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Die Spur der Steine

Umweltschonender und nachhaltiger: Geophysiker der Freien Universität macht mit seismischen Wellen einige Explorationsbohrungen überflüssig

20.11.2015

Freie Sicht ohne Bohrung: Am Grand Canyon im Bundesstaat Arizona, USA, kann man...
Freie Sicht ohne Bohrung: Am Grand Canyon im Bundesstaat Arizona, USA, kann man... Bildquelle: Serge Shapiro
... rund 1,5 Milliarden Jahre geologischer Entwicklung anhand der Sedimentgesteine nachvollziehen.
... rund 1,5 Milliarden Jahre geologischer Entwicklung anhand der Sedimentgesteine nachvollziehen. Bildquelle: Serge Shapiro
Raster-Elektronen-Mikroskop-Bild von einem Sandstein. Im Schwarz sind die Porenräume gezeigt.
Raster-Elektronen-Mikroskop-Bild von einem Sandstein. Im Schwarz sind die Porenräume gezeigt. Bildquelle: Ramona Niemann
Serge Shapiro ist Professor für Geophysik am Fachbereich Geowissenschaften der Freien Universität Berlin.
Serge Shapiro ist Professor für Geophysik am Fachbereich Geowissenschaften der Freien Universität Berlin. Bildquelle: Annika Middeldorf

Sprechen können sie nicht, aber sie antworten trotzdem: Mit seismischen Wellen entlockt der Geophysiker Serge Shapiro tiefen Gesteinsschichten ihre Geheimnisse. Dank seiner Erfindung müssen zur Erkundung unterirdischer Reservoirs künftig weniger Bohrungen ausgeführt werden.

Knapp 1000 Meter unter der Heerstraße, die von Charlottenburg nach Spandau führt, befindet sich der Berliner Erdgasspeicher. Bis zu einer Milliarde Kubikmeter des Brennstoffs können dort in Sandstein als strategische Reserve für unsichere Zeiten einlagert werden. Die Sandsteinschicht wurde in den sechziger Jahren entdeckt, als man in West-Berlin nach Öl- und Gasvorkommen forschte.

Wer jedoch systematisch nach unterirdischen Speichern für Erdgas sucht, in trockenen Gegenden Süßwasser finden oder Erdwärme nutzen will, muss „Reservoir-Erkundung“ betreiben: Dabei prüfen Geologen, wie der Untergrund beschaffen ist. Die Durchlässigkeit der Gesteinsschichten, in der Fachsprache Permeabilität genannt, ist dabei ein wichtiger Faktor: Soll Wasser, Öl oder Gas an die Erdoberfläche befördert werden, müssen die Schichten, die diese Stoffe enthalten, möglichst durchlässig sein. Sollen dagegen Abfälle sicher gelagert werden, ist undurchlässiges Material von Vorteil.

Durchlässigkeit: ein wichtiger, aber schwer messbarer Faktor

„Die Permeabilität ist schwer zu messen, denn häufig geht es um Reservoirs, die bis zu fünf Kilometer tief in der Erde liegen“, erklärt Serge Shapiro, Professor für Geophysik an der Freien Universität. Mit hohem Aufwand gewonnene Bohrproben gäben immer nur einen kleinen Ausschnitt wieder und seien nicht repräsentativ für das Gestein in der Umgebung.

Um das Problem zu lösen, bringt Shapiro eine Methode ins Spiel, auf die er sich spezialisiert hat: Reflexionsseismik erfordert keine Bohrung und ist daher zur Erkundung größerer Gebiete geeignet. Schon vor seinem Ruf an die Freie Universität im Jahr 1999 arbeitete der gebürtige Russe an Forschungseinrichtungen und Universitäten in Moskau, Karlsruhe und Nancy mit seismischen Wellen. Ähnlich wie beim medizinischen Ultraschall werden sie von oben ausgestrahlt und von den Gesteinsschichten und -strukturen im Untergrund reflektiert. Ein Teil des reflektierten Wellenfeldes gelangt zurück zur Erdoberfläche und wird dort mit Geophonen registriert. Gemessen wird dabei die Geschwindigkeit, mit der sich die seismischen Wellen fortbewegen – die Werte liegen etwa zwischen einem Kilometer und fünf Kilometern pro Sekunde.

Neue Rechenmodelle führen zum Ziel

Am Computer lassen sich daraus Informationen über verschiedene Eigenschaften des Gesteins errechnen, zum Beispiel über seine Porosität, also den Anteil an Hohlräumen. Anhand dieser Daten und der Untersuchungsergebnisse von Gesteinsproben kann der Geophysiker die Permeabilität in großem Umkreis des Bohrlochs präzise bestimmen.

Als die Methode in ersten Tests seiner Arbeitsgruppe gute Ergebnisse lieferte, wurde dem Geophysiker klar, dass er eine Erfindung gemacht hatte. Gemeinsam mit Profund Innovation, der zentralen Service-Einrichtung für den Wissens- und Technologietransfer an der Freien Universität Berlin, arbeitete Serge Shapiro eine Patentanmeldung aus, um die Schutzrechte für die Weiterentwicklung und die Anwendung zu sichern. Derzeit laufen Analysen von Daten einiger Laborexperimente, um die Methode zu validieren. Im nächsten Schritt sollen Partner aus der Industrie gefunden werden, die seinem Team seismische Daten und Proben für Tests unter realen Bedingungen zur Verfügung stellen.

Reservoirs nachhaltiger erkunden

„Die Erfindung kann helfen, bei der Reservoir-Erkundung umweltschonender und nachhaltiger vorzugehen“, erklärt Serge Shapiro. Man könne einige Fehler vermeiden – zum Beispiel Entwicklungsbohrlöcher zur Förderung von Fluiden präziser platzieren – und somit Zeit und Kosten sparen. Die Zukunft stellt er sich im Idealfall so vor: „Ein Konsortium aus mehreren Industriepartnern erwirbt gemeinsam die Nutzungslizenz und entwickelt mit uns das Verfahren weiter.“

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