Recent Intraplate Earthquakes in Northwest Germany – Glacial Isostatic Adjustment and/or a Consequence of Hydrocarbon Production? Von der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover zur Erlangung des Grades DOKTOR DER NATURWISSENSCHAFTEN Dr. rer. nat. genehmigte Dissertation von M. Sc. Philipp Uta 2017 Referentin: Prof. Dr. rer. nat. Jutta Winsemann Korreferent: Prof. Dr. rer. nat. Manfred Joswig Tag der Promotion: 20.06.2017 Zufall ist ein Wort ohne Sinn. Nichts kann ohne Ursache existieren. Voltaire Für Madlen und meine Familie ABSTRACT Though northern Germany is regarded as a low-seismicity area, the region was affected by 77 st earthquakes with magnitudes between 0.5 and 4.3 ML within the time period of January, 1 1993 to December, 31st 2016. The aim of this thesis is to analyse trigger mechanisms for the recent earthquakes in NW Germany in order to better differentiate between potential anthropogenic and natural tectonic drivers. Possible trigger mechanisms are stress changes related to either the extraction of natural gas and/or processes of the ongoing glacial isostatic adjustment. This study is divided into three major parts; (i) seismological analyses; (ii) geological 3-D subsurface modeling and (iii) numerical simulations of the glacial isostatic adjustment. In a novel approach, two differently scaled 3-D P-wave-velocity models were used in NonLinLoc to relocate earthquakes. The vast majority of epicenters is located in the vicinity of hydrocarbon fields in northern Germany. Their focal depths are in a range of 3.5 to 9 km. Five earthquakes show hypocenter depths of more than 13 km and four of them are located far away from hydrocarbon fields. Fault plane solutions derived for 16 significant events trend mainly NW-SE, NNW-SSE or roughly N-S. With just three exceptions, all of the focal mechanisms indicate normal fault movement. Based on the hypocenter locations in combination with the geological 3-D models, earthquakes in the vicinity of active hydrocarbon fields were most probably caused by movements along major Permian rift-related faults, which today are located below the base Zechstein. These faults mainly trend NW-SE, NNW-SSE, roughly N-S and in some cases WNW-ESE. Altogether, 25 potential seismogenic faults were identified that are characterized by normal fault movements. The GIA simulations were carried out by Holger Steffen (Landmäteriet, Gävle, Sweden) for a compressive and an extensional stress field. In a compressive stress regime, each fault location in the study area indicates the possibility of fault movement due to stress changes, which are induced by the deglaciation of the Weichselian ice sheet up to the present day. For an extensional stress regime, models with 1-D and 3-D viscosity structures as well as varying lithosphere thicknesses between 70 km and 90 km show stable fault conditions at present day. Only models with lithosphere thicknesses of 120 km or 140 km indicate the potential of fault movements due to GIA-induced stress perturbations at present day. Most of the seismic events in NW Germany, which are ranging in depths between 5 and 9 km are concentrated along the Rotliegend rift normal faults in close proximity to the natural gas fields. Due to their spatio-temporal occurrence and their similarities to other anthropogenic seismicity all over the world, they are most likely caused by gas extraction and reservoir depletion. Driving forces for slightly stronger earthquakes (ML ≥ 4.0) of greater depth seem to be more complex. The Rotenburg mainshock from 2004 is possibly related to an interaction between major GIA-induced stress changes and a minor depletion triggered component. Controlling factors for the deep earthquakes in northern Germany are difficult to derive. However, the results clearly indicate that also GIA-induced stress changes as a result of the melting of the Late Pleistocene ice sheet play a role in case of fault reactivation in the study area. Key words: Earthquakes, NW Germany, induced seismicity v KURZZUSAMMENFASSUNG In den letzten 25 Jahren traten in Norddeutschland 77 seismische Ereignisse mit einer Magnitude zwischen 0.5 und 4.3 ML auf, obwohl die ganze Region als eher aseismisch betrachtet wird. Die Lage der Epizentren in der unmittelbaren Umgebung zu den Erdgasfeldern zwischen Cloppenburg im Westen und Salzwedel im Osten legten den Schluss nahe, dass die meisten von ihnen anthropogen entstanden sind. Eine geringe Anzahl an historisch überlieferten Ereignissen und einige sehr tiefe, rezente Erdbeben deuten jedoch auch auf einen natürlichen Auslöser hin. