Geodätisches Monitoring

Untersuchungsgebiet

Der in Norddeutschland nahe der niederländischen Grenze gelegene Kavernenspeicher Epe wurde aus einer Salzlagerstätte der niederrheinischen Salzfläche gesohlt, die sich unter der Oberfläche der norddeutschen Tiefebene und eines Teils der Niederlande erstreckt. Die derzeit 114 Kavernen werden von insgesamt 8 Unternehmen, die unabhängige Betriebsstrategien verfolgen, zur Soleproduktion und zur Lagerung von Erdgas, Helium und Erdöl genutzt. Einige der Industriepartner des SUBI-Projekts, die Salzgewinnungsgesellschaft Westfalen (SGW) und Uniper, sind maßgeblich an dem Untergrundspeicher beteiligt.

Kavernenkonvergenz und betriebliche Druckänderungen verursachen lineare bzw. zyklische Oberflächenverschiebungen. Der lineare Teil wird regelmäßig durch Nivellierungskampagnen überwacht, die einmal pro Jahr von den Projektpartnern durchgeführt werden. Im Rahmen von SUBI nutzt das Geodätische Institut des KIT das Potenzial der SAR-Interferometrie (InSAR) zur Quantifizierung nichtlinearer Bewegungen über der Lagerstätte. Die SAR-Interferometrie ist eine Methode zur flächenhaften Erfassung von Oberflächenverschiebungen aus Radarbildern, wobei natürliche Retro-Reflektoren (→ Persistent Scatterer) mit zeitlich stabilen Signaleigenschaften verwendet werden. Eine kurze Einführung in die Methode finden Sie am Ende des Textes.

Beobachtungen

Auf der Basis mehr als 100 aufeinanderfolgenden Radarszenen wurden Verschiebungszeitreihen für mehrere hundert InSAR-Rückstreuer erstellt, die einen detaillierten Einblick in den zeitlichen Verlauf der Bodenbewegungen im Zeitraum vom 03.02.2015 bis zum 18.03.2018 geben.

Die Analyse der InSAR-Zeitreihen zeigt drei wesentliche Signalbeiträge:

• ein linearer negativer Trend mit einem Maximum von 20 mm/Jahr in der Mitte des Gasspeicherfeldes, der auf eine fortschreitende Absenkung der Oberfläche hinweist (Abb. 1). Die Absenkung wird durch die kontinuierlich voranschreitende Verringerung der Kavernenvolumen aufgrund der plastischen Deformation des Salzkörpers unter den vorherrschenden Differenzspannungen innerhalb und außerhalb der Kavernen verursacht. Die individuellen Konvergenzraten hängen von den Betriebsstrategien der Unternehmen ab, die den Speicher derzeit nutzen.
• nichtlineare, zyklische Oberflächenverschiebungen von bis zu +/- 6 mm mit einer Periode von etwa 12 Monaten, die die über die Jahreszeiten wechselnden Ein- und Ausspeichermengen des Erdgases widerspiegeln (Abb. 2 und 3). Eine Besonderheit des zyklischen Oberflächenverhaltens ist eine Verzögerung von etwa 80 Tagen gegenüber den Druckänderungen im Inneren der Kavernen. Diese Verzögerung ist eine weitere Folge der plastisch/viskosen Deformationseigenschaften des Salzes und lässt sich gut durch ein einfaches visko-elastisches Modell (→ Kelvin-Voigt-Körper) erklären. Die Reaktion der Erdoberfläche unterscheidet sich damit von porösen Speichermedien, bei denen die Reaktion als elastisch beschrieben werden kann und die zeitliche Entwicklung der Verschiebung stark mit der zeitlichen Entwicklung des Kavernendrucks korreliert ist.
• eine saisonale Komponente, die sich auf ein Ensemble von InSAR-Punkten über Moorgebieten beschränkt, wo Grundwasserspiegeländerungen ausgeprägte Oberflächenverschiebungen verursachten (Abb. 2 und 3). Ein geeignetes Modell wurde aus einer vorläufigen InSAR-Analyse extrahiert und durch den Vergleich mit den Wasserständen von Beobachtungsbrunnen in diesem Gebiet bestätigt.

Vertikale und horizontale Verschiebungskomponenten

Da die Blickrichtung des Radarsystems um einen Winkel von etwa 30° aus der Vertikalen abgelenkt wird (die so genannte Sichtlinie, LoS), können die InSAR-Ergebnisse nicht direkt mit den Nivellement-Daten verglichen werden. Eine Trennung von Vertikal- und Ost-Westbewegungen wurde mit Hilfe von Radarbildern durchgeführt, die sowohl von aufsteigenden als auch von absteigenden Bahnen aufgenommen wurden. Es wurden mehrere Interpolations- und Kombinationsansätze getestet. Es zeigt sich, dass sowohl die lineare Absenkung als auch das Druckverhalten der Oberfläche erhebliche Horizontalkomponenten aufweisen, da die Quellen in einer Tiefe von mehr als 1000 m liegen (Abb. 3 und 4). Im Gegensatz dazu enthalten jahreszeitliche Oberflächendeformationen über dem Moor, verursacht durch Grundwasserspiegeländerungen direkt unter der Oberfläche, im Wesentlichen lediglich vertikale Verschiebungsanteile. Die Validierung der Befunde mit der Ground Truth aus Nivellements und Grundwasserstandsmessungen zeigt eine gute Übereinstimmung.

Modellierung

Zur Unterstützung der InSAR-Prozessierung und zum Nachweis, dass das Modell eines Kelvin-Voigt-Körpers zu Oberflächenverschiebungen in einer sinnvollen Größenordnung führt, wurde eine einfache geophysikalische Modellierung durchgeführt. Der analytische Modellierungsansatz geht davon aus, dass Kavernen als kugelförmige Druck- oder Volumenquellen wirken, die in einen elastischen Halbraum eingebettet sind. Das räumliche Muster der Oberflächenbewegungen resultiert aus der Superpositionierung der Verschiebungen durch jede einzelne Quelle. Dabei wird angenommen, dass jede Kaverne von einem kugelförmigen Salzmantel umgeben ist, der für die visko-elastische Druckverzögerung verantwortlich ist. Von der Außenfläche des Salzmantels wird der Druck elastisch zur Oberfläche übertragen. Das Modell wird sowohl zur Beschreibung der Parameter der linearen Komponente der Oberflächenverschiebungen als auch der zeitliche variablen Druckantwort verwendet.

Aus einer Anpassung des Modells an die beobachteten Oberflächenverschiebungen können Konvergenzraten zwischen 0,1 % und 2,7 % und Druckschwankungen von bis zu 50 bar innerhalb der Kavernen abgeleitet werden. Diese Werte sind von plausibler Größenordnung, wobei eine quantitative Validierung noch aussteht, da keine absolut skalierten Druckzeitreihen zur Verfügung stehen. Letztere fallen unter die Geschäftsgeheimnisse der Unternehmen und sind daher nicht freigegeben.

Animation der modellierten Oberflächenbewegungen der Jahre 2015-2017

Das Signal besteht aus einem linearen Anteil, der sich auf die Konvergenz der Salzkavernen zurückführen lässt, und einem druckabhängigen Anteil