Bis 1967 läuft vor den Toren Denvers im US-Bundesstaat Colorado ein Experiment. Die US-Armee sitzt auf Millionen Litern chemischer Abfälle aus der Waffenproduktion, die keinesfalls in die Umwelt gelangen dürfen. Um die Altlast aus ihrem "Rocky Mountains Arsenal" loszuwerden, haben die Verantwortlichen eine zunächst vernünftig klingende Idee: Arbeiter pumpen das Abwasser in die Tiefe, dreieinhalb Kilometer unter die US-Großstadt. Keiner glaubt, dass dieses Wasser jemals wieder hochkommen wird. Tatsächlich passiert etwas anderes. Die Pumpen laufen über Jahre – und es gibt etliche schwache Erschütterungen, die Seismologen zunächst für harmlose Begleiterscheinung halten. Schließlich kommt es 1967 zu einem Erdbeben der Stärke 5,2. In Denver brechen vereinzelt Ziegelsteine aus Schornsteinen, und selbst 280 Kilometer entfernt schwanken noch Hochhäuser.

In den letzten Jahrzehnten hat der Bedarf an Chemikalienendlagern in der Tiefe stark zugenommen – trotz der Erfahrungen von Denver. Die US-Umweltbehörde EPA schätzt, dass heute in den Vereinigten Staaten durch 144 000 Bohrlöcher tagtäglich rund 2,8 Milliarden Kubikmeter Flüssigkeiten in die Tiefe gepumpt werden – beinahe das Volumen des Zürichsees. Dabei handelt es sich um konventionelle Ölbohrungen, denen mit zugesetztem Wasser die letzten Tropfen abgerungen werden, und befüllte Öl- und Gasspeicher. Vor allem aber nimmt der Bedarf für Abwasserbrunnen immer mehr zu.

Der Bebenschwarm von Oklahoma

Seit gut zehn Jahren fördern Bohrarbeiter in den USA in großem Maßstab Erdgas auf unkonventionelle Weise, mit Hilfe des so genannten Frackings: Ingenieure brechen mit hinabgepresstem Wasser dichtes Schiefergestein auf. In den so entstandenen winzigen Rissen kann das Gas zum Bohrloch strömen. Was die USA heute fast unabhängig von Gasimporten gemacht hat, rief Umweltschützer auf den Plan. Neben toxischen Zusätzen in der hinabgepressten Fracking-Flüssigkeit kritisierten sie auch die Möglichkeit, dass bei der Methode Erdbeben entstehen könnten. Allerdings gibt es dafür bislang kaum Beweise: Eines der stärksten bekannten Fracking-Beben fand im nordenglischen Blackpool statt – und stellte mit einer Magnitude von 2,3 keine Gefahr für Gebäude oder gar Menschenleben dar. Offenbar ist das Schiefergestein zu weich, um beim Aufbrechen den Boden schwanken zu lassen.

Rapider Anstieg der Beben in Oklahoma
© Katie Keranen, Cornell University / USGS-NEIC ComCat & Oklahoma Geological Survey, 2014
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Doch auch in der unkonventionellen Gasförderung fallen große Mengen Abwasser an, eine Mischung des gebrauchten Fracking-Wassers, angereichert mit Schadstoffen aus der Tiefe: gesundheitsschädlichen Kohlenwasserstoffen und Schwermetallen. Dieses Abwasser wird heute vielerorts zurück ins Gestein gepumpt wie schon vor Jahrzehnten in Denver. In den meisten Fällen geht das gut – aber nicht immer.

Die Seismologin Katie Keranen von der Cornell University in Ithaca bei New York beschäftigt sich seit Jahren mit einem Entsorgungsgebiet für Fracking-Abwasser: Im Bundesstaat Oklahoma pumpen Arbeiter seit 2004 große Mengen Abwasser aus der Öl- und Gasförderung in die Tiefe. Rund fünf Jahre später begann eine Serie schwacher Erdbeben in Oklahoma, die zunächst keine Gefahr darstellten. Wöchentlich 15 gerade spürbare Erdstöße registrierten die Geophysiker, 40-mal mehr als in vorangegangenen Jahrzehnten. Aber einen Zusammenhang zum versenkten Abwasser schlossen die verantwortlichen Unternehmen aus – immerhin lägen Dutzende Kilometer zwischen ihren Bohrlöchern und den Epizentren. Das gelte auch für das ungewöhnlich starke Beben der Magnitude 5,7 von 2011, das eine kleine Ortschaft verwüstete.

