Original paper

Induziert der Steinkohlenbergbau im Ruhrbecken Methanemissionen?

[Does coal mining in the Ruhr Basin induce methane emissions?]

Thielemann, Thomas; Krooss, Bernhard M.; Littke, Ralf

Zeitschrift der Deutschen Geologischen Gesellschaft Band 152 Heft 1 (2001), p. 61 - 76

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published: Sep 20, 2001

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Kurzfassung

Methan ist nach Kohlendioxid und Wasserdampf das drittwichtigste Treibhausgas. Der untertägige Steinkohlenbergbau wird begleitet von der Freisetzung großer Mengen methanreichen Grubengases. Während die über Wetterschächte freigesetzten Methanmengen bekannt sind, existieren nur wenige Informationen zum Umfang dieser klimarelevanten Emissionen über die Erdoberfläche in die Atmosphäre. Auf einigen Agrarflächen im Ruhrbecken werden seit über 30 Jahren entzündbare Grubengasaustritte beobachtet. Dieses Phänomen ist ausschließlich auf die Regionen des Steinkohlebergbaues beschränkt und deutet auf einen kausalen Zusammenhang zwischen Untertagebergbau und Oberflächenemissionen hin. Die Klärung dieser Frage war eines der Ziele der vorliegenden Studie. Dazu wurden mit Hilfe von Einschlusskammern die Austauschraten von Methan an der Grenze Erdoberfläche/Atmosphäre gemessen. Methanemissionen traten nicht nur innerhalb der Bergbauflächen auf, sondern wurden erstmals auch außerhalb der Bergbauregionen entlang natürlicher Abschiebungen registriert. Die Methanfreisetzung an diesen Störungen korreliert negativ mit dem Atmosphärendruck. Zusätzlich wurden Gaspermeabilitäten für verschiedene Gesteine aus hydrodynamischen Daten berechnet. Sie erlauben, die Bandbreite der in verschiedenen Gesteinen möglichen Methanausgasungsraten zu bestimmen. Die gute Übereinstimmung einiger der beobachteten Emissionsraten mit diesen theoretischen Werten erlaubt, einen Teil der Emissionspunkte durch das Auftreten natürlicher Prozesse zu erklären. Die Mehrheit der gemessenen Ausgasungen ist jedoch nur als bergbauinduziert zu deuten. Dies geht auf eine Steigerung der Gesteinspermeabilitäten zurück.

Abstract

Methane represents, after carbon dioxide and water vapour, the third-most important greenhouse gas. Underground coal mining is associated with the release of substantial quantities of coal bed methane (“firedamp”). While the quantities of methane released from mine shafts are well known, little information is available about the extent of direct firedamp emissions across the earth’s surface. On some farm lands of the Ruhr Basin (NW Germany) inflammable firedamp escapes have been reported to persist for more than 30 years. These incidents are restricted to bituminous coal mining areas and may indicate a causal link between underground coal panels and firedamp surface emissions. To investigate this issue, a study was initiated in which the emission and consumption rates for methane at the lithosphere/atmosphere boundary were measured using flux chambers. Methane emissions were investigated not only inside coal mining regions, but for the first time also outside the area of mining activities alongside natural normal faults. The methane release at these faults was found to be negatively correlated to atmospheric pressure. Furthermore, gas permeabilities for different rock units were calculated from hydraulic conductivities of these rocks and from fluid characteristics. With these data the range of potential methane emission rates through different rock units can be estimated. Comparison of these theoretical emission rates with those observed suggests indeed uniquely natural emissions to occur at some of the locations. Most of the observed emissions, however, can only be explained by underground coal mining increasing the rock permeabilities.

Keywords

bituminous coalcoal fieldsminingcoalbed methaneemissionhuman activityjointsfracture zonespermeabilityrocktype North Rhine-WestphaliaRhine Westphalian BasinRuhr