erde häufig, wenn die alten Stollen in Bewegung geraten. Natürliche Erdbeben treten hier mittlerweile deutlich seltener auf (Giardini, 2009).

Wenn sich diese Art von menschgemachten Beben noch als ungewollt bezeichnen ließen, sind Fluidinjektionen ein Beispiel für gewollt erzeugte Erschütterungen: Möchte man etwa Erdwärme aus großen Tiefen gewinnen und zur Stromproduktion nutzen, werden Klüfte benötigt. Diese feinen Risse existieren aber in drei bis fünf Kilometern Tiefe nur selten. Bei der Methode Enhanced Geothermal Systems wird Wasser oder Säure mit extrem großen Drücken in ein Bohrloch gepresst. Dabei bricht das Gestein auf und es entsteht ein Netz aus feinen Rissen über hunderte Meter in alle Richtungen.

Der Nebeneffekt: Die Erde bebt. Meist sind diese Beben gering, weit unter der Wahrnehmungsschwelle von Menschen. Nach einer Fluidinjektion in Basel musste 2006 die dortige Errichtung eines Geothermiekraftwerks abgebrochen werden. Eines der Mikrobeben hatte die Magnitude 3,4 erreicht. Oberhalb von 3,0 können Menschen die Erschütterung spüren und in Gebäuden entstehen erste Risse.

In Basel kamen keine Menschen zu Schaden und auch Gebäude stürzten nicht ein. Dass Geothermiebohrungen so starke Beben erzeugen können, war zuvor einfach für nicht möglich gehalten worden. Bei der Auswertung der Basler Ereignisse wurde kontrovers diskutiert, ob Tiefenbohrungen nicht nur schwache Beben induzieren können, sondern auch starke Beben triggern: Der Mensch erzeugt schwache Vibrationen in einem Gebiet, das durch natürliche Erdbeben gefährdet ist. Wenn hier sowieso starke Spannungen im Untergrund existieren, könnten kleine schwache Beben vielleicht ein starkes zerstörerisches Beben anstoßen oder triggern. Das wurde jedoch verneint – selbst im äußerst erdbebengefährdeten Basel sind getriggerte Starkbeben nicht wahrscheinlich.

Die gleiche Technik – Fluidinjektion – wird übrigens auch bei der Erdölförderung eingesetzt. Auch hier werden willentlich schwache Beben erzeugt. Das merkt aber meist niemand, weil im Umfeld der Bohrungen niemand lebt.

Siehe auch

Ölschiefer, geothermische Beben und das ungeliebte CO2

Juli 19th, 2010

(CC-BY, inju auf Flickr)

(CC-BY, inju bei Flickr)

Das kleine Estland, seit 2004 Mitglied der EU und seit 2010 im Euroland, hat eine steinzeitliche Energieversorgung. Davon berichtet eine als Blog verfügbare Seminararbeit. Man gewinnt mit großem technischen Aufwand Ölschiefer, einer Art geologisch unterentwickelter Kohle, die extrem feucht ist. Dafür werden ähnlich unserem heimischen Braunkohletagebau  ganze Landschaften umgegraben. Zuvor wird meist viel gerodet, denn Estland ist zu 44 Prozent bewaldet.

Die tiefe Geothermie gilt als schwacher Hoffnungsträger für die Stromversorgung der Zukunft. Denn um die Technik bei uns rentabel zu betreiben, müsste man drei bis fünf Kilometer tiefe Löcher bohren und hier den Untergrund stimulieren, also mit der Injektion von Wasser Klüfte öffnen. Dabei entstehen jedoch schwache Beben, die meist von der lokalen Bevölkerung abgelehnt werden. An der TU Darmstadt forscht man nun an der Minimierung der Erdbeben, schreibt die Berliner Zeitung.

