Von Dr. Bernd Wiese

Der Artikel von Cai & Ofterdinger (2014) soll die Gefährdung von Grundwasser durch 'Fracking' im Bowland Shale (Mittelengland) abschätzen. Der Hauptaugenmerk liegt auf dem St. Bees Sandstein Grundwasserleiter in einer Tiefe zwischen 600 und 1000 m. Der Artikel basiert auf einem numerischen Modell mit einer Ausdehnung von 5x3 km und einer Mächtigkeit von 3000 m, die Geologie ist mit 10 Schichten abwechselnd hoher und niedriger hydraulischer Leitfähigkeiten*1 implementiert, die in Feldmessungen bestimmt wurden. Der Bowland Shale liegt in einer Tiefe zwischen 2000 und 2500 m. In dieser Tiefe zeigt das Grundwasser einen Bedeutenden Überdruck, d.H. es strömt nach oben wenn eine Wegsamkeit *2 geschaffen wird und kann so wassergefährdende Stoffe natürlicher oder menschlicher Herkunft transportieren. Während des Frackings sollen Fluide unter Druck in den Bowland shale gepresst und hydraulische Wegsamkeiten geschaffen werden. Das Modell untersucht, wie sich die Wasserqualität in den Grundwasserleitern oberhalb des Bowland Shale ändert.

Unter natürlichen Bedingungen sind die Grundwasserleiter hydraulisch voneinander getrennt, so dass es keinen Austausch zwischen ihnen gibt. In dieses Modell werden vertikale Wegsamkeiten eingebracht. Grundsätzlich können dadurch Schadstoffe bis zum oberen Ende fließen, deshalb ist deren Länge von entscheidender Bedeutung. Im Artikel werden Wegsamkeiten bis zu einer Länge von 1850 m simuliert, während bisher nur Längen bis zu 1100 m beobachtet wurden (Davies et al., 2012). Die simulierten Längen reichen bis hinauf in den St. Bees Sandstein. Die Autoren untersuchen ebenfalls wie sich die horizontale hydraulische Leitfähigkeit auf den Schadstofftransport auswirkt. Der Artikel zeigt, dass geringe hydraulische Leitfähigkeiten den vertikalen Schadstofftransport begünstigen. Das erscheint zunächst paradox, weil hohe Leitfähigkeiten mit hoher Fließgeschwindigkeit und schnellem Schadstofftransport korrelieren. Im konkreten Fall werden die Schafstoffe aus den vertikalen Wegsamkeiten durch das horizontal fließende Grundwasser ausgespült und stattdessen steigt natürliches Grundwasser weiter nach oben auf. Die Schlussfolgerung lautet, dass hohe hydraulische Leitfähigkeiten den vertikalen Schadstofftransport aus dem Bowland Shale weitgehend verhindern.

An dieser Stelle soll betont werden, dass nur ein einzelner Brunnen simuliert wird. Deshalb können die Ergebnisse nicht direkt auf kommerzielle Projekte mit vielen Brunnen übertragen werden. Flüssigkeitsinjektionen mit einer großen Anzahl an Brunnen kann den Lagerstättendruck im Bowland Shale erhöhen (Keranen et al., 2014) und so auch die Aufstiegsgeschwindigkeit der Tiefenwässer erhöhen.

Ich bezweifle die Richtigkeit der Ergebnisse in Bezug auf den Collyhurst Sandstein (1100 – 1250 m). Bei allen Szenarien der hydraulischen Durchlässigkeiten werden unrealistisch hohe Fließgeschwindigkeiten erreicht, wodurch die Barrierewirkung für aufsteigende Schadstoffe stark überschätzt wird. Bei realistischen Geschwindigkeiten wäre die Barrierewirkung wesentlich geringer. Hierzu führe ich grade Untersuchungen durch.

Anmerkung 1, hydraulische Leitfähigkeit: Eine hohe hydraulische Leitfähigkeit bedeutet, dass Wasser (und andere Fluide) leicht durch das Gestein hindurchfließen können, eine geringe Leitfähigkeit kann bedeuten, dass ein Gestein praktisch wasserundurchlässig ist.

Anmerkung 2, Wegsamkeit: Ein Bereich mit hoher hydraulische Leitfähigkeit aber begrenzter Ausdehnung, typischerweise ein offener Bruch oder eine Kluft.

Referenzen:
Davies, R.; Mathias, S.; Moss, J.; Hustoft, S. & Newport, L. (2012), 'Hydraulic fractures: How far can they go?', Marine and Petroleum Geology 37(1), 1-6.

Keranen, K.; Weingarten, M.; Abers, G. c.; Bekins, B. & Ge, S. (2014), 'Sharp increase in central Oklahoma seismicity since 2008 induced by massive wastewater injection', Science 345(6195), 448-451.