The Effect of Gas Migration From Deep Geological Formations Into Mine Workings During the Evolution of Mining-Induced Seismicity

Tief unter der Erdoberfläche ist der Boden selten still. Selbst an Orten, an denen niemand gräbt, steht die Erdkruste unter immensem Druck, der durch tektonische Kräfte, die seit Millionen von Jahren aufgebaut werden, ausgeübt wird. In vielen Regionen ist dieser Druck so groß, dass das Gestein bereits an der Schwelle zum Brechen ist – ein Zustand, den Wissenschaftler als „kritisch belastet“ bezeichnen. Es ist wie ein schweres Bücherregal, das perfekt ausbalanciert ist, aber bereit ist, zusammenzustürzen, wenn auch nur ein einziges Buch hinzugefügt wird. Wenn Menschen Kohle abbauen, entfernen sie gewaltige Mengen an Gestein, was das Gleichgewicht der Kräfte im Boden verändert. Diese Störung erzeugt eine neue Art von Druck, die das Gestein dazu bringen kann, sich zu verschieben und zu brechen. Während wir wissen, dass der Bergbau Gase aus den Kohleflözen freisetzt, die abgebaut werden, stellt eine neue Forschungsrichtung eine verblüffende Frage: Könnte das Erschüttern und Reißen, das durch den Bergbau verursacht wird, so tief reichen, dass es Gas aus meilenweiter Tiefe heraufzieht, weit jenseits der Reichweite eines Schaufels oder Bohrers?

Ein Team von Forschern aus Russland und China hat einen Mechanismus vorgeschlagen, um zu erklären, warum einige Minen plötzliche, massive Methangas-Schübe erleben, die nicht durch die abbaubare Kohle erklärt werden können. In ihrer Studie legen sie nahe, dass sich mit der Ausweitung der Bergbauaktivitäten die Zone der Spannung und des Bruchs nicht am Boden der Grube beendet. Stattdessen drückt sie nach unten und aktiviert tiefe Erdschichten, die zuvor ruhig waren. Dieser Prozess erzeugt ihrer Argumentation nach ein Netzwerk von Rissen, das wie eine Autobahn wirkt, die es gefangenem Methan aus tiefen geologischen Formationen ermöglicht, nach oben in die Minen zu migrieren. Die Forscher testeten diese Idee mittels Computersimulationen und durch die Analyse von Realdaten aus einem riesigen Tagebau in der Region Kubsass in Russland und fanden heraus, dass das Volumen des aus der tiefen Erde aufsteigenden Gases mit dem Gas, das aus den Kohleflözen selbst freigesetzt wird, vergleichbar sein kann.

Um zu verstehen, wie dies geschieht, muss man zuerst betrachten, wie der Boden auf den Bergbau reagiert. Wenn eine Mine gegraben wird, wird das Gestein oberhalb und um die Ausgrabung herum von seinem Gewicht entlastet, ein Prozess, der als Entlastung bekannt ist. Diese Entlastung erzeugt eine Zone aus gebrochenem Gestein, aber traditionelle Modelle legen nahe, dass sich diese Zone nur einige hundert Meter tief erstreckt. Die Forscher weisen jedoch darauf darauf hin, dass in vielen Bergbaugebieten seismische Aktivitäten – kleine Erdbeben, die durch menschliche Aktivitäten verursacht werden – in Tiefen von mehreren Kilometern registriert werden, weit unter dem Ort, an dem der Bergbau stattfindet. Diese tiefe Seismizität deutet darauf hin, dass die Gesteinsmasse tief unter der Erde ebenfalls in diesen kritischen, brechenden Zustand gedrückt wird. Wenn die Mine größer und tiefer wird, pflanzen sich die Spannungsänderungen weiter nach unten fort und verwandeln sequenziell immer tiefere Gesteinsschichten von einem stabilen in einen kritisch belasteten Zustand.

Wenn Gestein diesen kritisch belasteten Zustand erreicht, erfährt es eine spezifische Art der Verformung. Es bricht nicht einfach einmal und hört dann auf; es beginnt zu brechen und sich entlang bestehender Schwachstellen im Boden zu verschieben. Dieses Brechen erhöht die Permeabilität des Gesteins dramatisch, was ein Maß dafür ist, wie leicht Flüssigkeiten und Gase hindurchfließen können. Stellen Sie sich einen Schwamm vor, der fest zusammengedrückt ist und Wasser im Inneren hält; wenn man ihn so stark zusammendrückt, dass er reißt, kann das Wasser plötzlich herausströmen. In gleicher Weise, wenn tiefe Gesteinsschichten brechen, setzen sie das Methangas frei, das seit Äonen in ihren Poren gefangen war. Die Forscher schlagen vor, dass dieses tiefe Brechen einen kontinuierlichen Pfad schafft, über den das Gas von Tiefen mehrerer Kilometer bis zur Oberfläche oder in die Minenstollen gelangen kann.

