Fluidinjektions-induzierte Erdbeben und Skaleninvarianz

Ongoing seismogenic processes in the brittle Earth’s crust are substantially driven by different aspects of stress. Thus, characterizing the role of stress during nucleation and rupturing of earthquakes is a crucial factor for understanding the physics of earthquakes. In this thesis I investigate the role of stress fluctuations in seismogenic processes. In particular, I draw inferences from the concept of scale invariance and the analysis of seismicity, induced by the injection of pressurized fluids through boreholes. This hydraulic reservoir stimulation is among others performed in order to develop enhanced geothermal systems (EGS) for sustainable power generation. The investigation of fluid-induced earthquakes is of particular importance because the basic conditions during earthquake nucleation and rupturing at fluid injection sites can be better constrained than for earthquakes on tectonic scale. Observed scale invariance of the physics of earthquakes suggests transferability of results obtained at different scales. I quantify the perturbation of stress caused by the injection of pressurized fluids. This is done under the assumption that pore pressure diffusion in the fluid saturated pore and fracture space of rocks is the governing triggering mechanism of fluid injection-induced earthquakes. Moreover, the importance of stress changes generated by the occurrence of fluid-induced earthquakes is evaluated by analyzing the waiting times between subsequent seismic events. I show that no signatures of aftershock triggering can be identified in six analyzed seismicity catalogs gathered at EGS sites. Based on this result I demonstrate that the Poisson model can be used to compute the occurrence probability of fluid injection-induced earthquakes. This statistical model is needed in order to assess and mitigate the seismic risk, which still acts as an obstacle for efficient and risk-free use of the geothermal potential of the subsurface for sustainable power generation. The finding that stress changes caused by preceding events are only of second order importance for the seismogenesis of fluid-induced earthquakes underlines the significance of studies assuming pore pressure diffusion to be the triggering mechanism of seismic events. Based on this assumption and the consideration of a nearly critical state of stress in the Earth’s crust, a physically based statistical model describing the seismicity rate of fluid-induced earthquakes during and after injection of fluids is presented. The investigation of seismicity occurring after termination of reservoir stimulation is of particular importance as the physical processes leading to the triggering of post- injection seismic events have not yet been fully understood. In addition, it has been observed that the strongest seismic events tend to occur close before or after the termination of reservoir stimulation. I show that the decay rate of seismicity after reservoir stimulation can be approximated by a modification of Omori’s law, describing the decay of aftershock activity succeeding tectonic main shocks. Moreover, I demonstrate that in the case of fluid injection-induced seismicity the power law exponent of Omori’s law depends on the criticality of stress in rocks. Furthermore, I investigate the impact of elastic rock heterogeneity on the distribution of stress in the brittle Earth’s crust. The results provide fundamental insights into the nature of seismogenic processes. My findings suggest that the scale invariance of earthquakes originates from scale-invariant fluctuations of stress in rocks. These fluctuations occur naturally because of the universal fractal nature of elastic rock heterogeneity in the Earth’s crust. Scientific evidence for the universal fractal nature of elastic rock heterogeneity is given by measurements along boreholes at various drilling sites in different regions. As a consequence, fault planes and correspondingly magnitudes of earthquakes scale according to a universal power law. This explains the emergence of the Gutenberg-Richter relation characterized by a universal b-value of b = 1 and implies the scale invariance of the magnitude scaling of earthquakes. My findings suggest that the observed stress dependency of the two fundamental power laws of statistical seismology occurs due to characteristic scales of seismogenic processes. Each characteristic scale involved in a process causes a limitation or change of fractal scaling. Moreover, the heterogeneous nature of critical stress changes in rocks, observed in various studies, can be physically explained by the influence of elastic rock heterogeneity. I show that stress changes in the range of a few KPa to a few MPa are capable of triggering brittle failure and associated seismicity in rocks of the Earth’s crust. This result validates the concept of a nearly critical state of stress in the Earth’s crust and suggests that already stress changes just above perturbations caused by tidal forces (approx. 