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Monitoring Eight Years of Surface Displacements at the Storage Cavern Field Epe with Multitemporal InSAR

Monitoring von Oberflächenbewegungen über dem Kavernenspeicherfeld Epe mittels multitemporalem InSAR über einen Zeitraum von acht Jahren

Alison Seidel, Markus Even, Hansjörg Kutterer, Malte Westerhaus

Artificially created and oil or gas filled caverns in salt layers are an important component for energy storage. Due to the pressure difference between the interior of the caverns and the surrounding rock, cav­erns experience constant convergence, that causes significant surface displacements. Monitoring these displacements is not only important for infrastructure health, but also to study the way the volume loss of the cavern translates to the surface. Traditionally, surface displacements are monitored with GNSS and levelling campaigns. However, both techniques usually only offer either good temporal resolution or good spatial coverage. Multitemporal SAR interferometry (InSAR) can provide both and complement traditional geodetic methods but is only slowly becoming popular due to the more complex data processing and interpretation. We want to show that utilizing InSAR can help to understand a complex surface displace­ ment field such as Epe storage cavern field. Epe is Germanys second largest storage cavern field and not only subject to simple linear cavern convergence dependent subsidence. Prior studies found varying cyclic signals that have been connected to injection and extraction cycles of the gas caverns, as well as seasonal displacements induced by groundwater level changes. With InSAR time series of more than eight years of data, we can now observe displacement patterns and gain new insights into the dynamics of the cavern field, that cannot be detected without the dense spatial and high temporal coverage of multitem­poral InSAR. We show that even for a long time span, the InSAR estimated surface displacements fit quite well to levelling and GNSS measurements and prove InSAR of equal quality and an excellent addition to traditional surface displacement monitoring methods. Analyzing our results, we find a clear relation of cavern filling levels and shape and amount of subsidence in the cavern field.

Künstlich aus Salzschichten gesolte Speicherkavernen für Öl und Gas sind ein wichtiges Element für die Energiespeicherung. Aufgrund des Druckunterschieds zwischen Kaverneninnenraum und umgebendem Gestein kommt es in den Kavernen zu einer ständigen Konvergenz, die erhebliche Oberflächenbewegungen verursacht. Die regelmäßige geodätische Vermessung dieser Bewegung ist nicht nur für den Zustand der Infrastruktur wichtig, sondern auch, um zu untersuchen, wie sich der Volumenverlust der Kavernen auf die Oberfläche überträgt. Traditionell werden Oberflächenverschiebungen mit GNSS und Nivellement überwacht. Beide liefern jedoch in der Regel nur entweder eine gute zeitliche Auflösung oder eine gute räumliche Abdeckung. Die multitemporale SAR-Interferometrie (InSAR) kann beides bieten und die ­traditionellen geodätischen Methoden ergänzen, setzt sich aber wegen der aufwendigeren Datenverarbeitung und Interpretation nur langsam durch. In diesem Beitrag soll gezeigt werden, dass der Einsatz von InSAR helfen kann, ein komplexes Oberflächenverschiebungsfeld, wie das Speicherkavernenfeld Epe, zu verstehen. Epe ist Deutschlands zweitgrößtes Speicherkavernenfeld für Erdöl und Erdgas und unterliegt nicht nur einfachen linearen, durch die Kavernenkonvergenz bedingten Senkungen. Frühere Studien fanden unterschiedliche zyklische Signale, die mit den Injektions- und Extraktionszyklen der Gaskavernen in Verbindung gebracht wurden, sowie saisonale Deformationen, die durch Grundwasserstandsänderungen verursacht werden. Mit InSAR-Zeitreihen von mehr als acht Jahren können wir nun Bewegungsmuster beobachten und neue Einblicke in die Dynamik des Kavernenfelds gewinnen, die ohne die dichte räum­liche und hohe zeitliche Abdeckung von multitemporalem InSAR nicht zu erkennen sind. Im Rahmen einer Validierung wird gezeigt, dass die mit InSAR geschätzten Oberflächenbewegungen selbst über einen langen Zeitraum hinweg gut mit Nivellement- und GNSS-Messungen übereinstimmen. Somit ist InSAR für die Überwachung von Oberflächenbewegungen ebenso geeignet wie traditionelle Methoden und kann im Bestfall gemeinsam mit ihnen eingesetzt werden. Die Analyse unserer Ergebnisse zeigt einen klaren Zusammenhang zwischen dem Füllungsgrad der Kaverne und der Form und dem Ausmaß der Absenkung im Kavernenfeld.

DOI: 10.14627/avn.2024.5-6.5
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