Das Team testete dieses Konzept mit einem Computermodell, das die Erdkruste unter einer Mine simulierte. Sie unterteilten den Untergrund in Schichten und programmierten das Modell so, dass es die graduelle Zunahme der Bergbauaktivität nachahmte. Als die Simulation fortschritt, beobachteten sie, dass die Gesteinsschichten direkt über einem tiefen Methanreservoir zu brechen begannen und durchlässiger wurden. Anfangs blieb das Gas gefangen. Doch als die simulierte Bergbau-Spannung tiefere Schichten erreichte, erhöhte sich die Permeabilität des Gesteins signifikant und schuf einen Kanal, durch den das Methan entweichen konnte. Die Simulation zeigte, dass sobald das Gestein über der Gasquelle ausreichend gebrochen war, große Mengen Methan nach oben strömten und sich durch die neu entstandenen Risse in Richtung der Mine und der Oberfläche bewegten.

Um zu sehen, ob diese Theorie in der realen Welt Bestand hatte, untersuchten die Forscher die Tagebaumine Bachat in der Region Kubsass, einem Standort, der für seine intensive bergbauinduzierte Seismizität bekannt ist. Sie untersuchten die Geschichte der unter der Mine aufgezeichneten Erdbeben über mehrere Jahrzehnte hinweg. Die Daten zeigten ein klares Muster: Die Tiefe dieser seismischen Ereignisse hat über die Zeit stetig zugenommen. In den frühen 2000er Jahren traten die Erdbeben in Tiefen von einem bis drei Kilometern auf. Bis 2013 wurde ein signifikantes Erdbeben in einer Tiefe von vier Kilometern registriert. Bis 2020 wurde seismische Aktivität in Tiefen von bis zu sechs Kilometern detektiert. Diese Progression legt nahe, dass sich die Zone des kritisch belasteten Gesteins tatsächlich Schicht für Schicht tiefer bewegt, während die Bergbauaktivitäten andauern.

Unter Verwendung dieser Beobachtungen schätzten die Forscher, wie viel Gas aus diesen tiefen Zonen migrieren könnte. Sie berechneten das Volumen des in den Gesteinsschichten bis zu einer Tiefe von vier Kilometern verfügbaren Methans und wandten einen Faktor an, um zu berücksichtigen, wie viel dieses Gases aufgrund der Frakturierung freigesetzt werden könnte. Ihre Berechnungen ergaben, dass die Menge des Methans, das potenziell aus diesen tiefen Horizonten migriert, hunderte Millionen Kubikmeter erreichen könnte. Diese Zahl ist bemerkenswert, da sie mit der Gesamtmenge des Gases vergleichbar ist, das derzeit aus den Kohleflözen am Bachat-Standort freigesetzt wird. Dies impliziert, dass ein erheblicher Teil des in der Mine gefundenen Gases möglicherweise nicht aus der abgebauten Kohle stammt, sondern aus der tiefen Erde, die durch den Stress des Bergbaus selbst freigelegt wird.

Die Studie berührt auch die breiteren Auswirkungen dieses Phänomens. Wenn eine tiefe Gasmigration stattfindet, hilft dies zu erklären, warum einige Minen plötzliche, gefährliche Spitzenwerte beim Gasniveau erleben, die scheinbar aus dem Nichts auftauchen. Es deutet auch darauf hin, dass die Risiken im Zusammenhang mit dem Bergbau nicht verschwinden, wenn eine Mine geschlossen wird. Die Brüche, die durch Jahrzehnte des Bergbaus und die damit verbundene seismische Aktivität entstanden sind, können jahrelang offen bleiben und weiterhin Gase aus der Tiefe nach oben leiten. Dies kann anhaltende Risiken für die Umwelt und die öffentliche Gesundheit darstellen, da Gase wie Methan und Radon weiterhin in die Atmosphäre sickern können.

Die Forscher räumen ein, dass ihre Arbeit eine Simulation und ein theoretischer Rahmen basierend auf verfügbaren Daten ist und kein definitiver Beweis für jedes Detail. Dennoch bietet die Übereinstimmung zwischen ihren Computermodellen, der beobachteten Vertiefung der seismischen Aktivität und den unerklärlichen Gasanomalien in Minen eine überzeugende neue Perspektive. Sie stellt die traditionelle Ansicht infrage, dass Minengase nur aus der unmittelbaren Umgebung der Ausgrabung stammen. Stattdessen zeichnet sie das Bild einer dynamischen Erde, in der menschliche Aktivitäten eine Kettenreaktion tief unter der Erde auslösen können, die die eigenen tiefen Reservoire des Planeten in eine Quelle von Gas verwandelt, das durch die von uns geschaffenen Risse nach oben fließt. Dieses Verständnis ist entscheidend für die Entwicklung besserer Sicherheitsmaßnahmen und die Vorhersage des Gasverhaltens in einigen der aktivsten Bergbauregionen der Welt.