Stochastische poromechanische Analyse sagt eine bemerkenswerte Überschreitungswahrscheinlichkeit für das Erdbeben von Pohang, Südkorea, 2017, Mw 5,5 voraus

Warum ein menschengemachtes Erdbeben relevant ist

Im Jahr 2017 erschütterte ein Erdbeben der Magnitude 5,5 die Stadt Pohang in Südkorea, beschädigte Gebäude und überraschte Wissenschaftler, weil es mit einem Geothermieprojekt und nicht mit einer natürlichen Verwerfungsbewegung in Verbindung gebracht wurde. Zu verstehen, wie menschliche Aktivitäten wie die Einspritzung von Flüssigkeiten in große Tiefen derart starke Beben auslösen können, ist entscheidend, wenn wir kohlenstoffarme Energiequellen ausbauen wollen, ohne umliegende Gemeinden zu gefährden. Diese Studie verwendet einen physikbasierten, wahrscheinlichkeitsoffenen Ansatz, um eine einfache Frage mit großen Konsequenzen zu stellen: Angesichts dessen, was wir über die Gesteine und Spannungen unter der Oberfläche wissen (und nicht wissen), wie wahrscheinlich war ein Erdbeben von der Größe des Pohang‑Ereignisses?

Wie Energieprojekte verborgene Verwerfungen wecken können

Enhanced Geothermal Systems gewinnen Wärme, indem sie unter hohem Druck Wasser in große Tiefen injizieren, um vorhandene Brüche zu öffnen und die Wasserzirkulation zu verbessern. In Pohang erfolgte diese Einspritzung in Granitgestein in rund 4,2 Kilometern Tiefe, in der Nähe einer vorbestehenden Verwerfung, die nicht an die Oberfläche reichte. Wenn unter Druck stehendes Wasser in die Gesteine eindringt, erhöht es den Druck in den winzigen Poren zwischen Mineralpartikeln und verändert leicht die Art und Weise, wie der Gesteinskörper Spannungen trägt. Diese subtilen Veränderungen können den Reibungswiderstand auf einer Verwerfung verringern und ihr Gleiten ermöglichen. In Pohang zeigen mehrere Hinweise, dass das Hauptbeben in der Nähe des Injektionsbrunnens auftrat, entlang einer reifen Verwerfungsfläche, deren genaue Orientierung und Spannungszustand damals wie heute nur schwach eingegrenzt sind.

Unsicherheit in eine Wahrscheinlichkeitsaussage verwandeln

Die meisten früheren Analysen des Pohang‑Bebens versuchten, ein einziges „bestes“ Untergrundmodell zu rekonstruieren, und gingen davon aus, dass die Verwerfung bereits extrem nahe am Versagen war, sodass selbst winzige Spannungsänderungen sie auslösen konnten. Feldmessungen und Erdbebendaten deuten jedoch darauf hin, dass diese Verwerfung stabiler war, als dieses einfache Bild annimmt. Statt auf ein Szenario zu setzen, behandeln die Autoren zentrale Eigenschaften des Untergrunds — wie die Richtung und Stärke der Spannungen, den Verwerfungswinkel und die Reibung der Verwerfungsfläche — als unsichere Größen. Sie verwenden dann eine Technik namens Monte‑Carlo‑Simulation: Tausende leicht unterschiedliche, aber physikalisch plausible Untergrundrealitäten werden erzeugt, und für jede wird berechnet, wie sich der Fluiddruck ausbreitet, wie die Gesteine mechanisch reagieren und ob die Verwerfung gleitet und in welchem Ausmaß.

