Langfristige Auswirkungen des Braunkohle-Tagebaus über die Grubenränder hinaus
Untersuchungen im Rheinischen Revier durch das GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung verdeutlichen, dass der Rückgang des Grundwasserspiegels infolge des Braunkohletagebaus weitreichende Bodensenkungen verursacht und bestehende geologische Verwerfungen aktiviert. Die Studien basieren auf der Kombination von Satellitenradardaten, Feldbeobachtungen sowie geographischen und hydrologischen Analysen, ergänzt durch Berichte zu Gebäudeschäden. Daraus entwickelten die Forschenden ein Modell zur Abschätzung der Senkungsanfälligkeit und erstellten regionale Risiko-Karten, die als Grundlage für resilientere Infrastrukturplanung und Katastrophenschutz dienen können.
Zusammenfassung der Forschungsergebnisse
Der Braunkohletagebau in Westdeutschland hinterlässt nicht nur sichtbare Spuren durch den Kohleabbau selbst, sondern beeinflusst auch das Gelände durch den Absinken des Grundwasserspiegels. Dies führt zu großflächigen Bodensenkungen und aktiviert vorhandene geologische Verwerfungen auf aseismische Weise. Die Oberflächenverformungen manifestieren sich in Form von Verwerfungsstufen, ungleichmäßigen Setzungen sowie Schäden an Gebäuden und Infrastruktur.
Die Erkenntnisse stammen aus zwei aktuellen Studien, veröffentlicht in den Fachzeitschriften „Engineering Geology“ und „Remote Sensing of Environment“. Dabei wurden Fernerkundungsdaten, geowissenschaftliche Analysen und Schadensberichte kombiniert, um ein umfassendes Bild der Auswirkungen zu erhalten. Auf dieser Basis wurden Modelle zur Vorhersage der Senkungsanfälligkeit entwickelt und regionale Risiko-Karten erstellt, die als Instrumente für Planung und Schutzmaßnahmen dienen.
Hintergrund: Bodensenkungen durch Bergbau
Bodensenkungen stellen weltweit eine bedeutende geotechnische Gefährdung dar. Sie können natürliche Ursachen haben, wie Bodenverdichtung, Karstbildung oder tektonische Prozesse, werden jedoch zunehmend durch menschliche Aktivitäten wie Grundwasserentnahme, Urbanisierung oder Bergbau hervorgerufen. Besonders im Bergbau, sowohl untertage als auch im Tagebau, führen Entwässerungsmaßnahmen zu einer Störung des hydrogeologischen Gleichgewichts, was Verdichtungen im Grundwasserleiter und die Reaktivierung von Verwerfungen begünstigt.
Untersuchungen im Rheinischen Braunkohletagebau
Das GFZ-Team analysierte das Rheinische Revier, das größte Braunkohlegebiet Europas, mit Fokus auf die Tagebaue Hambach, Garzweiler und Inden. Die Region ist durch großflächige Tagebaugruben, Entwaldung, seismische Aktivität und dokumentierte Hanginstabilitäten geprägt.
In der ersten Studie identifizierten die Forschenden unter Leitung von M. Sc. Dibakar Kamalini Ritushree, Dr. Marzieh Baes und Prof. Dr. Mahdi Motagh die wesentlichen Einflussfaktoren für lokale Bodensenkungen und quantifizierten deren Bedeutung. Dabei wurden georäumliche Variablen wie topographische Merkmale (Neigung, Exposition), hydrologische Daten (Grundwasserspiegel, Flussverläufe), geologische Informationen (Lithologie, Verwerfungen), Fernerkundungsdaten (InSAR, EGMS, NDVI) sowie anthropogene Faktoren (Bergwerksstandorte) in maschinellen Lernmodellen ausgewertet. Ergänzend flossen Gebäudeschadensberichte des Landes Nordrhein-Westfalen in die Risikoabschätzung ein.
Rolle des European Ground Motion Service (EGMS)
Eine zentrale Datenquelle stellt der European Ground Motion Service (EGMS) dar, der auf Sentinel-1-Satellitendaten basiert und seit 2015 systematisch Bodenbewegungen in Europa erfasst. Die hohe zeitliche und räumliche Auflösung ermöglicht eine standardisierte und harmonisierte Überwachung von natürlichen und anthropogenen Bodenverformungen. Die zweite Studie, unter Beteiligung von Dr. Michele Crosetto und Prof. Dr. Mahdi Motagh, würdigt die Bedeutung dieser Daten am Beispiel des Rheinischen Reviers.
