Geotechnischer Experte sagt, dass einer von vier internationalen Staudammbrüchen auf Erdbeben zurückzuführen ist

Wussten Sie, dass das US National Earthquake Information Center jedes Jahr die Messungen von 20.000 Erdbeben auf der ganzen Welt protokolliert – ungefähr 55 pro Tag?

Eine Sorge, die die meisten Menschen vielleicht nicht sofort in Betracht ziehen, sind die Auswirkungen auf Abraumdämme, die zu den größten technischen Bauwerken der Erde gehören und dazu bestimmt sind, die Nebenprodukte des Bergbaubetriebs zu speichern.

Australien wird etwa alle sechs Monate von einem Erdbeben der Stärke fünf oder mehr heimgesucht – was ausreicht, um einen Damm für Abraumhalden erheblich zu beschädigen.

„Australiens Erdbeben sind Intraplatten, was bedeutet, dass sie an Orten abseits der Kontinentalplattenränder auftreten, wie die Erdbeben in Japan und Kalifornien“, sagt Adrian Russell, Professor für Geotechnik und Future Fellow des Australian Research Council an der School of Civil and der UNSW Umwelttechnik.

Erst letzten Monat wurden Teile Südaustraliens von dem größten Erdbeben erschüttert, das der Staat seit neun Jahren erlebt hat, als in der Region Flinders ein Beben der Stärke 4,8 registriert wurde. Im Jahr 2021 wurde Melbourne von einem Erdbeben in Port Phillip Bay erschüttert, wobei Nachbeben bis nach Sydney zu spüren waren.

Tailings-Dämme können vom Versagen bedroht sein

Wenn ein Erdbeben auftritt, ist das Risiko für Tailings-Lagerstätten (TSF), die oft als Tailings-Dämme bezeichnet werden, möglicherweise nicht im Vordergrund.

Tailings Dams sind teilweise kilometerlange Staudämme, die zur Aufnahme und Lagerung von Tailings gebaut wurden, die Nebenprodukte des Bergbaubetriebs nach der Verarbeitung des abgebauten Erzes sind. Die hinter den Böschungen enthaltenen Abraumhalden bestehen meist aus gemahlenem Gestein, Metallen und sogar giftigen und radioaktiven Chemikalien.

Prof. Russell sagt, dass leider 25 % der globalen Tailings-Dammausfälle auf ein Erdbeben zurückzuführen sind.

„Eine der Hauptprioritäten der Mineralgewinnungs- und Bergbauindustrie ist es, die Anzahl katastrophaler Ausfälle von Abraumdämmen zu reduzieren“, sagt er.

„Wenn der Abraumdamm versagt, ist das katastrophal. Die Menge an Schäden, die er der Umwelt zufügen kann, ist undenkbar – ganz zu schweigen von dem Risiko, das er für die Zivilbevölkerung darstellt.

„Diese Strukturen können riesig sein, mit Böschungen, die manchmal eine Höhe von 300 Metern erreichen, sodass Sie sich vorstellen können, wie viel Abraum dahinter gelagert wird.

„Und sie müssen regelmäßig gewartet und überwacht werden, um sicherzustellen, dass der Damm stark genug ist, um die Rückstände einzudämmen.

„Das Schütteln einer bereits geringfügig stabilen Böschung kann zu einem Versagen und einer plötzlichen Freisetzung der Tailings führen.“

Auswirkungen eines Versagens eines Tailings-Damms

Allein in Australien gibt es rund 250 aktive Tailings-Staudämme. Angesichts der Tatsache, dass der Bergbausektor eine der größten Industrien Australiens ist, ist die Leistung dieser Dämme für die Sicherheit des Betriebs, der in diesen Minen arbeitenden Zivilisten sowie der umliegenden Umwelt und Gemeinden unerlässlich.

„Es gibt eine Vielzahl von Auswirkungen eines TSF-Ausfalls. Wenn einige TSFs ausfallen, gibt es glücklicherweise nur minimalen Schaden“, sagt Prof. Russell.

„Im Jahr 2018 kam es in der Cadia-Goldmine in New South Wales zu einem TSF-Ausfall. Der eingestürzte Abschnitt der Böschung und der Abraum wanderten nicht weit genug, um Umweltschäden oder Todesfälle zu verursachen.“

Aber Fehler können auch zu einer enormen Einleitung von Tailings in die natürliche Umwelt führen, was möglicherweise zu Todesfällen und ernsthaften wirtschaftlichen Verlusten führen kann.

Beispielsweise starben 2019 bei dem katastrophalen Versagen eines Abraumdamms bei Brumadinho in Brasilien 270 Menschen, und die daraus resultierende Wasserverschmutzung im Paraopeba-Fluss wirkte sich auf bis zu 120 Kilometer entfernte Gemeinden aus.

