Subsidenzen (Absenkungserscheinungen) als Folge einer Ausbeutung einer konventionellen Gas-Lagerstätte unterhalb eines geologischen Tiefenlagers im Opalinuston werden aufgrund eines Vergleichs der Verhältnisse im Nordschweizer Permokarbontrog mit einer der weltweit grössten Gas-Lagerstätten in Rotliegendsandsteinen von Groningen (NL) verglichen. Am Beispiel Groningen kann gezeigt werden, dass Subsidenzen durch Kohlenwasserstoffentnahmen gut quantifiziert werden können. Eine Schädigung der Opalinuston-Barriere in einem Tiefenlager in der Nordschweiz durch Subsidenzen als Folge einer Ausbeutung von Gas oder Oel aus dem Permokarbontrog kann ausgeschlossen werden. Bei der Nutzung von unkonventionellen Gaslagerstätten (tight gas, Schiefergas) sind weltweit noch nie Subsidenzen beobachtet worden.

Bemerkungen zur Fragestellung

Die Annahme des Fragestellers bezüglich Exploration des Nordschweizer Permokarbontrogs wird in der Antwort des ENSI kommentiert.

Vorgängig zur Beantwortung der Frage 125 musste geklärt werden, was unter „absichtlicher“, resp. „unabsichtlicher“ Ausbeutung zu verstehen ist. Es musste insbesondere geklärt werden, was unter letzterem zu verstehen ist, da die Ausbeutung einer Lagerstätte in der Regel einen vorgängigen Entschluss voraussetzt, eine unabsichtliche Ausbeutung demnach eine wirklichkeitsfremde Formulierung ist.

In seiner Antwort hat der Fragesteller geklärt, dass mit „absichtlicher“ Ausbeutung die Gefahr gemeint ist, dass in einer unbestimmten Zukunft der Anwesenheit eines Tiefenlagers nicht Rechnung getragen werden könnte (kollektives Vergessen der Gefahr von Radioaktivität und die Möglichkeit der Auswaschung von radioaktiven Stoffen bei erhöhtem Grundwasserfluss), und dass überwiegende wirtschaftliche Interessen dazu führen könnten, eine Lagerstätte in grösserer Tiefe auszubeuten und damit Subsidenzen zu erzeugen.

Unter „unabsichtlicher Ausbeutung“ ist vom Fragesteller eine Situation gemeint, in welcher eine Lagerstätte ausserhalb des Lagerstandortes ausgebeutet wird, die aber eine Ausdehnung bis unter den Lagerstandort hat. Diese Situation ist theoretisch denkbar. Die Frage ist aber insofern unrealistisch, als einem Ausbeutungsbeschluss sowohl aus wirtschaftlichen als auch operativen Überlegungen zwingend eine Abklärung der Ausdehnung der Lagerstätte mittels Bohrungen und Seismik vorausgehen muss. Ausserdem kann im vorliegenden Fall die zuständige Behörde vor Erteilung einer Ausbeutungsbewilligung auf die genaue Abklärung der Lagerstättengrösse bestehen.

Die folgende Antwort befasst sich generell mit der Subsidenz infolge der Ausbeutung von Kohlenwasserstoffen unterhalb eines Tiefenlagers.

Die Frage bezüglich des „kollektiven Vergessens“ der Radioaktivitäts-Gefahr und die Möglichkeit der Auswaschung von radioaktiven Stoffen bei erhöhtem Grundwasserfluss, welche der Fragesteller mit der „absichtlichen“ Ausbeutung stellt, kann wie folgt beantwortet werden: Das unabsichtliche Anbohren eines Tiefenlagers, d.h. sowohl das Ereignis, dass ein Behälter mit hochradioaktiven Abfällen durchbohrt wird (direct hit) und ein erhöhter Grundwasserfluss entlang der Bohrung erfolgt, wie auch das Ereignis einer Bohrung, welche durch den kontaminierten Bentonit im Umfeld des Behälters führt (near hit) , wurde im Rahmen der Sicherheitsanalyse zum Entsorgungsnachweis betrachtet, ebenso der Fall einer Bohrung durch eine Lagerkammer mit langlebigen mittelaktiven Abfällen (Kap. 7.6 in Nagra 2002 sowie Antwort der Nagra zur TFS-Frage 114 „Geothermiebohrung ins Geologische Tiefenlager“ des Technischen Forums Sicherheit). Es konnte gezeigt werden, dass die Dosen für die betroffene Bevölkerung immer noch deutlich unter dem gesetzlichen Schutzziel liegen. Im Rahmen einer Fachsitzung des Technischen Forums (25. Sitzung vom 02.06.2015) wurden zusätzliche Rechnungen präsentiert, in welcher ein Tiefenlager bereits nach 1000 Jahren angebohrt wird (diese Dosen waren nicht wesentlich höher als im Falls des Anbohrens nach 100’000 Jahren). Solche Szenarien werden auch in anderen nationalen Tiefenlagerprogrammen analysiert.

