Op deze pagina wordt, na algemene inleidende informatie, ingegaan op een viertal vragen voortvloeiend uit een NCG/EZK consultatie in Groningen in 2017. De vragen hebben betrekking tot breuken, spanningsveranderingen in de ondergrond & bevingen:
1. Welke breuken zijn gelet op soort, richting en voorspanning het meest gevoelig voor druk- en spanningsveranderingen en daarmee veroorzaker van bevingen. (NCG-vraag 2)
2. Kunnen breuken boven het Zechstein zoutpakket gereactiveerd worden door spanningsopbouw veroorzaakt door de bevingen? (NCG-vraag 23)
3. In de onderzoeken naar de geïnduceerde bevingen in Groningen wordt tot nu toe gekeken naar breuken in het reservoir als bron voor de aardbevingen. De vraag is of ondiepere breuken (bijvoorbeeld in het Krijt) mogelijk ook een bron van geïnduceerde bevingen kunnen zijn. (NCG-vraag 1)
4. Is geothermie op Zernike slecht idee of niet? Ligt aan rand Groningenveld en er komt dus mogelijk gas mee omhoog. Door injectie worden mogelijk druk- en spanningsveranderingen veroorzaakt (bevingen). (NCG-vraag 26)
Algemene inleiding
Geologie van het Groningen gasveld
In het Groningen gasveld wordt gas gewonnen uit de zandsteenlaag van de Slochteren Formatie (Rotliegend; bruin) op ongeveer drie kilometer diepte. Boven deze laag ligt een dik pakket van zout- en anhydrietlagen van de Zechstein formatie (lichtbruin), die ondoorlatend is voor aardgas. Hierboven liggen weer jongere gesteentelagen (o.a. van Krijt ouderdom: Rijnland, Chalk; groen), waaruit in Groningen geen gas wordt gewonnen (Figuur 1). 
Figuur 1 Geologische doorsnede van het Groningen gasveld langs de lijn Groningen – Appingedam.
Hoe ontstaan geïnduceerde bevingen door gaswinning?
Ten gevolge van de gaswinning daalt de gasdruk in de gashoudende laag. De drukdaling leidt tot verhoging van de effectieve verticale spanning op het gesteente en een relatief kleinere horizontale spanningstoename. Dit leidt tot een spanningsopbouw op de breuken in het gasveld. Daar waar het gesteente nabij een bestaande breuk wordt samengedrukt, bouwt zich een spanningsverschil op. Dit effect en het verschil in spanningstoestand door drukdaling in het reservoir kan er toe leiden, dat de gesteentelagen schoksgewijs langs het breukvlak schuiven (beving).
Typen breukbewegingen
Er zijn - afhankelijk van het regionale spanningsveld - drie manieren, waarop gesteente zich kan bewegen langs breuken:
• Een opschuivende breuk is een breuk, waarbij een blok langs het breukvlak omhoog schuift. Breuken met eenzelfde strekking als (de maximale horizontale spanningsrichting van) het spanningsveld en een vrij vlakke helling rond de 30 graden gaan het makkelijkst bewegen
• Een afschuivende breuk is een breuk, waarbij een blok langs het breukvlak omlaag schuift. Breuken met strekking dwars op (de maximale horizontale spanningsrichting van) het spanningsveld en een steile helling van ongeveer 60 graden gaan het makkelijkst bewegen.
• Een horizontaal verschuivende breuk is een breuk, waar blokken horizontaal langs elkaar schuiven. Steile breuken met een strekking van ongeveer 30 graden ten opzichte van (de maximale horizontale spanningsrichting van) het spanningsveld gaan het makkelijkst bewegen.
Spanning(s)veld
Over het algemeen kan het spanningsveld in de ondergrond beschreven worden met de 3 principiële hoofdspanningen en bijbehorende oriëntatie. Dit zijn de verticale spanning (Sv), de maximale horizontale spanning (SHmax), de minimale horizontale spanning (Shmin) en de oriëntatie van de maximale horizontale spanning. Afhankelijk van het spanningsveld zijn breuken met een andere oriëntatie en helling t.o.v. van de hoofdspanningen gunstiger georiënteerd voor beweging
Met effectieve verticale spanning wordt de totale verticale spanning bedoeld minus de spanning veroorzaakt door vloeistoffen en/of gassen in het gesteente.
