Auf der Jagd nach Industriesole, eine Fülle von Dolinen

Apr 02, 2023

Oben: Im Jahr 2008 tauchten an verschiedenen Solebrunnenstandorten in New Mexico zwei große Dolinen auf. Visuell: Mit freundlicher Genehmigung von Lewis Land, National Cave and Karst Research Institute

An einem Julimorgen im Jahr 2008 begann sich der Boden im Südosten von New Mexico zu bewegen und zu knacken, wodurch eine riesige Staubwolke in die Luft schoss. Innerhalb weniger Minuten entstand ein riesiges Erdloch, das schließlich eine Tiefe von etwa 120 Fuß und einen Durchmesser von 400 Fuß erreichte.

„Damals war es eine unglückliche Situation, aber die meisten Leute hielten es für einen Einzelfall“, sagt Jim Griswold, Sonderprojektmanager bei der Abteilung für Energie, Mineralien und natürliche Ressourcen von New Mexico. Doch ein paar Monate später, im November, strömte erneut Staub in den Himmel, als sich ein weiteres Erdloch ähnlicher Größe öffnete und eine nahegelegene Straße riss.

Beide Löcher – und später ein drittes in Texas – entstanden an der Stelle von Solebrunnen, Industriebrunnen, durch die Süßwasser in eine unterirdische Salzschicht gepumpt wird. Das Süßwasser vermischt sich mit dem Salz und es entsteht Sole, die für industrielle Zwecke an die Oberfläche gefördert wird; in diesem Fall Ölbohrungen. Nachdem das zweite Erdloch aufgetaucht war, gab ihm Griswolds Abteilungsleiter eine neue Aufgabe: Die Stabilität der 30 anderen Solebrunnen des Staates zu charakterisieren und darüber zu berichten, wo die nächste Krise entstehen könnte.

Was er herausgefunden hat, hat im letzten Jahrzehnt nahezu ständig Anlass zur Sorge gegeben. Während sich die ersten beiden Dolinen in abgelegenen Gebieten öffneten, könnte die nächste, wie Griswold herausfand, den südlichen Rand von Carlsbad treffen: eine Stadt mit 30.000 Einwohnern.

Durch die Aufgabe des Brunnens, das Salz aufzulösen und an die Oberfläche zu ziehen, war an dieser Stelle ein Hohlraum entstanden, der breiter als hoch war, eine Situation, die den darüber liegenden Boden destabilisierte. Und dieser besondere Brunnen befand sich in der Nähe von zwei Autobahnen, einer Eisenbahnlinie, einem Bewässerungskanal, einem Wohnmobilpark, einer Kirche, einem Futtermittellager und mehreren Tankstellen. Sollte sich ein ähnlich großes Erdloch öffnen, könnte dies Leben gefährden, den Straßen- und Schienenverkehr zum Erliegen bringen und das Grundwasser mit Benzin aus kaputten Rohren und Lagertanks oder Salzwasser aus dem Brunnen verunreinigen.

Staatsbeamte haben darum gekämpft, dieses Schicksal abzuwenden, aber es hat ein Jahrzehnt gedauert, das Problem zu erforschen und Mittel zu finden, um es zu beheben. (Der Eigentümer des Bohrlochs, I&W Inc., meldete 2010 Insolvenz an, und die Beamten gehen seinen potenziellen Verbindlichkeiten nicht nach.) Letztes Jahr fügten sich die Teile endlich zusammen und eine beispiellose Sanierungsmaßnahme begann. Aber die Arbeit enthüllte unterirdische Geheimnisse: Die Größe und Form des Hohlraums entspricht nicht den früheren Studien, und das bedeutet, dass die Sanierung kostspieliger sein wird. Niemand weiß, wie lange es dauern wird, bis der Boden nachgibt.