Die Geothermie wird auch von anderer Seite bedrängt: Aktuell wird ein neuer Gesetzesentwurf zur Einlagerung von CO2 in den Untergrund erarbeitet. In Brandenburg kam es bereits zu ersten Konflikten mit geplanten geothermischen Bohrungen.

Russische Kreise hatten BP vorgeschlagen, das Leck am Meeresboden einfach mit einer atomaren Explosion abzuschließen. Matthias Reich hält diese Herangehensweise (wenig erstaunlich) für „Schwachsinn“. Er ist Professor für Bohrtechnik an der Bergakademie Freiberg und hat der taz ein Interview gegeben. Reich erklärt auch, warum eine momentan „dichte“ Absaugglocke noch viel größere Probleme schaffen könnte.

BP boykottieren?

Juni 24th, 2010

(Greenpeace UK)

(Greenpeace UK)

Im Golf von Mexiko sprudelt das Öl. Nach der Explosion der Bohrinsel Deepwater Horizon am 20. April 2010 sind bereits rund 270.000 Millionen Liter Rohöl ins Meer geflossen (Stand: 11. Juni). Es können auch 11.000 Liter mehr oder weniger sein, so genau weiß das keiner. So ein Leck in 1.500 Metern Tiefe schadet praktischerweise gleich mehrere Teile der Lebewelt gleichzeitig: Rohöl setzt sich aus leichten und schweren Bestandteilen zusammen. Die einen sind leichter als Wasser und schwimmen oben, schädigen Vögel, Fische und die Luftmatratzenindustrie.

Die schweren Bestandteile des Rohöls haben nicht weniger gravierende Auswirkungen: Sie sind dichter als Wasser und bleiben am Meeresgrund, wo sie mit der Strömung des Tiefenwassers verteilt werden. In so großen Wassertiefen leben viele Arten, die bis heute noch gar nicht entdeckt wurden. Dieser Teil der Umweltkatastrophe wird öffentlich kaum diskutiert, denn er ist unsichtbar.

Wer ist für die Umweltkatastrophe verantwortlich? Die Bohrmannschaften? Die BP-Konzernführung? Die US-Behörden? Oder sind es wir alle durch unseren ungezügelten Energiekonsum?

Egal wer es ist, der Schuldige soll schnell gefunden und bestraft werden, so die öffentliche Meinung. Und da multinationale Konzerne wie BP kaum durch staatliche Sanktionen belangt werden können, muss eben die Marktmacht der Verbraucher Recht sprechen. Boykottieren wir alle BP-Tankstellen (und in Deutschland bitte auch gleich Aral, ein Tochterunternehmen von BP), wird es sich der Konzern in Zukunft zweimal entscheiden, die Sicherheit hintenanzustellen!

Aber ist ein Boykott die Lösung? Was wäre, wenn BP dadurch finanziell stark angeschlagen wird oder in die Insolvenz gehen muss? Gewiss, ein Konzern mit einem Umsatz von 239 Milliarden US-Dollar und einem Gewinn von 13,9 Milliarden Dollar ist weit entfernt davon. Es lohnt sich dennoch, diese Möglichkeit einmal zu Ende zu denken. Denn gerade im Rohstoffbereich sind Firmeninsolvenzen ein probates Mittel, um sich der Sanierung von Umweltkatastrophen zu entziehen.

Der Umweltaktivist und Geografieprofessor Jared Diamond beschreibt in seinem Sachbuch Kollaps am Beispiel von Minen im US-Bundesstaat Montana, wie sich Firmen um die Sanierung selbstverschuldeter Altlasten drücken.

Insbesondere die Eigentümer kleinerer Firmen melden Insolvenz an, verstecken in machen Fällen ihr tatsächlich vorhandenes Vermögen und setzen ihre Geschäftstätigkeit in anderen oder neu gegründeten Unternehmen fort, die keine Verantwortung für die Aufräumarbeiten in der alten Mine tragen.