Strekking en helling
De strekking van een breuk is de hoek tussen het noorden en de snijlijn van de breuk met het horizontale vlak. De helling is de hoek met het verticale vlak.
1. Welke breuken zijn gelet op soort, richting en voorspanning het meest gevoelig voor druk- en spanningsveranderingen en daarmee veroorzaker van bevingen.
Figuur 2 geeft voor een overzicht van de belangrijkste breuken in het Groningen gasveld. 
Figuur 2 Overzicht van de belangrijkste breuken in het Groningen gasveld. Cirkels geven de locatie en magnitude van de bevingen vanaf 1991 tot 2016 (naar Kortekaas & Jaarsma, 2017).
In Groningen zijn afschuivende breuken met een NNW-ZZO strekking en een steile helling (ca. 70-80 graden) het meest gevoelig voor spanningsveranderingen (door gaswinning).
Op basis van metingen in boorgaten is bekend dat het (regionale) spanningsveld in Noord-Nederland wordt gekarakteriseerd door een noordwest-zuidoostelijke oriëntatie van de maximale horizontale spanning (Heidbach et al, 2016). Uit de analyse van de haardmechanismes van de aardbevingen blijkt, dat de haardmechanismen van de aardbevingen in het Groningenveld vooral afschuivingen zijn, met een kleine horizontale component (bijv. Dost en Kraaipoel, 2013; Bommer et al, 2017).
Ook breuken, die niet optimaal georiënteerd zijn in het regionale spanningsveld, kunnen bewegen. Denk daarbij aan lokale spanningsopbouw op een breuk (bijvoorbeeld door gaswinning), een afwijkend lokaal spanningsveld rondom een breuk (ten opzichte van het regionale spanningsveld) of specifieke materiaaleigenschappen van een breuk die de wrijving beïnvloeden.
2. Kunnen breuken boven het Zechstein zoutpakket gereactiveerd worden door spanningsopbouw veroorzaakt door de bevingen?
3. In de onderzoeken naar de geïnduceerde bevingen in Groningen wordt tot nu toe gekeken naar breuken in het reservoir als bron voor de aardbevingen. De vraag is of ondiepere breuken (bijvoorbeeld in het Krijt) mogelijk ook een bron van geïnduceerde bevingen kunnen zijn.
In theorie kunnen breuken boven het gasveld op twee manieren worden gereactiveerd:
1. Spanningsopbouw door opgetreden bevingen langs de breuk;
2. Spanningsopbouw door samendrukking van het gasveld onder de breuk.
Het is op grond van de huidige kennis, meetgegevens en modelstudies niet mogelijk, dat ondiepe breuken boven het Zechstein zoutpakket worden gereactiveerd door spanningsopbouw veroorzaakt door de reeds opgetreden bevingen in het Groningen veld. Daarnaast is het zeer onwaarschijnlijk, dat deze ondiepe breuken gereactiveerd zullen worden door voortgaande spanningsopbouw gerelateerd aan de gaswinning Groningen. Dit antwoord wordt hieronder toegelicht.
Metingen
Het KNMI maakt geen melding van bevingen met een dieptelocatie boven het Zechstein voor het Groningen veld (https://www.knmi.nl/kennis-en-datacentrum/dataset/aardbevingscatalogus; peildatum: 1 maart 2019). Het KNMI (Spetzler en Dost, 2017) heeft de dieptelocaties nader onderzocht van bevingen uit de periode van 2014 tot juli 2016. Deze bevingen hebben vrijwel allemaal plaatsgevonden op de diepte, waar het gas gewonnen wordt. Enkele bevingen zijn net iets ondieper gelokaliseerd, namelijk direct boven de gashoudende laag in een brosse anhydrietlaag onderin het Zechstein zoutpakket.
Wat gebeurt er met de spanning na een beving?
Op het deel van het breukvlak dat bewogen heeft zal de spanning lokaal verminderen. Net naast het deel van de breuk dat bewogen heeft ontstaat na een beving een deel waar de spanning juist toeneemt. Dit effect is zeer lokaal (enkele meters bij de magnitudes, die tot nu toe zijn opgetreden). Omdat de Zechstein zoutlaag dik is, zal dit effect geen bevingen boven het Zechstein kunnen veroorzaken.