Mittlerer Westen galt als stabil

Katie Keranen und ihre Kollegen wunderten sich: Der mittlere Westen der USA galt zuvor als seismisch stabil. Die Geophysiker werteten die seismologischen Messdaten aus – und simulierten die Wirkung des verpressten Wassers am Computer. Schließlich wurden sie fündig: Das Abwasser und die Erdbeben stehen in einem Zusammenhang, berichtete sie im Magazin "Science". Demnach existieren unter Oklahoma natürliche Verwerfungen im Gestein, an denen sich das eingepresste Wasser entlangbewegen kann. Weil es dabei vorhandenes Tiefenwasser verdrängt, steigt der Druck an der Störung, die ohnehin unter Spannung steht. Schließlich geben die Gesteinsschichten auf beiden Seiten der Verwerfung schrittweise nach – und die Erde bebt. Zwar sind die meisten dieser Erschütterungen nur schwach. Aber Keranen berechnete, dass in Oklahoma heute schon fast die Hälfte aller Erdbeben kleiner als Magnitude 4,5 durch Zutun des Menschen zu Stande kommt – mit wachsender Tendenz.

Die Ergebnisse von Katie Keranen überraschen auch deutsche Seismologen. "Es war schon ein massiver Anstieg der Erdbebenzahl, den man in Oklahoma gesehen hat", sagt Joachim Ritter. Der Geophysiker leitet am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) den Fachbereich Seismik. Er beschäftigt sich seit Jahren mit schwachen Beben, darunter ein Erdstoß, der 2009 durch ein Erdwärmekraftwerk in Landau in der Pfalz verursacht wurde. Der war mit einer Stärke von 2,7 gerade eben spürbar gewesen. Anders in Oklahoma, wo gut 30 000-mal mehr Energie im stärksten Beben steckte: "Eine Magnitude von 5,7 ist schon sehr heftig, so etwas hätte ich nicht erwartet", sagt Ritter.

Wenige Erdstöße in Mitteleuropa

"Wir beobachten alle mutmaßlich vom Menschen induzierten Erdbeben in Deutschland sehr genau", sagt Nicolai Gestermann von der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) in Hannover. Die denkbaren Ursachen für solche Erschütterungen sind vielseitig: Dazu gehören beispielsweise nachgebende Kohlestollen im Ruhrgebiet. Auch um die Erdgasbohrungen in Norddeutschland kommt es immer wieder zu spürbaren Erdstößen, etwa am niedersächsischen Erdgasfeld von Völkersen. Laut einem Bericht der BGR mit dem niedersächsischen Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie hängen diese gerade spürbaren Beben "sehr wahrscheinlich" mit der Gasförderung zusammen. Eine Entwicklung wie in Oklahoma erwartet Nicolai Gestermann aber nicht: "In Norddeutschland haben wir einen ganz anderen Beben-Mechanismus." Hier sinkt das leer gepumpte Gestein langsam in sich zusammen, ohne dass Wasser in großen Mengen hinabgepumpt wird.

Abwasserverpressungsanlage in Colorado
© William Ellsworth, USGS
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Per Tankwagen werden Abwässer aus Ölfeldern an diese Anlage in Platteville, US-Bundesstaat Colorado, angeliefert, wo sie nach Abscheidung der Feststoffe in tiefe Erdschichten gepumpt werden. Laut dem US Geological Survey hat die Tätigkeit genau dieser Anlage keine Erdstöße verursacht.

Wasser in die Tiefe pressen vor allem Erdölunternehmen, die in Deutschland kaum eine Rolle spielen. Aber auch hier zu Lande gibt es Entsorgungsbrunnen: Am Flusslauf der Werra an der Grenze von Thüringen und Hessen bauen Bergleute seit Jahrzehnten Kalisalze ab. Bei der Verarbeitung fällt auch viel Salzwasser an, das Arbeiter zu großen Teilen in tiefe Gesteinsschichten pumpen. Die so entsorgten Mengen sind mit einigen Millionen Kubikmetern pro Jahr vergleichbar mit denen in Oklahoma. Auch an der Werra registrieren seismische Messstationen schwache Beben, die manchmal sogar spürbar sind. Die seien aber viel seltener als in Oklahoma und könnten sogar natürlichen Ursprungs sein: "Wir konnten nicht nachweisen, dass ein Zusammenhang der Beben zum verpressten Salzwasser besteht", sagt Nicolai Gestermann.

