Seit Jahren wird die Herkunft des in einigen privaten Brunnen in Schiefergasregionen der USA aufgetretenen Methans diskutiert. Hierfür könnte es verschiedene Ursachen geben, so zum Beispiel 1) natürlich entstandenes Methan (in situ, z.B. in Torf- und/oder Sumpfregionen), 2) natürliche Migration des Methans aus dem tiefen Untergrund über einen geologischen Zeitraum hinweg, 3) durch Fracking hervorgerufene Methanmigration oder 4) durch Leckagen in den Schiefergasbohrungen. Mithilfe von Edelgas-Isotopen-Untersuchungen in Grundwasser konnten Darrah et al (2014) in einer neuen Studie nun zeigen, dass bei den untersuchten Bohrungen eine mangelnde Bohrlochintegrität für die beobachtete Methanbelastung verantwortlich war. Ziel der Untersuchungen war die Identifikation der Quellen und Mechanismen der Verunreinigung zur Verbesserung der Umweltverträglichkeit und der wirtschaftlichen Nachhaltigkeit bei der Gewinnung von Schiefergas.

Die untersuchten Brunnen für die private Grundwasserversorgung befinden sich im Marcellus-Gebiet (113 Proben) in einer Tiefe von 35-90 m (die Marcellus-Formation befindet sich in 800-2.200 m im Untergrund) und im Barnett-Gebiet (20 Proben) in einer Tiefe von 60-75 m (die Barnett-Formation befindet sich in 1.950-2.500 m im Untergrund). Für ihre Untersuchungen wählten Darrah et al (2014) Brunnen, die weit entfernt von den Bohrungen lagen und sich in Gebieten befanden, die für ihre Verunreinigung durch Methan bekannt sind.

Die Ergebnisse legten zwei Mechanismen offen, die das Vorhandensein von Methan im Grundwasser erklären:

Natürliche Migration von Methan:

• Neben Methan (CH₄) treten in Grundwasserproben in einer Entfernung von >1 km von Schiefergasbohrungen erhöhte Konzentrationen natürlicher Komponenten der Sole (z.B. Cl^- und ⁴He) auf;
• Edelgaszusammensetzungen aus Grundwasser innerhalb 1 km und teilweise außerhalb des 1 km Radius von Bohrungen haben eine ähnliche diagnostischer Edelgaszusammensetzung (CH₄/³⁶Ar bei oder unterhalb der CH₄ Sättigung).

Diese Daten lassen auf salz- und gasreiches Grundwasser schließen, das über einen längeren geologischen Zeitraum hinweg aus einer tiefen gasreichen Sole entstand (natürliche Migration). Einfacher ausgedrückt bedeutet das, dass viele Bohrungen (in einer Entfernung von >1 km und <1 km von Gasbohrungen) einen hohen Methangehalt, aber außerdem auch einen erhöhten Anteil an natürlichen Komponenten in der aus der Erdkruste stammenden Sole aufweisen (Cl^- und ⁴He). Daraus lässt sich schließen, dass tiefergelegene Formationen das oberflächennahe Grundwasser im Laufe der Zeit beeinflusst haben.

Aufgetretene Anomalien bei den Proben:

• Eine Probenuntergruppe (<1 km) zeigte signifikant erhöhte Konzentrationen thermogener Gase und anderer Kohlenwasserstoffe relativ zu den Edelgasen (z.B. hohe Verhältnisse CH₄/³⁶Ar und ⁴He/²⁰Ne) und eine fehlende Korrelation mit Cl^-.

Diese Daten deuten darauf hin, dass sich ein thermogenes Kohlenwasserstoffgas von dem Gemisch aus Grundwasser und meteorischem Wasser gelöst hat und aufgrund der beeinträchtigten Bohrlochintegrität in die Gasphase übergegangen ist (flüchtiges Gas).

Mit dieser umfassenden geochemischen Untersuchung der Herkunft von Methan in Grundwasser waren die Autoren in der Lage, die direkte Aufwärtsmigration von Gasen durch überliegende Schichten als Folge von Fracking auszuschließen. Darrah et al (2014) erklären dies mit der fehlenden Fraktionierung der diagnostischen Gas/Isotop-Verhältnisse, die während einer Migration durch die wassergesättigte Erdkruste auftreten müsste.

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