Ergebnisse und Bedeutung der Satellitendaten
Die Untersuchungen zeigen, dass der Tagebau im Rheinland nicht nur den Grundwasserspiegel senkt und Bodensenkungen verursacht, sondern auch bestehende Verwerfungen aktiviert, was sich in lokalen Stufen und Verformungsmustern an der Oberfläche widerspiegelt. Die KI-gestützte Analyse identifizierte die Nähe zu Bergwerken als stärksten Einflussfaktor, gefolgt von Grundwasserspiegelveränderungen. Geologische Faktoren wie Verwerfungsabstand und Lithologie haben einen moderaten Einfluss, während hydrologische und vegetationsbezogene Variablen eine geringere Rolle spielen.
Die EGMS-Daten ermöglichen eine detaillierte Erfassung der Bodenverformungen, die durch unabhängige TerraSAR-X-Messungen bestätigt wurden. Damit lässt sich die räumliche Ausdehnung und Schwere der Verformungen präzise bestimmen.
Mechanismen und praktische Auswirkungen
Die Entwässerung im Tagebau verändert das hydrogeologische Gleichgewicht und schwächt die Stützstrukturen im Untergrund, was zu ungleichmäßigen Bodensenkungen und Verwerfungsbewegungen führt. Diese Effekte erstrecken sich über die Grubenränder hinaus und beeinträchtigen angrenzende Gemeinden sowie deren Infrastruktur.
Analyse der Schadensmuster
Die Verteilung der Schäden ist nicht zufällig, sondern korreliert mit der Nähe zu Bergwerken und Grundwasserspiegeländerungen. Vorhandene Verwerfungen lenken die Verformungen auf bestimmte Bereiche. Georäumliche Analysen sind daher entscheidend, um Risikozonen zu identifizieren und gezielte Schutzmaßnahmen zu ermöglichen.
Erstellung von Risiko- und Anfälligkeitskarten
Auf Grundlage der gewonnenen Daten und Modelle wurden regionale Gefahren- und Risiko-Karten entwickelt. Diese dienen als Planungsinstrumente für Überwachung, Prävention und Schadensminderung und unterstützen die Entwicklung widerstandsfähiger Infrastrukturen sowie Katastrophenschutzstrategien.
Ausblick und weitere Forschung
Die aktuelle Forschung berücksichtigt noch nicht alle unterirdischen Messdaten und detaillierte anthropogene Prozesse wie Minentiefe oder Abraumverteilung. Die Integration dieser Daten könnte die Genauigkeit der Gefahrenbewertung weiter erhöhen.
Das Autorenteam empfiehlt eine schrittweise Erweiterung des European Ground Motion Service auf globaler Ebene, um einen Beitrag zur internationalen Katastrophenvorsorge zu leisten. Technologische Weiterentwicklungen bei Satellitenradar und Big-Data-Analysen werden ebenfalls angestrebt.
Projektinformationen
- Projekt: SARKI4Tagebaufolgen – KI-Risikobewertung für bergbaubedingte Infrastrukturschäden
- Partner: Universität Hannover, Kreis Düren, Immekus – Sachverständiger für Bergschäden
- Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (2022–2025)
Wissenschaftliche Ansprechpartner
- Prof. Dr. Mahdi Motagh
Arbeitsgruppenleitung Sektion 1.4 Fernerkundung und Geoinformatik
GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung
Tel.: +49 (0)331 6462 1197
E-Mail: mahdi.motagh@gfz.de - Dr. Marzieh Baes
Sektion 4.5 Untergrund-Prozessmodellierung
GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung
Tel.: +49 (0)331 6462 1935
E-Mail: marzieh.baes@gfz.de - M. Sc. Dibakar Kamalini Ritushree
Sektion 1.4 Fernerkundung und Geoinformatik
GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung
E-Mail: dibakar.kamalini.rithushree@gfz.de
Quellen und weiterführende Literatur
- Ritushree, D.K., Baes, M. & Motagh, M. (2026). Hydrological and tectonic linkage to subsidence risk in the Rhineland coalfields, Germany: Integrating machine learning with remote sensing and geospatial data. Engineering Geology, 108751. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2026.108751
- Crosetto, M. et al. (2026). European Ground Motion Service: A Decade of Sentinel-1 Observations. Remote Sensing of Environment, 339, 115389. https://doi.org/10.1016/j.rse.2026.115389