Die landesweite Untersuchung von Solebrunnen in New Mexico bot Wissenschaftlern die seltene Chance, ein Gebiet zu identifizieren, in dem die Gefahr eines drohenden Zusammenbruchs besteht. Die meisten anderen Teile des Landes wurden nicht so genau untersucht, obwohl auch dort Risiken bestehen. Ungefähr 35 Prozent der Fläche der Vereinigten Staaten sind von Karst bedeckt, einer Landschaft, die durch ein Netz von Dolinen und Höhlen gekennzeichnet ist, die entstehen, wenn Grundwasser – oder die darin enthaltenen Chemikalien – die geologischen Schichten unter der Oberfläche auflöst. Bundesstaaten und Bundesregierung verfolgen die Schäden nicht, was es schwierig macht, Häufigkeit und Kosten von Dolinen genau zu bestimmen. Dennoch schätzte das National Cave and Karst Research Institute, eine staatlich unterstützte gemeinnützige Organisation mit Sitz in Carlsbad, den durch Erdfälle verursachten Schaden vorsichtig auf mehr als 300 Millionen US-Dollar pro Jahr.

Carlsbad ist ein extremes und vollständig vom Menschen verursachtes Beispiel für die potenzielle Gefahr von Dolinen und dafür, wie schwierig – und kostspielig – sie zu verhindern oder zu mildern sind.

Jede Menge menschlicher Aktivitäten können den unterirdischen Karst zerstören, erklärt Jim Goodbar, der 38 Jahre lang als Karstexperte für das US Bureau of Land Management (BLM) arbeitete. Regenrinnen und Abflussgräben auf Autobahnen können das Wasser immer wieder an eine Stelle leiten und es schließlich durch die Erdoberfläche abtragen und in darunter liegende Hohlräume öffnen. Und das Pumpen großer Mengen Grundwasser kann den Grundwasserspiegel stören, was wiederum den Karst destabilisiert.

Florida gilt als der am stärksten betroffene US-Bundesstaat, aber auch Texas, Alabama, Missouri, Kentucky, Tennessee und Pennsylvania sind von Erdfällen betroffen. Im Jahr 2019 entdeckten Wissenschaftler mithilfe von Luftaufnahmen eine Ansammlung von 19 riesigen Dolinen, die meisten davon mehr als 35 Millionen Kubikfuß groß, im Süden Chinas, die wahrscheinlich durch unterirdische Flüsse im Karstsystem entstanden sind, in dem sie entstanden sind.

Die großen Ereignisse sorgen für Schlagzeilen, aber kleinere Senkungen, bei denen der Boden langsam ins Leere sinkt, sind ein häufigeres, beständigeres und übersehenes Problem. Als Goodbar bei der BLM war, erinnert er sich, dass er ein oder zwei Anrufe pro Jahr wegen Dolinen in Straßen oder in der Nähe von Pipelines erhielt, durch die Wasser geleitet wurde, bis der Boden nachgab.

„Es ist eine stille Katastrophe, die wir einfach nicht alle auf einmal an einem Ort treffen können“, sagt George Veni, Geschäftsführer des National Cave and Karst Research Institute und Mitglied der staatlich geführten Gruppe, die die Solequelle überwacht.

Carlsbad liegt am Rande des Perm-Beckens, einer unterirdischen geologischen Formation, die sich vom Südosten von New Mexico bis nach West-Texas erstreckt und 2019 mehr als 35 Prozent der inländischen Ölproduktion der USA ausmachte. Die umliegende Wüste ist gesäumt von Reihen von Pumpjacks und dem gelegentlicher weißer Turm einer Bohrinsel. Die Straßen von Carlsbad sind wie die in Lubbock, Midland und Odessa, Texas, überfüllt mit Hilfsbetrieben, die diese Industrie mit Wasser, Sand, Chemikalien und Ausrüstung versorgen.

Brine ist eines dieser Unternehmen. Beim Bohren eines Bohrlochs ist eine Flüssigkeit erforderlich, die typischerweise aus Wasser und chemischen Zusätzen besteht, um den Bohrer zu schmieren. Doch im Perm liegt zwischen der Erdoberfläche und den gewünschten fossilen Brennstoffreserven eine Salzschicht, die sogenannte Salado-Formation. Anstatt in einer Linie mit der Bohrkrone zu bleiben, dringt Wasser in das Salz ein – es sei denn, das Wasser ist bereits salzig. Solebrunnen in der Region tragen daher dazu bei, den Bedarf der örtlichen Öl- und Gasindustrie zu decken.

