Entschlüsselung der Mechanismen fluidgetriebener Störungsrutsch-Ausbreitung und -Reaktivierung: Ein integrierter experimenteller und modellbasierter Ansatz

• Antragsteller: Dr. Federico Pignalberi, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers ; Geologie ; Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 584521200

Die Injektion von Fluiden in den tiefen Untergrund ist ein wesentlicher Bestandteil moderner Energietechnologien, wie der Geothermie oder der unterirdischen Speicherung von CO₂ und Wasserstoff. Infolge der damit verbundenen Erhöhung des Fluiddrucks im Untergrund kann es jedoch zu unerwünschten Begleiterscheinungen in Form induzierter Seismizität kommen. Während viele Injektionsvorhaben lediglich zu langsamem, aseismischem Gleiten entlang bestehender Störungen führen, haben vergleichbare Projekte andernorts plötzliche und zerstörerische Erdbeben ausgelöst. Die Ursachen für diese stark unterschiedlichen Reaktionen sind bislang nur unzureichend geklärt. Ziel dieses Projekts ist es, die physikalischen Mechanismen zu verstehen, die den unterschiedlichen Formen von Störungsbewegungen infolge von Fluidinjektionen zugrunde liegen. Ein zentrales Konzept ist, dass sich Fluide entlang von Störungen räumlich und zeitlich heterogen verteilen. Druckfronten wandern verzögert durch das Gestein und interagieren mit strukturellen Unebenheiten auf den Störungsflächen, die lokal erhöhte Festigkeiten oder veränderte Reibungseigenschaften aufweisen. Solche mechanisch stärkeren Zonen können die Ausbreitung von Gleitbewegungen entweder hemmen oder beschleunigen. Das Zusammenspiel zwischen der Migration des Fluiddrucks und der mechanischen Heterogenität der Störung entscheidet somit darüber, ob sich das Gleiten stabil und langsam ausbreitet oder in eine schnelle, seismische Instabilität übergeht. Zur Untersuchung dieser Prozesse kombiniert das Projekt kontrollierte Laborexperimente mit numerischer Modellierung. Große Gesteinsproben mit künstlich präparierten Störungsflächen werden unter realistischen Spannungs- und Druckbedingungen verformt. Während gezielter Fluidinjektionen erfassen hochauflösende Sensoren kontinuierlich Änderungen des Fluiddrucks, die Verformung des Gesteins sowie das Auftreten von Mikroerdbeben. Diese Experimente ermöglichen direkte Einblicke in gekoppelte hydromechanische Prozesse, die sich in der Natur nur schwer erfassen lassen. Die experimentellen Ergebnisse bilden die Grundlage für die Entwicklung und Validierung physikbasierter Modelle, die die Ausbreitung von Gleitbewegungen und die Reaktivierung von Störungen während Fluidinjektionen beschreiben. Durch den systematischen Vergleich von Laborbeobachtungen, Modellrechnungen und Daten aus untertägigen Felslaboren trägt das Projekt dazu bei, seismische Risiken besser zu quantifizieren und eine Übertragbarkeit auf die Praxis zu ermöglichen. Durch ein verbessertes Verständnis der physikalischen Mechanismen fluidinduzierter Störungsreaktivierung leistet diese Forschung einen Beitrag zur sichereren und verlässlicheren Nutzung des Untergrunds. Langfristig trägt sie dazu bei, die Risikobewertung und Entscheidungsfindung für untertägige Energietechnologien zu verbessern, deren nachhaltigen Einsatz zu unterstützen und zugleich die Wahrscheinlichkeit induzierter Erdbeben zu verringern.

• DFG-Verfahren: Stelle