Erdbebenforschung: Künstliche Beben im alten Furkatunnel-Baustollen
Forschen für die Zukunft in einem Baustollen aus den 1970er-Jahren: Die ETH Zürich betreibt im ehemaligen Bedretto-Stollen des Furka-Basistunnels im Tessin ein Untergrundlabor. Mit künstlich ausgelösten Erdbeben werden hier die Grundlagen der Erdbebenphysik erforscht.
Quelle: zvg, BedrettoLab
Besonderes Forschungslabor: Das «BedrettoLab» der ETH Zürich im ehemaligen Bedretto-Baustollen des Furka-Basistunnels.
Eingebettet in einen alten Sprengvortriebsstollen bei Ronco
im Tessin befindet sich heute eines der wohl ungewöhnlichsten Forschungslabore
der Schweiz: Das «BedrettoLab». Betrieben von der ETH Zürich und ausgestattet
mit einem hochempfindlichen Messnetz gehen Forscherinnen und Forscher hier im
Rahmen des Projektes «FEAR» (Fault Activation and Earthquake Rupture) der
Erdbebenphysik auf den Grund: Weshalb fangen Beben an – und warum hören sie
wieder auf? Antworten auf diese und weitere Fragen sollen künstliche Erdbeben
liefern, die rund zwei Kilometer tief im Felsen kontrolliert ausgelöst werden,
indem Wasser in eine geologische Verwerfungszone gepresst wird. Hinter dem
Projekt steht ein Konsortium aus Wissenschaftlern der ETH Zürich, der RWTH
Aachen und des Italienischen Instituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia.
Hightech im alten Baustollen
Dass ein solches Experiment mit Hightech-Messinstrumenten in
einem über 50-jährigen Baustollen überhaupt durchgeführt werden kann, ist keine
Selbstverständlichkeit. Denn der Bedretto-Stollen, auch Bedretto-Fenster
genannt, diente einst der Baustelle des Furka-Basistunnels als
Versorgungstunnel und als Abfuhrweg für Aushubmaterial, man hatte ihn deshalb
nur mit konventionellen Spreng- und Bohrtechniken ausgebrochen – eine
Stollenauskleidung wurde nie vorgenommen. Nach Fertigstellung des Eisenbahntunnels
wurde der Baustollen aufgegeben. Was zurückblieb, war ein nackter 5,2 Kilometer
langer Sprengvortriebsstollen, der durch fehlende Sicherungsmassnahmen in
verformungsintensiven Bereichen teilweise sogar einbrach (siehe Kasten
«Geschichte des Bedretto-Stollens» weiter unten).
Belüftung, Fahrbahn, Stromversorgung – all das musste für den Laborbetrieb deshalb erst eingerichtet werden. «Wir haben etwa bei Tunnelmeter 2200 einen Starkstromkasten eingebaut», erklärt Marian Hertrich, Labor-Manager vom «BedrettoLab», auf Anfrage des Baublatts. Die grösste Herausforderung ist und bleibt aber die Logistik: Der Tunnel verfügt nur über eine einspurige Fahrbahn. Das heisst, Fahrzeuge müssen warten, wenn die Bahn durch entgegenkommenden Verkehr belegt ist. «Wir haben zwei Elektroloks, die für schweren Transport geeignet sind, aber eher schwierig zu steuern sind.» Seit drei Jahren ergänzen drei leichtere Elektrofahrzeuge den Fuhrpark im unterirdischen Labor. Diese eignen sich laut Hertrich gut für die täglichen Fahrten und Transporte von kleinerem und leichterem Material – und die Mitarbeitenden bräuchten dafür keine «Fahrstunden».
Für Hertrich und sein Team ist das «BedrettoLab» ein aussergewöhnlicher Arbeitsplatz. «Da der Stollen in den letzten Jahrzehnten ungenutzt war, können wir die Experimente genau nach unseren Bedürfnissen umsetzen.» Dafür habe man aber auch die ganze Infrastruktur von Grund auf planen und aufbauen müssen. Es sei eine grossartige Aufgabe, so viel Gestaltungsmöglichkeiten zu haben, aber auch eine grosse Verantwortung, sagt Hertrich.
Quelle: zvg, BedrettoLab
Blick in den FEAR-Tunnel, der etwa 40 Meter neben einer Verwerfung verläuft.
Viele kleine Erdbeben messen
Im April fand im Rahmen des Erdbeben-Forschungsprojekts «FEAR» ein grösseres Injektions-Experiment im «BedrettoLab» statt. Das Team baute extra für den «FEAR-2»-Versuch einen neuen 120 Meter langen Stollen, der etwa 40 Meter neben einer geologischen Verwerfung verläuft und 2,2 Kilometer vom Eingang des Bedretto-Haupttunnels sowie 2 bis 2,5 Kilometer entfernt vom Furka-Basistunnel liegt. Der Stollen ist mit rund 20 Bohrlöchern ausgestattet, die teils der Messung, teils der Injektion dienen.