Subsidenz

In Kohlenwasserstoff-Lagerstätten herrscht durch die Anwesenheit von Öl und Gas (beide mit spezifischer Dichte kleiner als jene von Wasser) infolge des Auftriebs dieser Stoffe ein Überdruck, d.h. der Porendruck im Reservoir ist höher als der hydrostatische Druck. Bei Entzug der Kohlenwasserstoffe durch Ausbeutung reagiert die Gesteinsmatrix mit elastischer Kompaktion, dessen Abschluss erst dann erreicht ist, wenn die Matrix des Reservoirgesteins so weit verdichtet ist, dass es dem lithostatischen Druck der Überlagerung bei verringertem Porendruck standhält. Dieser poroelastische Prozess bewirkt eine Volumenverminderung des Lagergesteins und damit eine Subsidenz der überlagernden Schichten, welche sich bis an die Oberfläche durchpaust. In der Regel reagieren die überlagernden Schichten plastisch, bei sprödem Verhalten überlagernder Gesteinsschichten können auch Erdbeben entstehen.

Unter einer gegebenen Porendruckreduktion ist das Mass der Subsidenz in erster Linie von der Kompaktionsfähigkeit des Reservoirs bestimmt. Sämtliche heute bekannten Subsidenzerscheinungen infolge von Kohlenwasserstoffproduktion aus Sandsteinen sind an Lagerstätten gebunden, in denen das Lagergestein (Reservoir) aus Quarz-reichen Sandsteinen mit geringer Zementation, hohem Sortierungsgrad und fortgeschrittener Kornrundung, demnach hoher Porosität (15% und höher) besteht. Die Entstehung solcher Sandsteine sind an besondere Ablagerungsbedingungen gebunden, so z.B. Wüstensandsteine (z.B. Sanddünen des Rotliegend im Falle Groningen), Küstensandsteine (Seria in NW Borneo), Tiefwasser Sandschüttungen am Fusse einer marinen Rampe (Cadiz Golf in Spanien), usw.. Allen gemeinsam ist der sehr hohe Quarz-Anteil, Abwesenheit von Tonmineralien und sehr geringe Zementation weitgehend gerundeter Quarzkörner (sog. „reife“ Sande). Dementsprechend ist der Kornverband in der Matrix solcher Gesteine relativ locker, und es werden in der Regel auch entsprechend geringe Druckfestigkeiten festgestellt.

Weder im Perm noch im Karbon des Nordschweizer Trogs wurden bisher potenzielle Reservoirgesteine der oben beschriebenen Art angetroffen. Die festgestellten Ablagerungsräume sind gekennzeichnet durch sehr komplexe Kleinräumigkeit mit vorwiegend feinkörnigen und fest zementierten, vorwiegend tonreichen Quarz-Feldspat-Sandsteinen. Es fehlen die Anzeichen für grossflächig zusammenhängende reine Quarz-Sandstein Reservoirs mit bedeutender Porosität, Mächtigkeit und Ausdehnung.

Das Alter der Reservoirs ist ein weiterer Faktor, welcher die Kompaktionsfähigkeit massgebend bestimmt: geologisch junge (Tertiäre) Reservoirs neigen zu starker Kompaktionsfähigkeit (z.B. Po-Ebene), während in Mesozoischen und Paläozoischen Reservoirs ein Trend zu stark abnehmender Kompaktionsfähigkeit beobachtet wird.

Ausschlaggebend für die effektive Subsidenz ist die Mächtigkeit der Kohlenwasserstoff-gefüllten Reservoirs.