Kleine spanningsveranderingen in overliggende lagen
Drukdaling in het reservoir kan leiden tot kleine spanningsveranderingen in overliggende lagen. Als breuken in deze lagen ‘nabij kritisch gespannen’ zijn, kan dit in theorie leiden tot een breukbeweging, maar vanwege de frictie langs breukvlak komt dit proces niet gemakkelijk op gang. De breuken in Noord-Nederland zijn hoogstwaarschijnlijk niet ‘kritisch gespannen’ (bijv. Van Wees, 2014).
Door de volumeverandering in het reservoir (door drukdaling veroorzaakt door gaswinning) kan ook de horizontale spanning in de bovenliggende lagen toenemen. Verhoging van de horizontale spanning zal ervoor zorgen, dat afschuivende breuken (het type breuk, dat in Groningen het gemakkelijkst gereactiveerd wordt) juist stabieler worden, waardoor aardbevingen minder snel voorkomen.
Modelstudies
In lijn met het bovenstaande laten modelstudies aan het Groningen gasveld (bijv. Van Geuns, L. & van Thienen-Visser, K., 2017) zien, dat het spanningsverschil door gaswinning over breuken in het Groningen gasveld niet zal leiden tot spanningsverschillen boven het Zechstein zoutpakket.
4. Is geothermie op Zernike slecht idee of niet? Ligt aan rand Groningenveld en er komt dus mogelijk gas mee omhoog. Door injectie worden mogelijk druk- en spanningsveranderingen veroorzaakt (bevingen).
Goed of slecht idee
De vraag in hoeverre geothermie op een specifieke locatie een goed of slecht idee is, is niet alleen een wetenschappelijk antwoord mogelijk. Dat hangt af van wat de samenleving als wenselijk en acceptabel beschouwt en de weerslag daarvan in beleid, wet- en regelgeving en toezicht.
Bevingen
In algemene zin hangt de kans op bevingen af van de lokale geologische opbouw van de ondergrond en veranderingen in het spanningsveld daarvan. Veranderingen in het spanningsveld kunnen het gevolg zijn van natuurlijke processen en van mijnbouwprojecten (zoals geothermie of gaswinning). Zowel drukveranderingen (bijvoorbeeld door productie en injectie van water en/of gas) als temperatuursveranderingen (bijvoorbeeld door injectie van afgekoeld water) leiden tot veranderingen in het spanningsveld.
In meer specifieke zin bevindt de locatie van geothermiewinning in het geplande Zernike project zich in een breukblok, aanpalend aan het Groningen gasveld. Het lokale spanningsveld in en rond het breukblok is mogelijk beïnvloed door de winning van aardgas uit het Groningen gasveld. Daardoor heeft er mogelijk spanningsopbouw plaatsgevonden op de breuken. Bevingen zijn hierdoor niet uit te sluiten.
Welk effect heeft het meekomen van gas bij geothermie?
Als een geothermisch systeem zich in de nabijheid van een gasveld bevindt, is er een hoge waarschijnlijkheid, dat het formatiewater opgelost gas bevat. Afhankelijk van de productiestrategie zijn er twee opties. Bij de eerste optie wordt dit gas in oplossing gehouden en vervolgens geïnjecteerd in de gesteentelaag op een lagere temperatuur. Bij de tweede optie wordt het gas gescheiden van het productiewater om elders te worden gebruikt. Dat betekent, dat het productiewater onverzadigd is met gas wanneer het in de gesteentelaag wordt terug geïnjecteerd.
Op dit moment is er consensus, dat er geen verschil in effect op spanningsveld optreedt tussen het injecteren van relatief koud productiewater met of zonder opgelost gas.
Referenties
Dost, B. and Kraaijpoel, D. (2013) KNMI, The August 16, 2012 earthquake near Huizinge (Groningen)
Heidbach, O., M. Rajabi, K. Reiter, M. Ziegler, and the WSM Team (2016). World Stress Map Database Release 2016, GFZ Data Services, http://www.world-stress-map.org/
Van Wees, J.D., Buijze, L., Van Thienen-Visser, K., Nepveu, M., Wassing, B.B.T., Orlic, B., Fokker, P.A. (2014) Geomechanics response and induced seismicity during gas field depletion in the Netherlands. Geothermics 52, p.206–219.