«Unsere Sensorik besteht aus Akustiksensoren, die in der Lage sind, sehr kleine Erdbeben zu messen, und Seismometern, die auf dem Tunnelboden angebracht sind», erklärt Hertrich. Abgesehen von seismischen Messgeräten kann das Team im FEAR-Tunnel auch die Verformung der Verwerfung mittels Glasfasertechnologie, hochpräziser Neigungsmesser sowie neu entwickelten 3D-Verformungssensoren messen. «Ausserdem messen wir den Wasserdurchfluss, den Druck und die Temperatur».
All diese Daten helfen dem Forschungsteam dabei, die gesamte Abfolge von Prozessen zu ergründen, die zu einem Erdbeben führen und die Erschütterung begleiten. Mit «FEAR-2» wurde zum ersten Mal Wasser parallel in zwei Injektionsbohrlöcher in die Verwerfung injiziert. Dabei kamen laut Hertrich spezielle Kolben-Hochdruckpumpen zum Einsatz, die von einem Frequenzumrichter geregelt werden und sich dadurch hinsichtlich der Pumprate oder des Injektionsdrucks sehr präzise per Computer fernsteuern lassen. «Durch vorprogrammierte Experimentabläufe erreichen wir eine Genauigkeit in den Daten, die in der Vergangenheit so nicht möglich war», erklärt der Lab-Manager.
Quelle: zvg, BedrettoLab
Kontrollraum: Der «FEAR-2»-Versuch wurde von Zürich aus ferngesteuert und überwacht.
Fernsteuerung von Zürich aus
Das Auslösen von künstlichen Erdbeben in einem Stollen mitten im Berg ist nicht ganz ungefährlich. Vor dem Experiment wurden deshalb hydromechanische Tests durchgeführt sowie eine Sicherheits- und Risikobewertung erstellt. Zudem greift das Team auf einen grossen Erfahrungsschatz aus Injektionsexperimenten zurück, die es vorher im «BedrettoLab» durchgeführt hat. Ohne diese Erfahrungswerte in Sachen Messtechnik, seismischer Überwachung und einem eigens entwickelten Ampelsystem, wäre ein Experiment in diesem Massstab nicht durchführbar. Da im Versuch ein seismisches Ereignis mit einer Magnitude von 1,0 angestrebt wurde, wurden nur geringfügige Schäden im Bedretto- oder dem FEAR-Tunnel erwartet. Schwere Schäden ausserhalb des Labors, an der Oberfläche oder im benachbarten Furka-Basistunnel, sollten gemäss der Bewertung nur bei einer Magnitude von 2,5 oder mehr vorkommen – die Wahrscheinlichkeit eines solchen Ereignisses wurde auf 1 Prozent geschätzt.
Eine weitere Sicherheitsmassnahme war grundlegender Natur: Während der Hochdruckinjektionen sollte sich kein Personal im Stollen aufhalten. Der Versuch wurde vor diesem Hintergrund vollends von Zürich aus ferngesteuert. Die Steuerung und Überwachung erfolgten über eine digitale Schnittstelle, die hauptsächlich die Hochdruckpumpen und die Ventile für die Injektion ansteuert. Hertrich: «Diese sind so programmiert, dass sie konstant einen Sollwert für den maximalen Druck oder eine bestimmte Fliessrate einhalten.» Sollten während des Experiments kritische Werte gemessen werden, oder wäre das System über das Internet nicht erreichbar, würde der Versuch automatisch abgebrochen und in den Sicherheitsmodus geschaltet.
Quelle: zvg, BedrettoLab
Vorbereitungen für den «FEAR-2»-Versuch, mit dem im April über rund 50 Stunden kontrolliert Wasser durch die Bohrlöcher in die Verwerfung injiziert wurde.
Das Experiment
Der erste «FEAR-2»-Versuch fand vom 22. bis 25. April statt. Rund 50 Stunden lang wurde dabei kontrolliert Wasser durch die Bohrlöcher im FEAR-Tunnel in die Verwerfung injiziert. In der ersten Nacht wurde der Versuch aufgrund eines unerwarteten Stromausfalls vorübergehend unterbrochen. Nach Reparaturen konnte die Injektion am nächsten Tag aber wieder aufgenommen werden. Die gleichzeitigen Injektionen über zwei Stimulationsintervalle in zwei getrennte Bohrlöcher führten zur Aktivierung mehrerer Strukturen im Versuchsvolumen. So wurden einige Tausend sehr kleine seismische Ereignisse ausgelöst, deren lokale Magnituden zwischen -5 und -0,14 lagen. Zum Vergleich: Der Mensch nimmt eine Erschütterung erst ab etwa Magnitude 2,5 wahr.