Seit Tausenden von Jahren wird Salz durch Brunnen abgebaut – einer Quelle zufolge wurde der erste dokumentierte Solebrunnen vor mehr als 2.200 Jahren in China gebohrt – und dies wird immer noch an Tausenden von Standorten auf der ganzen Welt getan. In den USA listet die Environmental Protection Agency 165 zugelassene „Solution Mining“-Standorte mit etwa 18.500 in Betrieb befindlichen Bohrlöchern auf, von denen die meisten Uran fördern.

„Wenn man eine solche Solebohrung durchführt, löst man das Salz heraus und schafft eine künstliche Höhle im Untergrund, die instabil werden könnte“, sagt Lewis Land, Hydrogeologe bei National Cave and Karst Research Institut, das einige der ersten geophysikalischen Untersuchungen an der Solequelle in der Nähe von Carlsbad durchführte. „Überall, wo man im Untergrund Salz findet, findet man fast zwangsläufig auch Solebrunnen.“

Dies ist jenseits des Perm-Beckens der Fall. Im Jahr 2012 drang ein Salzstock in Louisiana, bei dem Salzlake abgebaut wurde, bis in den darüber liegenden Bayou durch, saugte Wasser und Zypressenbäume auf und breitete sich schnell aus, sodass 36 Hektar betroffen waren und 350 Menschen jahrelang gezwungen waren, ihre Häuser zu evakuieren.

Betreiber fügen oft eine Schicht Öl oder Dieselkraftstoff hinzu, die auf dem Salzwasser schwimmt und den Boden puffert und verhindert, dass er sich auflöst, sagt Land. Auf diese Weise, sagt er, „ist es weniger wahrscheinlich, dass es zusammenbricht. Diese Methode wird in New Mexico nicht praktiziert.“

Im März 2009 trafen sich Aufsichtsbehörden, technische Experten und Industrievertreter in Santa Fe und stimmten Griswolds Schlussfolgerung zu: Das I&W-Bohr würde wahrscheinlich einstürzen. Im Juni desselben Jahres installierte der Staat ein Frühwarnsystem. Auf der Autobahn kommen Autofahrer an einem gelb-schwarzen Schild vorbei, das darauf hinweist, dass auf der Straße vor ihnen „Erfallgefahr“ besteht. Sensoren vor Ort, die das Gelände überwachen, sind empfindlich genug, um entfernte Erdbeben, den örtlichen Berufsverkehr und hoffentlich auch in den Hohlraum fallende Steine ​​zu registrieren. Das sollte stundenlang im Voraus erfolgen, um den Verkehr auf den Autobahnen zu stoppen und das Gebiet zu evakuieren.

„Ich kenne Leute, die mir gesagt haben, dass sie diesen Abschnitt der Autobahn nicht entlangfahren werden, aus Angst, dass sie plötzlich im Weltraum sind und in ein großes Loch im Boden fallen“, sagt Veni. „Ich denke, die Wahrscheinlichkeit dafür ist unglaublich gering.“

Sollte es einstürzen, würden die Kosten für die Wiederauffüllung des Lochs und die Reparatur der Straßen, der Eisenbahnlinie und der Unternehmen sowie die entgangenen Geschäfte, den Güterverkehr, die vom Bewässerungskanal gelieferten Ernten, den Tourismus in die nahegelegenen Nationalparks Carlsbad Caverns und Guadalupe Mountains usw. anfallen Die Steuereinnahmen könnten sich auf eine Milliarde US-Dollar belaufen. Vor Beginn der Sanierungsarbeiten deuteten geophysikalische Daten darauf hin, dass der Boden bereits im Jahr 2021 versagen könnte.

„Es ist eine stille Katastrophe, die wir einfach nicht alle auf einmal an einem Ort treffen können“, sagt Veni.

In den letzten 12 Jahren hat die Forschung daran gearbeitet, zu veranschaulichen, was nicht sichtbar ist: die Größe und Form des Hohlraums selbst. Eine Formel korreliert, wie viel Wasser durch einen Solebrunnen gepumpt wurde, mit dem Volumen des unterirdischen Hohlraums, sagt aber wenig darüber aus, ob sich dieses Volumen in einem weiten, flachen Raum verteilt, der im Falle eines Einsturzes nur zu einem Durchhängen des Bodens führen könnte oder in einem höheren Hohlraum, der die Autobahn und den Bewässerungskanal verschlucken würde.