„Wenn ein TSF-Ausfall das Potenzial für große oder extreme Folgen hat, dann werden die TSF-Eigentümer von den Dammbehörden in ihren jeweiligen Ländern beauftragt, alle zwei Jahre gründliche Stabilitätsbewertungen durchzuführen“, sagt Prof. Russell.

„Diese Standards und regelmäßige Tests sind wichtig, wenn wir einen katastrophalen Ausfall wie die Dammkatastrophe von Brumadinho in Brasilien im Jahr 2019 vermeiden wollen.“

Messung des Risikos eines potenziellen Ausfalls

In Australien ist eine der Möglichkeiten zur Bewertung der Dämme und der darin enthaltenen Rückstände der Cone Penetration Testing (CPT). Der CPT ermöglicht es Geotechnikern, ihre Eigenschaften zu bestimmen und ihre Festigkeit und Stabilität zu beurteilen.

Der Test besteht normalerweise darin, eine Stange mit konischer Spitze mit einer konstanten Eindringgeschwindigkeit vertikal in die Böschung oder die Abraumhalden zu schieben. Während dieses Vorgangs werden Messungen durchgeführt, um Daten des Kegelspitzenwiderstands zu sammeln.

Frühere Forschung von Prof. Russell und seinem Team haben Ingenieure in die Lage versetzt, CPT-Ergebnisse in Tailings zu interpretieren, wenn sie unterschiedliche Zustände aufweisen, einschließlich, wenn sie eine Mischung aus Luft und Wasser in den Poren haben, oder mit anderen Worten, wenn sie ungesättigt sind.

Die Ergebnisse dieser Studie zeigten, wie CPT-Ergebnisse verwendet werden können, um den In-situ-Zustand der Tailings zu bestimmen – was äußerst wichtig ist, da es kontrolliert, wie stark und erdbebensicher die Tailings sein werden.

„Vor dieser Forschung interpretierten Ingenieure die CPT-Ergebnisse routinemäßig und falsch, indem sie annahmen, dass die Tailings vollständig gesättigt sind, was nicht immer der Fall ist“, sagt Prof. Russell.

„Dies führte zu falschen Bestimmungen des In-situ-Zustands der Tailings und zu Überschätzungen der Stärke.“

In seiner neuesten Forschungsarbeit, veröffentlicht in GeotechnikProf. Russell und sein Team haben Praktikern gezeigt, wie sie die Stärke eines ungesättigten Tailings nach einem Erdbeben abschätzen können.

„Die CPT-Interpretationsmethoden und Festigkeitsbewertungen, die vor diesen Entdeckungen in der Industrie verwendet wurden, wurden hauptsächlich für gesättigte natürliche Böden entwickelt“, sagt Prof. Russell.

„Es gibt viele Unterschiede zwischen gesättigten natürlichen Böden und Rückständen in einem Damm, wobei Rückstände schlammiger oder staubiger und in vielen Fällen ungesättigt sind.

„Dies korrigiert, was viele fälschlicherweise annehmen: dass sich ungesättigte Rückstände bei einem Erdbeben nicht verflüssigen. Das bedeutet, dass Ingenieure bei jeder Erdbebenstabilitätsbewertung verbesserte Festigkeitsschätzungen verwenden können, um genau zu identifizieren, welche TSFs einem höheren Ausfallrisiko ausgesetzt sind.“

Vorausschauen

Das Australian National Committee on Large Dams (ANCOLD) unterstreicht die Risiken von TSF-Ausfällen in Australien. Es erfordert, dass alle TSFs der Kategorie mit hohen Folgen auch nach ihrer Schließung sicher bleiben und einem Erdbeben in einem von 10.000 Jahren standhalten können.

Prof. Russell sagt, dass nicht nur Absetzdämme beschädigt werden können. Rückversicherungsunternehmen stufen ein Erdbeben in Sydney unter ihre 20 größten Risikopositionen weltweit ein.

„Australische Städte sind einem hohen Risiko ausgesetzt, da ein Erdbeben die alte Infrastruktur aus unverstärktem Ziegel und Mauerwerk gefährden würde“, sagt er.

„Außerdem sind große Gebiete in australischen Städten von Böden unterlagert, die im Falle eines Erdbebens einen Festigkeitsverlust erfahren und in einen flüssigkeitsähnlichen Zustand oder eine Verflüssigung übergehen können.

„Ein Gebiet mit besonders hohem Risiko ist Botany Bay, wo sich große Häfen befinden. Wenn ein Erdbeben zu einer Verflüssigung des Bodens um Botany Bay führen würde, könnten weitreichende Schäden entstehen und die Infrastruktur irreparabel werden.

„Darüber hinaus könnte das Land unversicherbar werden. Die nächste Generation von Erdbebennormen muss sich in Richtung leistungsbasierter Konstruktionen bewegen, nicht nur um Leben zu schützen, sondern auch um die erheblichen wirtschaftlichen Verluste zu reduzieren, die aus direkten Schäden und Betriebsunterbrechungen resultieren.“