Simulation der Verwerfungsreaktion auf Einspritzung

Um diese große Anzahl von Durchläufen rechnerisch handhabbar zu halten, nutzt das Team analytische Formeln statt aufwendiger numerischer Modelle, um zu beschreiben, wie die Einspritzung den Porendruck um den Brunnen erhöht und wie diese Änderung in das umgebende Spannungsfeld einfließt. Sie untersuchen zwei realistische Arten, wie sich die Verwerfung bewegen könnte, beide mit einem schrägen Gemisch aus vertikaler und seitlicher Verschiebung. Im Basisszenario mit mittleren Gesteins‑ und Spannungseigenschaften bleibt die Verwerfung trotz Einspritzung stabil — ein klarer Widerspruch zum tatsächlichen Erdbeben. Lassen sie die unsicheren Parameter jedoch innerhalb durch Messungen und Labortests gestützter Bereiche variieren, erzeugen einige Realisierungen nur winzige, nicht nachweisbare Beben, während andere deutlich größere Ereignisse erzeugen. Indem sie die Größe der rutschenden Verwerfungsfläche in jeder Realisierung in eine Erdbebenmagnitude umrechnen, bauen sie eine vollständige Wahrscheinlichkeitsverteilung möglicher Ergebnisse auf.

Wie wahrscheinlich war das Pohang‑Erdbeben?

Die Simulationen zeigen, dass unter den für Pohang relevanten Bedingungen das größtmögliche induzierte Erdbeben prinzipiell bis in die Nähe von Magnitude 7 reichen könnte, solche Ereignisse sind jedoch sehr unwahrscheinlich. Aussagekräftiger ist die geschätzte Chance, bestimmte Magnituden zu überschreiten. Für Erdbeben in der Größe des tatsächlichen Ereignisses von 2017 (Mw 5,5) sagt das Modell eine Überschreitungswahrscheinlichkeit zwischen etwa 7 % und 15 % voraus, je nachdem, welches Gleitmuster angenommen wird. Dieser Bereich stimmt eng mit der unabhängig aus der beobachteten Sequenz kleinerer Erdbeben am Ort abgeleiteten Wahrscheinlichkeit überein. Die Analyse zeigt zudem einen klaren Zusammenhang zwischen der Nähe einer Verwerfung zum Versagen vor der Einspritzung und der Größe des folgenden Bebens. In Pohang, sobald die anfängliche „Sicherheitsmarge“ an der Verwerfung unter etwa 0,1–0,2 Megapascal fällt, können bereits moderate poromechanische Störungen sie in einen schädlichen Bruch kippen.

Was das für künftige Geo‑Energie‑Projekte bedeutet

Für Nichtfachleute ist die wichtigste Erkenntnis, dass das Pohang‑Erdbeben weder ein einmaliger Unfall noch ein unausweichliches Ergebnis geothermischer Entwicklung war, sondern ein quantifizierbares Risiko, das davon abhängt, wie kritisch vorgespannte nahe Verwerfungen sind und wie gut wir sie kennen. Die Studie zeigt, dass sich durch die Kombination physikbasierter Modelle mit systematischer Unsicherheitsanalyse im Voraus abschätzen lässt, mit welcher Wahrscheinlichkeit Einspritzungen Beben einer gegebenen Größe auslösen. Sie warnt, dass bereits nahe am Versagen befindliche Verwerfungen durch relativ kleine Druckänderungen schädliche Erdbeben produzieren können, und legt nahe, dass traditionelle "Traffic‑Light"‑Systeme, die sich nur auf die Überwachung kleiner Ereignisse stützen, möglicherweise nicht ausreichen. Stattdessen sind sorgfältige Standortcharakterisierung und adaptive, modellgestützte Risikobewertung — wie hier demonstriert — unerlässlich, wenn wir tiefe Untergrundressourcen sicher und verantwortungsvoll nutzen wollen.

Zitation: Wu, H., Vilarrasa, V., Parisio, F. et al. Stochastic poromechanical analysis forecasts a notable exceedance probability for the 2017 Pohang, South Korea, M_w 5.5 earthquake. Commun Earth Environ 7, 236 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03268-7

Schlüsselwörter: induzierte Seismizität, Geothermie, Stabilität von Verwerfungen, Fluideinspritzung, Erdbebenrisiko