1000 Pa).Seismogene Prozesse in der spröden Erdkruste werden maßgeblich durch verschiedene Aspekte von Spannung gelenkt. Deshalb ist es entscheidend, die Bedeutung von Spannungen für die Entstehung und das Auftreten von Erdbeben zu bestimmen. In dieser Arbeit untersuche ich die Rolle von Spannungsfluktuationen in seismogenen Prozessen. Im Besonderen ziehe ich Rückschlüsse aus dem Konzept der Skaleninvarianz und der Analyse fluid- induzierter Erdbeben, die durch das Einpressen unter Druck gesetzter Fluide in Bohrlöcher ausgelöst werden. Diese Methode der hydraulischen Reservoirstimulation wird unter anderem zur Entwicklung sogenannter Enhanced Geothermal Systems (EGS) im kristallinen Grundgebirge für eine nachhaltige Stromerzeugung durchgeführt. Die Untersuchung fluid-induzierter seismischer Ereignisse ist von besonderer Bedeutung, weil die grundlegenden Rahmenbedingungen während der Bildung und dem Auftreten der seismischen Ereignisse besser zugänglich sind als für Erdbeben auf tektonischer Größenordnung. Die beobachtete Skaleninvarianz der Physik der Erdbeben weist auf eine Übertragbarkeit der Ergebnisse hin, die auf einer anderen Größenskala erlangt wurden. Ich quantifiziere die Störung des Spannungszustandes, der durch das Einpressen von Fluiden während hydraulischen Reservoir Stimulationen hervorgerufen wird. Hierbei wird angenommen, dass die seismischen Ereignisse durch Porendruckdiffusion im Poren- und Kluftraum von Gesteinen ausgelöst werden. Des Weiteren wird die Bedeutung von Spannungsänderungen, welche durch das Auftreten fluid-induzierter seismischer Ereignisse bedingt sind, anhand einer Analyse der Wartezeiten zwischen aufeinander folgenden Ereignissen ausgewertet. Meine Ergebnisse zeigen, dass innerhalb sechs betrachteter Kataloge fluid-induzierter Seismizität an EGS Standorten, keine Nachbebensignaturen identifizierbar sind. Basierend auf diesem Ergebnis zeige ich, dass das Poisson Model zur Berechnung der Auftrittswahrscheinlichkeit fluid-induzierter Erdbeben herangezogen werden kann. Die Entwicklung dieses statistischen Models ist von großer Bedeutung, weil das seismische Risiko immer noch ein Hindernis für eine effiziente und risikofreie Nutzung des geothermischen Potenzials des Untergrundes für die nachhaltige Stromerzeugung darstellt. Die Erkenntnis, dass Spannungsänderungen, die durch das Auftreten vorangegangener seismischer Ereignisse entstehen, im Vergleich zu Spannungsänderungen, welche direkt durch das Einpressen von Fluid verursacht sind, für die Seismogenese fluid-induzierter Erdbeben von vernachlässigbarer Bedeutung sind unterstreicht die Aussagekraft der Studien, die Porendruckdiffusion als den auslösenden Prozess seismischer Ereignisse betrachten. Unter genau dieser Annahme und dem Gesichtspunkt eines nahe kritischen Spannungszustands in der Erdkruste entwickle ich ein physikalisch basiertes statistisches Model zur Bestimmung der Seismizitätsrate während und nach hydraulischen Reservoirstimulationen. Die Untersuchung von nach Stimulationsabschluss auftretender fluid-induzierter Seismizität ist von besonderer Bedeutung da das Verständnis der physikalischen Prozesse, die zum Auftreten der Seismizität nach Abschluss von Fuidverpressungen führen, noch nicht vollständig ist. Außerdem wurde beobachtet, dass die stärksten seismischen Ereignisse häufig kurz vor oder nach dem Abschluss der Reservoirstimulation auftreten. Ich zeige, dass die Abklingrate fluid- induzierter Erdbeben nach dem Abschluss von Reservoirstimulationen näherungsweise durch eine Modifikation des Omori Gesetzes bestimmt werden kann. Das Omori Gesetz beschreibt ursprünglich das zeitliche Abklingen der Nachbebenaktivität nach tektonischen Erdbeben. Meine Untersuchungen zeigen, dass der Potenzgesetz Exponent des Omori Gesetzes im Falle fluid-induzierter Seismizität vom Spannungszustand im Reservoirgestein abhängt. Ich bestimme den Einfluss elastischer Gesteinsheterogenität auf die Spannungsverteilung in Gesteinen der spröden Erdkruste. Die Ergebnisse meiner Studie geben einen grundlegenden Einblick in die Beschaffenheit seismogener Prozesse. Meine Resultate weisen darauf hin, dass die beobachtete Skaleninvarianz von Erbeben seine Ursache in skaleninvarianten Spannungsfluktuationen in Gesteinen hat. Diese Spannungsfluktuationen treten von Natur aus aufgrund der universalen fraktalen Beschaffenheit elastischer Gesteinsheterogenität auf. Wissenschaftliche Nachweise für die universale fraktale Natur elastischer Gesteinsheterogenität sind durch Bohrlochmessungen an verschiedenen Bohrplätzen in unterschiedlichen Regionen gegeben. Die Universalität der natürlich entstehenden Spannungsfluktutionen in der Erdkruste hat zur Folge, dass die Bruchflächen und dementsprechend die Magnituden auftretender Erdbeben entsprechend eines universalen Potenzgesetzes skalieren. Diese Gegebenheit gibt eine physikalische Erklärung für das Entstehen des Gutenberg-Richter Gesetzes mit einem universalen b-Wert von b = 1 und impliziert Skaleninvarianz der Erdbeben-Magnituden Verteilung. Meine Ergebnisse geben zu erkennen, dass die beobachtete Spannungsabhängigkeit der beiden grundlegenden empirisch hergeleiteten Potenzgesetzte der statistischen Seismologie durch charakteristische Größen in seismogenen Prozessen verursacht wird. Jede in einen Prozess einbezogene charakteristische Größe hat eine Einschränkung oder Änderung der fraktalen Skalierung zur Folge. Darüber hinaus liefern die durch elastische Gesteinsheterogenität hervorgerufenen Spannungsfluktuationen in der Erdkruste eine physikalische Erklärung für die beobachtete Heterogenität kritischer Spannungsänderungen in Gesteinen, die zu sprödem Gesteinsversagen und somit zum Auftreten seismischer Ereignisse führen. Meine Untersuchungen zeigen, dass Spannungsänderungen in der Größenordnung von einigen KPa bis zu einigen MPa imstande sind seismische Ereignisse in Gesteinen der Erdkruste auszulösen. Diese Erkenntnis bestätigt das Konzept eines nahe kritischen Spannungszustand in der Erdkruste und legt nahe, dass bereits Spannungsänderungen knapp über den durch Gezeitenkräften bedingten Änderungen (ungefähr 1000 Pa) ausreichend sind, um Gesteinsversagen in den am kritischsten gespannten Gesteinszonen auszulösen