The Geysers

Zum besseren Verständnis von induzierter Seismizität in geothermischen Feldern

In diesem vom U.S. Department of Energy finanzierten Projekt arbeitet das GFZ-Potsdam mit Array Information Technology (AIT), dem Lawrence Berkeley National Laboratory und der Berkeley University of California zusammen. Ziel ist es, Probleme, die im Zusammenhang mit induzierter Seismizität im Geysers Geothermiefeld in Kalifornien auftreten, zu adressieren und zu verringern. Es sollen Techniken entwickelt werden, mit denen man die Beziehung zwischen verbesserten geothermischen Operationen und induzierten Spannungsänderungen im gesamten Reservoir und im angrenzenden Gestein, welche zu Erdbeben M > 3 führen, beurteilen kann.
Kenntnis des absoluten 3D Spannungszustands sowie seiner räumlich-zeitlichen Änderung aufgrund von Injektion und Entnahme von Fluid ist entscheidend für unser Verständnis von geothermischen Systemen. Während der Entnahme von heißem Dampf und der Injektion von kaltem Wasser sind die poroelastische und die thermomechanische Kopplung die wichtigsten Prozesse, die zu einer Änderung des Spannungszustands in The Geysers beitragen. Diese Spannungsänderungen haben zu Erdbeben mit Magnituden M > 4 geführt und den Druck im Reservoir verringert, was wiederum zu einem Rückgang der Produktivität geführt hat. Beide Effekte sind von entscheidender Bedeutung und haben größtes Bedenken in Gesellschaft und Wirtschaft aufkommen lassen. Insbesondere hat die Zunahme der M > 4 Erdbeben während der vergangenen Jahre das öffentliche Bewusstsein geschärft und damit ein tiefergehendes Verständnis der maßgeblichen Faktoren notwendig gemacht. Dies ist ebenfalls ein heiß-diskutiertes Thema innerhalb des ergänzenden Partnerprojekts GEISER der Europäischen Gemeinschaft, in dem 12 internationale Partner dieses Thema an europäischen Geothermiefeldern untersuchen. Das "The Geysers"-Projekt ist eng mit GEISER verbunden, da GEISER vom GFZ verwaltet wird (www.geiser-fp7.eu).

Um diese Probleme zu untersuchen, wird die Methode der Momententensoranalyse verwendet, um Quellmechanismen und Spannungsänderungen von größeren Erdbeben zu berechnen. Unterstützt wird diese Methode von Neuberechnungen der Hypozentrumslagen zusammen mit zeitlich abhängigen tomographischen Abbildungen, um Änderungen von physikalischen Parametern mit der Zeit einzuschätzen und zu quantifizieren (AIT).

Diese Bemühungen werden von geomechanischer Modellierung unterstützt, um zu versuchen das Verhältnis zwischen Wasserinjektion und Dampfproduktion, sowie den Spannungszustand im Reservoir zu verstehen, der dort zu Versagen im Gestein führt. Dazu wird ein 3D geomechanisches numerisches Modell des The Geysers Geothermiefelds erstellt, das den absoluten 3D Spannungszustand und seine raumzeitlichen Änderungen aufgrund von Temperaturänderungen und poroelastischen Prozessen simuliert. Dabei werden Spannungsänderungen, induziert durch Injektion von kaltem Wasser und durch Entnahme von heißem Dampf, in Abhängigkeit von Raum und Zeit beschrieben. Insbesondere haben wir vor, die Wichtigkeit der daran beteiligten Prozessen des Spannungstransfers, der Abschätzung der Wahrscheinlichkeit von weiterem Auslösen von M > 4 Erdbeben oder sogar einer Reaktivierung von Störungen, die im Südwesten und Nordosten das The Geysers Geothermiefeld abgrenzen, einzuschätzen. Wir zielen auch darauf ab, ein besseres Verständnis für den beobachteten Druckabfall im Reservoir zu entwickeln und seine zukünftige Entwicklung zu prognostizieren. Die Modellgeometrie wird die Topographie, wichtige Schichten der Kruste sowie das aktive Störungssystem beinhalten. Da wir ein 3D thermo-hydro-mechanisches Problem innerhalb eines strukturell komplexen Gebiets lösen müssen, werden wir die Finite-Elemente-Methode benutzen, um die partiellen Differentialgleichungen zu lösen. Abschließend werden die Ergebnisse dieser Aufgaben kombiniert, um das Potential von zukünftiger Seismizität mittels eines großskaligen geomechanischen Modells zu berechnen (GFZ).

Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für eine detaillierte Gefährdungsanalysestudie (LBNL und UC Berkeley). Fragen, die hierbei zu beantworten sind, beinhalten die Auswirkungen von geothermischer Aktivität auf das lokale und regionale Spannungsfeld, die Größe und Wahrscheinlichkeit des größten möglichen Erdbebens und die voraussichtliche Bodenbewegung.