Für größere Bergbauunternehmen dokumentiert Diamond eine andere Strategie:

Ist das Unternehmen so groß, dass es nicht glaubhaft machen kann, es werde durch die Aufräumkosten Bankrott gehen […], leugnet die Firma stattdessen ihre Zuständigkeit oder versucht auf andere Weise, die Kosten möglichst niedrig zu halten.

Wäre BP ein kleines Unternehmen, müssten wir also durchaus Angst haben, dass eine Insolvenz genutzt dazu wird, sich aus der Affäre zu ziehen.

Anders als in Montana sind Auswirkungen im Golf von Mexiko jedoch weithin sichtbar. Autofahrer weltweit sehen ölverschmierte Pelikane in ihren Abendnachrichten: Tag für Tag, Woche für Woche, Monat für Monat. Es ist nur eine Frage der Zeit, bis bei ihnen der Gedultsfaden reißt, insbesondere im am stärksten betroffenen Land, das zugleich größter Erdölkonsument der Welt ist. Ein US-weiter BP-Boykott könnte den Riesen vielleicht wirklich ins Wanken bringen. Und dann liegt die Rechnung für die Aufräumarbeiten beim Steuerzahler.

Heute kein Eisen

Mai 22nd, 2010

Aschewolke im Sonnenuntergangslicht (Martin Rietze)

Aschewolke im Sonnenuntergangslicht (Martin Rietze)

Eine aufmerksame Leserin wies mich auf die auffällige Rotfärbung der Aschewolke des Eyjafjallajökull hin. Auf der Seite von Martin Rietze macht der qualmende Schlot den Eindruck, neben grauen Schwaden periodisch auch rostrote Partikel in seine Umwelt zu blasen.

Die Vermutung liegt nahe, dass dies mit der mineralogischen Zusammensetzung der Asche zusammenhängt, vielleicht mit Eisenmineralen. Tatsächlich hört man das als Geologe im Feld meist als Antwort: „Warum ist dieser Stein so rot?“ – „Das kommt von den Eisenmineralen.“ Der Exkursionsleiter hat meist seine mobile Mikrosonde zur Bestimmung der mineralogischen Zusammensetzung gerade nicht in der Tasche. Und so kann man selbst ihm auch nur glauben.

In diesem Fall wäre Eisen aber die falsche Antwort. Die meisten oberflächennah auftretenden (und nicht umsonst rostroten) Eisenminerale sind Verwitterungsprodukte. So treten etwa ihre wichtigsten Vertreter Goethit und Limonit im Gleichgewicht mit Oberflächenbedingungen auf (also bei Oberflächendruck und -temperaturen). Vulkanische Ausgasungen sind jedoch im extremen Ungleichgewicht mit ihrer Umgebung. Eben noch unter hohem Druck in der Magmakammer, muss sich die Lava plötzlich mit den Eigenheiten der Oberfläche auseinandersetzen. Diese sind so unterschiedlich, dass die Lava sofort reagiert. Instantan. Sie hat keine Zeit, typische Mineralformen und -farben auszubilden, die Mineralpartikel im Rauch sind dafür viel zu klein, die Reaktion läuft zu rasch ab.

Was macht den Rauch nun rot? Meine Vermutung ist: Die isländische Sonne. Das Licht im Nordatlantik ist anders als in Deutschland. Sie leuchtet fast den ganzen Tag wie kurz vor Sonnenuntergang – oder nach Sonnenaufgang. Es ist alles irgendwie greller und leuchtet „seitlicher“, weil die Sonne selten weit oben am Himmel steht und meist von der Seite aus Horizontnähe scheint.

In der vergangenen Woche blies der Vulkan wieder stärker Asche aus, von 200 Tonnen pro Sekunde war die Rede. Sicher war auch eine Menge Eisen dabei.

Graue Aschewolke, "eisenrote" Aschewolke (Martin Rietze)

Graue Aschewolke, "eisenrote" Aschewolke (Martin Rietze)

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