Neue Beben durch Geothermie-Bohrungen

Eine neue Quelle für spürbare Erdbeben im süddeutschen Raum und der Schweiz sind Erdwärmebohrungen. Das erste davon ereignete sich 2006 in Basel: Damals pressten Ingenieure Wasser in ein fünf Kilometer tiefes Bohrloch unter einem Vorort der Großstadt. Das dann folgende Beben hatte eine Stärke von 3,6 – und war ein Zeichen für Planer der Geothermieanlagen, in Zukunft vorsichtiger zu sein. Der Erdstoß in Landau in der Pfalz drei Jahre später war zwar deutlich schwächer, ereignete sich aber, ohne dass überhaupt viel Wasser hinabgepumpt worden wäre. Zum letzten spürbaren Erdbeben kam es im Juli 2013 in St. Gallen – wiederum in der Schweiz: Unerwartet trat Erdgas in eine Bohrung ein, wodurch sich der Druck im Bohrloch nahe einer angebohrten Verwerfung erhöhte – und die ineinander verkeilten Gesteinsblöcke ein winziges Stück nachgaben.

"Den Seismologen war eigentlich klar, dass ein gewisses Risiko für Erdbeben besteht, wenn ich an einer Verwerfung herumspiele", sagt KIT-Forscher Ritter. Aber ausgerechnet solche zerklüfteten Gesteine sind ideal geeignet, um daraus Erdwärme zu gewinnen. Die Geothermieprojekte von Basel und St. Gallen sind mittlerweile eingestellt – gefolgt von monatelangen Untersuchungen. Eine Bebenserie wie in Oklahoma wurde bislang nicht beobachtet.

Verwerfungen bergen Risiko

Erstaunt sind die deutschen Seismologen trotzdem über die Ergebnisse ihrer US-Kollegen – speziell über den Abstand zwischen dem entsorgten Wasser und den gemessenen Epizentren der Erdbeben. Rund 35 Kilometer legte das Wasser dort in der Tiefe zurück: "Dass eingepresste Flüssigkeiten auch so große Strecken wandern können, ist für mich das Interessante", sagt Ritter. Zumindest von den Geothermiekraftwerken im Rheingraben kennt er so etwas nicht. "Üblicherweise sind wir von einer maximalen beeinflussten Zone von zehn Kilometern ausgegangen", bestätigt Nicolai Gestermann von der BGR.

Das Problem dabei sind die Verwerfungen in der Tiefe: Je weiter das eingepumpte Wasser sich ausbreitet, umso größer ist die Zone im Gestein, in der sich Druckverhältnisse entlang einer Gesteinsstörung ändern könnten. Und das könnte letztlich auch noch schwerere Erdbeben begünstigen: Der Schweizer Erdbebendienst warnte etwa nach dem Erdstoß von St. Gallen, er könne nicht ausschließen, "dass künftige Erdbeben größere Teilsegmente einer Verwerfung aktivieren und damit entsprechend stärkere Erschütterungen auslösen". Deren Schadenspotenzial läge um St. Gallen bei 50 bis 200 Millionen Schweizer Franken. Katie Keranen gibt für Oklahoma eine vergleichbare Warnung aus: Ein 50 Kilometer langer Bereich einer Verwerfung könne durch das eingepumpte Wasser aktiviert werden und dabei ein schweres Beben der Stärke 7 auslösen: "Das bedeutet ein mögliches Risiko für das Stadtgebiet von Oklahoma City", schreibt die Seismologin.

Für Deutschland sieht BGR-Seismologe Nicolai Gestermann bisher keine Gefahr: "Wir haben keinen Hinweis auf ein seismisches Ereignis, das durch eingebrachtes Abwasser entstanden ist." Und die Zahl nachweislich von Menschen induzierter Beben sei über die letzten Jahre stabil geblieben.