Der poroelastische Prozess der Subsidenz als Folge der Ausbeutung von Kohlewasserstoffen ist petrophysikalisch bekannt, und mit der Kenntnis der oben angeführten Parameter können im Einzelfall belastbare Prognosen über die zu erwartende Subsidenz gemacht werden (z.B. Geertsma 1973, Doornhof et al. 2006, Ketelaar 2009). Ketelaar (2009) zeigt am Beispiel von Groningen, dass die beobachteten Subsidenzen mit verschiedenen Modellansätzen sehr gut abgebildet werden können, was auch erlaubt diese Modelle für Voraussagen zu verwenden.

Grundsätzlich ist weltweit bei der Ausbeutung von Kohlenwasserstoffen aus niedrigporösen Sandsteinreservoirs und bei Produktion von Schiefergas (shale gas) nirgends Subsidenz beobachtet worden, was mit den theoretischen Berechnungen übereinstimmt. Das Kohlenwasserstoff-Potenzial des Nordschweizer Permokarbontrogs ist auf unkonventionelle Ressourcen tight gas beschränkt (Leu 2014). In solchen Lagerstätten muss sowohl aufgrund des oben skizzierten Prozesses als auch aufgrund der Erfahrung mit tight gas Vorkommen von Subsidenz als Folge von Kohlenwasserstoff-Förderung ausgeschlossen werden.

Zusätzlich ist Kohleförderung und Kohlegasförderung aus Gebieten und Tiefen unterhalb der geplanten Tiefenlager-Perimeter nach derzeitigem Stand der Kenntnis mittel- und auch längerfristig aus technischen und wirtschaftlichen Gründen kaum wahrscheinlich.

Groningen

Da die Subsidenz über diesem weltweit riesigen Gasfeld sehr bekannt und gut dokumentiert ist, wird es auch gerne als Beispiel für die mögliche analoge Gefahr andernorts herbeigezogen. Die Subsidenz über dem Groningen Gasfeld beträgt max. 25 cm innerhalb 35 Jahren (Ketelaar 2009), nach einer kumulativen Erdgasförderung von 1700 Milliarden m³ aus 300 Bohrungen. Die Subsidenz ist durch eine Kompaktion des Lagergesteins im Bereich von 1.3 – 2.5 Promille der Mächtigkeit des gasführenden Sandsteins bedingt.

Aus folgenden Gründen ist dieses Beispiel zwar nicht anwendbar, aber zur Illustration der Unterschiede sehr geeignet:

1. Grundsätzlich verschiedene Ablagerungsmilieus des Reservoirgesteins: grossflächige Wüste im Permian Basin (Südliche Nordsee/Groningen) gegenüber kleinräumig komplexem fluviatil/lakustrinem Milieu in der Nordschweiz (Herzynisches Gebirge) (siehe Fig. 125.1).
2. Reife hochporöse Quarzsande (Dünensande, 16 – 20 % Porosität) in Groningen vs. niedrigporöse feldspatreiche Grauwacken (Arkosen) in der Nordschweiz.
3. Hoher Rundungsgrad, hoher Sortierungsgrad und geringe Zementation in Groningen, geringe Kornrundung, schlecht sortiert und stark zementiert in der Nordschweiz.
4. Grosse Mächtigkeit der Rotliegend-Sandsteine (100 -200 m) in Groningen gegenüber viel geringer mächtigen und diskontinuierlichen Sandsteinlinsen in der Nordschweiz.
5. Geringe tektonisch bedingte Deformation im Permian Basin und vergleichsweise sehr komplexe tektonische Deformation im Nordschweizer Permokarbontrog.

Infolge der obigen Unterschiede ist die Kompaktionsfähigkeit von möglichen gasführenden Sandsteinen im Permokarbontrog der Nordschweiz im Gegensatz zu den gasführenden Sandsteinen im Permian Basin der Nordsee vernachlässigbar. Selbst im Falle von Kohlenwasserstoffen im Permokarbontrog wären die Lagerstätten infolge der sedimentologischen Bedingungen klein und diskontinuierlich, und die Kompaktionsfähigkeit infolge Ausbeutung sehr gering.

Zudem ist die tektonische Überprägung der Grabenfüllung ein weiterer Hinderungsgrund für das Vorhandensein einer grossräumigen Lagerstätte der beschriebenen Qualität.

In jedem Fall wäre der sehr kleine Subsidenzbetrag dank der Selbstabdichtung des Opalinustons nicht sicherheitsrelevant.