Auf der Suche nach Antworten hat der Staat Sonar-, seismische und elektrische Widerstandsstudien durchgeführt. Wahrscheinlich handelt es sich um eine mit Schutt übersäte Kammer, von der ein Großteil die cremefarbene Farbe der Salado-Formation hat, der ausgetrocknete Fußabdruck eines alten Binnenmeeres. Einige der Steine ​​könnten sich zu Säulen und einem Gewirr von Ecken aufgetürmt haben. Fernerkundungsstudien schätzten, dass der Haupthohlraum etwa 350 Fuß breit, 700 Fuß lang und an seiner Spitze 150 Fuß hoch war.

Kurz nachdem Griswold die Instabilität erkannte, wurde der Brunnen mit Sole vollgepumpt und mit Zement und Gusseisen verschlossen. Diese Sole hat die Höhlendecke hochgehalten. Aber die Oberfläche sank messbar ab, als ein kleiner Prozentsatz der Sole ausfloss, und verschob sich jeden Sommer, wenn Wasser in den angrenzenden Bewässerungskanal tropfte. Selbst in natürlichen Karstsystemen können Veränderungen im umgebenden Grundwasser den Druck verändern, der zur Stabilisierung des Systems beiträgt. Der Boden kann eine Zeit lang schwanken, aber wie lange, weiß niemand genau.

„Die Uhr tickt, aber man weiß nicht, worauf die Uhr eingestellt ist“, sagt Veni.

Dennoch nehmen einige Einheimische die Dinge gelassen hin. „Vielleicht wäre es anders, wenn es ein dauerhaftes Haus wäre“, sagt Charlie Kiser, der mit seiner Frau aus Oklahoma zog, um auf den Ölfeldern des Perm zu arbeiten, und eine Zeit lang in einem Sattelschlepper lebte, der in Sichtweite der Sanierungsarbeiten geparkt war. „Aber wenn dieses Ding reinfällt“, sagt er und zeigt auf das Wohnmobil, „habe ich eine Versicherung. Ich werde es einfach als ein Zeichen Gottes betrachten, in den Ruhestand zu gehen.“

Als I&W, das das Bohrloch 30 Jahre lang betrieb, gezwungen wurde, für die Reparatur aufzukommen, meldete das Unternehmen Insolvenz an. Die liquidierten Vermögenswerte brachten 3 Millionen US-Dollar ein, ein kleiner Teil der Rechnung, der mittlerweile auf über 54 Millionen US-Dollar geschätzt wird, Tendenz steigend. Aber die Idee, eine unsichtbare, unbestimmte, potenzielle Katastrophe zu beheben, entstand inmitten des sehr realen Drucks des Wirtschaftsabschwungs von 2008, als Gesetzgeber, die darum kämpften, eine Haushaltslücke zu schließen, den Sanierungsfonds des Staates plünderten. Es dauerte ein Jahrzehnt, bis sie Geld fanden, um die Aufgabe in Angriff zu nehmen.

Griswold, dessen Vollzeitjob sich nun auf die Sanierung des Solebrunnens konzentriert, war bereits auf der Suche nach jemandem, der die Arbeit übernehmen würde. Im Jahr 2017 traf sich zufällig in Albuquerque eine globale Konferenz von „Solution Miners“, die sich auf den Abbau von Materialien durch deren Auflösung spezialisiert haben, und er stellte das Problem vor und lud zu Lösungen ein. Die staatliche Gruppe, die die Sanierungsarbeiten überwachte, entschied sich für den ihrer Meinung nach erfolgversprechendsten Plan: Sie würden in den Hohlraum bohren und die Sole abpumpen und gleichzeitig den Hohlraum mit Mörtel, einer Mischung aus Zement, Ton und Wasser, füllen . Die Arbeitnehmer müssten darauf achten, das System nicht zu destabilisieren. Andernfalls würde die gesamte Struktur zusammenbrechen.