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die seismischen Ereignisse auf Grundlage ihrer Auslösemechanismen zu charakterisieren und voneinander unterscheiden zu können. Zu den wahrscheinlichsten Ursachen die rezenten Ereignisse zählen Spannungsfeldänderungen im Untergrund. Zum einen aufgrund der Entleerung von Gasreservoiren durch Extraktion und/oder zum anderen durch anhaltende glazial-isostatische Ausgleichbewegungen. Die Arbeit setzt sich aus drei wesentlichen Teilen zusammen: (I) seismologischen Analysen, (II) geologischen 3-D Untergrundmodellierungen und (III) der numerischen Simulation der glazial-isostatischen Ausgleichsbewegungen. In einem neuartigen Ansatz mit zwei unterschiedlich groß skalierten 3-D P-Wellengeschwindigkeitsmodellen wurden die seismischen Ereignisse mit NonLinLoc relokalisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die meisten seismischen Ereignisse in Tiefen zwischen 3,5 km und 9 km in unmittelbarer Nähe zu den Erdgasfeldern liegen. Nur fünf Erdbeben wurden in größeren Tiefen (> 13 km) relokalisiert. Die meisten berechneten Herdmechanismen zeigen Abschiebungskinematiken mit zumeist NW-SO, NNW-SSO und zum Teil N-S streichenden Störungsflächen. Durch die Verknüpfung der relokalisierten seismischen Ereignisse mit den Untergrundstrukturen konnten die permischen Störungen des Rotliegend Rift als möglicher Ursprung der Seismizität in Norddeutschland identifiziert werden. Die 25 potentiell seismogen aktiven Störungen streichen zumeist NW-SO, NNW-SSO oder N-S und vereinzelt WNW-OSO. Die Ergebnisse der numerischen GIA-Simulation über die finite Elementmethode von ABACUS© (durchgeführt von Holger Steffen, Landmäteriet, Gävle, Schweden) zeigen, dass parallel zum ehemaligen Eisrand orientierte Störungen (etwa WNW-OSO, als optimal orientiert bezeichnet) in einem kompressiven Spannungsfeld durch die glazial-isostatischen Ausgleichsbewegungen bis in die heutige Zeit reaktiviert werden können. Für ein extensionales Spannungsfeld zeigt sich jedoch, dass alle Störungen, die mit den Modellen der geringmächtigeren Lithosphäre getestet wurden (70 km und 90 km) in der heutigen Zeit stabil sind. Die Modelle mit den Lithosphärenmächtigkeiten von 120 km und 140 km deuten darauf hin, dass Bewegungen entlang von parallel zum ehemaligen Eisrand verlaufenden Störungen bis in die heutige Zeit möglich sind. Die charakteristischen Merkmale anthropogen induzierter Seismizität, insbesondere die räumlich-zeitliche Definition, lassen sich auf fast alle seismischen Ereignisse Norddeutschlands anwenden. Die flachen seismischen Ereignisse mit Magnituden ML ≤ 3.9, die in unmittelbarer Nähe zu den Erdgasfeldern liegen, konzentrieren sich entlang von Störungen mit einer Abschiebungskinematik des permischen Rotliegend Riftsystems. Diese NNW-SSO oder N-S streichenden Störungen sind nicht optimal orientiert, um ein erhöhtes Reaktivierungspotential durch die glazial-isostatischen Ausgleichsbewegungen zu erhalten. Aus diesen Gründen wird für die schwachen Ereignisse in Norddeutschland die Erdgasförderung als höchstwahrscheinlichster Auslösemechanismus angenommen. Leicht stärkere Ereignisse (ML ≥ 4.0) aus größeren Tiefen, wie zum Beispiel das Rotenburg Beben von 2004 haben vermutlich einen komplexeren Auslösemechanismus. Die Störungen, an denen diese Ereignisse liegen sind für die induzierten Spannungen, der glazial-isostatischen Ausgleichsbewegungen nicht optimal orientiert. Spannungsänderungen, die die Störung nahe an das Bruchkriterium bringen, sind möglich. Neben den glazial-isostatischen Ausgleichsbewegungen könnte auch eine geringe Druckabsenkung in einem sehr nahe gelegenen Reservoir ausreichen, um eine Bewegung an der vermutet seismogen aktiven Störung auszulösen. Der Ursprung der fünf tiefen Erdbeben ist schwierig zu bestimmen, da sehr wenige Daten über die Untergrundgegebenheiten vorliegen. Allerdings bilden die Spannungsänderungen, hervorgerufen durch die glazial-isostatischen Ausgleichsbewegungen, einen möglichen Mechanismus, um diese tiefen Erdbeben auszulösen. Weitere Untersuchungen sind jedoch erforderlich. Schlagwörter: Erdbeben, NW Deutschland, induzierte Seismizität vi CONTENT ABSTRACT ................................................................................................................... v KURZZUSAMMENFASSUNG ...................................................................................... vi 1. INTRODUCTION .................................................................................................... 10 2. GEOLOGICAL SETTING ....................................................................................... 13 2.1 The Central European Basin System .............................................................. 13 2.2 State-of-the-art seismicity in NW Germany ..................................................... 17 3. HYDROCARBON FIELDS IN NW GERMANY........................................................ 20 4. PLEISTOCENE GLACIATIONS IN NW GERMANY AND THE GLACIAL ISOSTATIC