Einige dieser seismischen Ereignisse traten in der Zielverwerfungszone auf, eine grosse Anzahl ereignete sich aber vor allem an benachbarten geologischen Strukturen. «Wir haben sehr viele Erdbeben ausgelöst, was gewollt und erwartbar war», sagt Hertrich. Letzten Endes musste der Versuch aber unter der angepeilten Magnitude von 1 beendet werden; gestoppt wurde bei 750 von angepeilten 2000 Kubikmetern injiziertem Wasser. «Die Erdbebenaktivität entfernte sich im Verlauf des Experiments immer weiter von unserem Messnetz.» Das Team entschied sich daraufhin, das Experiment zu stoppen, da der wissenschaftliche Nutzen nicht mehr gegeben war.
Trotzdem war «FEAR-2» für die Forschenden ein Erfolg. «Wir konnten zeigen, dass wir mit kontrollierten Hochdruckinjektionen das Kluftnetzwerk kontrolliert aktivieren können und unser hochauflösendes Messnetzwerk die Deformation und Seismizität im gesamten Volumen präzise detektieren kann», so das Fazit von Hertrich.
Quelle: zvg, BedrettoLab
Der «FEAR»-Stollen ist mit rund 20 Bohrlöchern ausgestattet, die teils der Messung, teils der Injektion dienen.
Induzierte Beben besser verstehen
Die gesammelten Daten aus dem Experiment bilden die Grundlage für ein grundlegendes Verständnis der gekoppelten Prozesse bei einem Erdbeben. Für die Beantwortung der Forschungsfragen zur Erdbebenphysik benötigt das Team aber noch einige Zeit, um die vielen Messdaten auszuwerten. Es wird auch nicht das letzte Injektions-Experiment dieser Art sein, weitere sind laut dem Team im Juni oder September geplant. Von den «FEAR»-Experimenten erhoffe sich das Team vorwiegend Erkenntnisse dazu, wie Erdbeben entstehen, sich fortsetzen und wieder aufhören.
«Das kann natürlich auch helfen, induzierte Beben besser zu verstehen, wie sie bei Geothermieprojekten auftreten und dazu beitragen, diese besser kontrollieren zu können», so Hertrich. Dass ein solches Verständnis notwendig ist, zeigt ein Blick in die Vergangenheit: Vor fast zwanzig Jahren wurde in Basel das Geothermie-Projekt «Deep Heat Mining» gestoppt, nachdem hydraulische Injektionen im Jahr 2006 ein Erdbeben der Magnitude 3,4 ausgelöst hatten. Die Ereignisse rund um das gescheiterte Projekt beeinträchtigen die Akzeptanz der Geothermie bis heute.
Weitere Informationen unter: www.bedrettolab.ethz.ch
Geschichte des Bedretto-Tunnels
Quelle: ETH-Bibliothek Zürich, Bildarchiv / Com_LC1064-001-003
Der Bedretto-Tunnel diente dem Transport von Aushubmaterial des Furka-Basistunnels. Bild: Ladearbeiten im Stollen um 1977.
Der Bedretto-Tunnel wurde in den 1970er-Jahren für den Bau des Furka-Basistunnels erstellt und diente als Abfuhrweg für das Aushubmaterial und als Versorgungstunnel. Der 5220 Meter lange Stollen wurde im konventionellen Spreng- und Bohrvortrieb ausgebrochen und ist 2,7 Meter hoch und breit.
Als nackter Sprengvortriebstunnel wurde er nur in verformungsintensiven Bereichen mit Stahlbewehrungen und Holzverbauungen stabilisiert. Nach seiner Stilllegung kam es an drei Stellen zu Einstürzen, wodurch er zwischenzeitlich unpassierbar wurde. Erst 2015 wurde der Tunnel wiedereröffnet: Im Zuge des Einbaus einer neuen Brandschutz-Lüftungsanlage im Furkatunnel wurden die Trümmer beseitigt und kritische Abschnitte gesichert.
Etwa zur gleichen Zeit war ein Konsortium von Wissenschaftlern auf der Suche nach einem geeigneten Tunnel für Forschungen zur tiefen Geothermie. Die Matterhorn Gotthard Bahn stellte den Stollen schliesslich der ETH Zürich zur Verfügung, die dort 2018 das «Bedretto Underground Laboratory for Geosciences and Geoenergies» (BedrettoLab) eröffnete. Seit seiner Eröffnung hat sich das Portfolio über die Geothermie-Forschung hinaus erweitert, da die eingebaute Infrastruktur viele Möglichkeiten für diverse Forschungsbereiche bietet. (pb)