„Ich stelle mir vor, es wäre so, als würde man beim Joggen versuchen, die Schnürsenkel zu binden“, sagt Land vom National Cave and Karst Research Institute. „Natürlich ist das machbar, und genau das macht auch das Ingenieurbüro, das den Zuschlag dafür bekommen hat, aber es ist eine heikle Aufgabe.“

Seit letztem September herrscht reges Treiben. Ursprünglich bestand das Ziel darin, im vergangenen Sommer fertig zu sein, aber die Öffnung des Bohrlochs für Arbeiten bot die Chance, neue Daten über seine Dimensionen zu sammeln. Der südliche Teil war stabiler als erwartet und füllte sich schnell. Dadurch wurde das Gebiet in der Nähe des Wohnmobilparks und des Bewässerungskanals gesichert. Doch das nördliche Ende, das zum Teil unter dem Highway 285 liegt, erwies sich als größer als erwartet.

Die Kosten für zusätzliche Zementmischung würden den Staatshaushalt sprengen, sagt Veni. „Also fingen sie an, Sand einzuspritzen.“

„Die Uhr tickt, aber man weiß nicht, worauf die Uhr eingestellt ist“, sagt Veni.

Dann schluckte der Hohlraum die Sandmenge, die er voraussichtlich zu 70 Prozent füllen würde, blieb aber nur zu 20 Prozent gefüllt. Sonar deutet darauf hin, dass zwei Drittel des Sandes durch einen früheren inneren Einsturz zu Schutt geworden sind, anstatt die Lücke zu füllen. „Dafür wird eine Menge Sand benötigt“, sagt Veni – mehr, als der aktuelle Staatshaushalt decken kann.

Das sei typisch, sagt Randall Orndorff, Karstspezialist beim US Geological Survey, selbst in den vielen Fällen, in denen sich kleinere Dolinen öffnen und die Arbeit ein sichtbares Loch füllt.

„Ohne sehen zu können, was sich unter der Erde befindet, kommen sie oft hinein und sagen: ‚Okay, wir können das verfugen‘, und sie graben den gesamten Boden rund um das Erdloch bis zum Grundgestein aus.“ „Dann fangen sie an, den Betonmörtel in das Loch zu werfen“, sagt er. „In einigen Fällen handelt es sich um riesige, riesige Höhlen, und am Ende wird es zu teuer und sie können es nicht machen.“

Die Arbeiten wurden kurz vor dem Memorial Day unterbrochen und ein Sonar durchgeführt, um festzustellen, wie viel Sand möglicherweise noch benötigt wird. Die Arbeiten wurden wieder aufgenommen und Ende Juli erneut ausgesetzt, während der Staat nach Fördermitteln sucht.

Während der Injektion kosten die Bemühungen mehr als 3 Millionen US-Dollar pro Monat, sagte Griswold während eines Treffens im September 2019, und wie im Jahr 2009 hat der Staat mit knappen Finanzen zu kämpfen. Steuern und Lizenzgebühren der Öl- und Gasindustrie machen bis zu 40 Prozent der allgemeinen Fondseinnahmen von New Mexico aus, und der Gesetzgeber musste die Ausgaben kürzen, nachdem die Ölpreise in diesem Frühjahr beispiellose Tiefststände erreicht hatten.

Sarah Cottrell Propst, die die Abteilung für Energie, Mineralien und natürliche Ressourcen des Staates leitet, sagte während eines virtuellen Treffens der Carlsbad Brine Well Remediation Authority im Juli, dass eine Möglichkeit darin bestehe, ausstehende Kongressfinanzierungen für die Rückgewinnung einiger der geschätzten 2,1 Millionen verlassenen Gebiete des Landes zu beantragen Öl- und Gasquellen. Dies ist, wie sie es ausdrückte, „die Mutter aller Sanierungsprojekte“.

Sollte der Boden irgendwann zwischen jetzt und dem Abschluss der Arbeiten nachgeben, könnte er immer noch zu einem Erdloch führen, wenn auch wahrscheinlich kleiner als vor einem Jahr, nachdem der südliche Teil verfüllt ist, sagt Veni. Diese Arbeit hat möglicherweise auch den Zeitplan für den Zusammenbruch auf das nächste Jahr verschoben.

Aber „es gibt keine Garantie“, sagt Griswold. „Wir müssen diese Sache zu Ende bringen.“