Seismische Abbildung von Kohlenwasserstoffen

Mit einer sehr fragwürdigen Ausnahme (Siglistorf) sind auf keiner der bisher gemessenen seismischen Linien Indikatoren für die Anwesenheit von Kohlenwasserstoffen (Direct Hydrocarbon Indicators = DHI) beobachtet worden. Sollte aber Gas in hochporösen Sandsteinen vorhanden sein, müssten diese sichtbar sein. Die Messung der Reflexionsamplituden auf moderner Seismik erlaubt, die Kontraste der akustischen Impedanz (=Produkt von seismischer Geschwindigkeit und Gesteinsdichte) zu erfassen und abzubilden (Fig. 125-2). Hochporöse gas- oder ölgesättigte Sandsteine weisen gegenüber Tongesteinen signifikante Unterschiede der akustischen Impedanz auf. Die entsprechenden Grenzflächen besitzen daher unterschiedliche Amplituden, je nach Sättigung des Sandsteins mit Wasser oder Kohlenwasserstoff (Brown 1996).

Da im vorliegenden Fall die Frage im Vordergrund steht, ob möglicherweise bisher nicht festgestellte hochporöse Sandsteine mit Gas-Sättigung im Permokarbontrog vorkommen, spielt die Aufnahme moderner 3-D Seismik über den möglichen Standortgebieten eine entscheidende Rolle. Obwohl das Vorhandensein von seismischen Anomalien a priori nur in etwa 50% der Fälle auf die Präsenz von Kohlenwasserstoffen zurückzuführen ist, ist andererseits deren Abwesenheit im vorliegenden Fall ein belastbarer Beweis dafür, dass ausgedehnte hochporöse Sandsteine mit signifikanter Gas-Sättigung in Sicherheits-relevantem Massstab nicht vorhanden sind. Flat spots sind in den geneigten seismischen Reflexionen des Permokarbontrogs bisher nirgends beobachtet worden.

Im Rahmen der Auswertung der 3D-Seismik für die Etappe 3 des Sachplans Geologische Tiefenlager wird die Nagra spezielle Auswertung der Seismik zum Thema ‚Direkte Kohlenwasserstoff-Indikatoren‘ (Direct Hydrocarbon Indicators –DHI) durchführen (spezielle Schritte im Processing, synthetische Seismogramme)

Fazit

Subsidenzerscheinungen als Folge von tight gas– und Schiefergas-Förderung sind weltweit nirgends festgestellt worden. Der poroelastische Prozess der Kompaktion des Lagergesteins als Folge der Öl/Gasförderung ist bekannt, und dichte Lagergesteine, wie sie im NW-Schweizerischen Permokarbontrog vorkommen, sind nicht betroffen.

• Kohleförderung und Kohlegasförderung aus Gebieten und Tiefen unterhalb der geplanten Tiefenlager-Perimeter ist nach derzeitigem Stand der Kenntnis mittel- und auch längerfristig aus technischen und wirtschaftlichen Gründen kaum wahrscheinlich..
• Subsidenzerscheinungen als Folge von Gas/Ölförderung sind nur im Falle von hochporösen (>15% Porosität), gut sortierten und schlecht zementierten, reifen Lager-Sandsteinen theoretisch denkbar.
• Die Subsidenz über porösen Paleozoischen Sandsteinen ist in der Grössenordnung von wenigen Promille der gasführenden Lagergesteins-Mächtigkeit.
• Selbst die Subsidenz eines grossen Gasfelds würde dank der Selbstabdichtung des Opalinustons für ein Tiefenlager nicht sicherheitsrelevant sein.
• Gasführende hochporöse Lagerstätten mit sicherheitsrelevanten Mächtigkeiten erzeugen auf moderner Seismik charakteristische Reflexionsanomalien, deren Abwesenheit im Vorliegenden Fall die Gefahr von derartigen Vorkommen und damit möglichen Subsidenzen ausschliesst.
• Um diese Aussage zu unterlegen, wird die Nagra spezielle Auswertungen der Seismik im Hinblick auf direkte Kohlenwasserstoff-Indikatoren durchführen (Processing, synthetische Seimogramme)

• Die geplanten 3-D Seismikaufnahmen werden in detailliertem Massstab die Erfassung von eventuellen Reflexionsanomalien gewährleisten.

Literaturverzeichnis