Zusammenfassung
Der Braunkohletagebau in Westdeutschland hinterlässt deutliche und messbare Spuren an der Erdoberfläche – nicht nur durch den Abtrag der Kohlebagger. Neue Forschungsergebnisse aus den rheinischen Kohlefeldern zwischen Aachen und Köln zeigen, dass der durch den Tagebau bedingte Abfall des Grundwasserspiegels weitreichende Bodensenkungen ausgelöst hat. Gleichzeitig hat er bereits vorhandene geologische Verwerfungen auf langsame, aseismische Weise reaktiviert. Diese Bewegungen machen sich an einigen Stellen der Oberfläche als Verwerfungsstufen, ungleichmäßige Setzungen und Schäden an Straßen, Häusern und anderer Infrastruktur bemerkbar.
Die Ergebnisse stammen aus zwei kürzlich in den Fachmagazinen „Engineering Geology“ und „Remote Sensing of Environment“ veröffentlichten Studien unter Leitung bzw. Beteiligung des GFZ Helmholtz-Zentrums für Geoforschung. Dabei wurden Satellitenradarbeobachtungen, Feldbeobachtungen und raumbezogene Geo-Analysen etwa zur Geografie und Hydologie kombiniert und Gebäudeschadensberichte integriert. Auf dieser Basis haben die Forschenden auch ein Rahmenkonzept zur Vorhersage der Senkungsanfälligkeit vorgeschlagen und regionale Senkungsrisiko-Karten erstellt. Sie können zur Entwicklung widerstandsfähigerer Infrastrukturen und Katastrophenschutzstrategien beitragen.
Hintergrund: Bodensenkungen im Zusammenhang mit Bergbau
Bodensenkungen entwickeln sich zu global weit verbreiteten Geo-Gefährdungen. Die Abwärts- oder Seitwärtsbewegungen der Erdoberfläche stellen ein erhebliches Risiko für Infrastruktur – Gebäude wie auch unterirdische Versorgungsleitungen –, Umwelt und Sicherheit der Menschen dar. Sie können natürlichen Ursprungs sein – zum Beispiel ausgelöst durch Bodenverdichtung, Kalksteinauflösung oder tektonische Aktivitäten. Zunehmend sind sie aber auch durch menschliches Wirtschaften bedingt, etwa durch nicht nachhaltige Grundwasserentnahme und rasante Urbanisierung – oder durch Bergbauaktivitäten. Zu letzteren zählen nicht nur der Untertageabbau von Steinkohle, dessen Effekte beispielsweise im Ruhrgebiet hinlänglich bekannt sind und die häufig durch den Einsturz von unterirdischen Abbauräumen verursacht werden.
Auch im Umfeld von Tagebauen werden Bodensenkungen beobachtet. Ursache hierfür sind in erster Linie die umfangreichen Entwässerungsmaßnahmen, die für einen sicheren Kohleabbau erforderlich sind. Die kontinuierliche Grundwasserentnahme stört das hydrogeologische Gleichgewicht. Es kann zu Verdichtungen des Grundwasserleiters kommen, vorhandene geologische Verwerfungen können reaktiviert werden, mit Bildung von Stufen und Spalten.
Neue Untersuchungen im Rheinischen Tagebau-Revier
Ein Forschungsteam des GFZ Helmholtz-Zentrums für Geoforschung hat in zwei Studien die Situation im Rheinischen Revier, dem größten Braunkohlefördergebiet Europas untersucht, das sich im dichtbesiedelten Bundesland Nordrhein-Westfalen zwischen den Städten Aachen und Köln befindet. Insbesondere wurden die drei großen Tagebau-Standorte Hambach, Garzweiler und Inden betrachtet. Die Region ist neben den großflächigen Tagebau-Gruben durch weitreichende Entwaldung, die Nähe zu seismischen aktiven Zonen und dokumentierten Hanginstabilitäten in den Gruben gekennzeichnet.
In der ersten Studie haben die GFZ-Forschenden M. Sc. Dibakar Kamalini Ritushree, Dr. Marzieh Baes und Prof. Dr. Mahdi Motagh dominierende Einflussfaktoren für die lokalen Bodenabsenkungen identifiziert und ihren relativen Einfluss quantifiziert. Auf dieser Basis haben sie auch regionale Riskokarten für die Bodenabsenkung erstellt.
Dafür nutzten sie eine Reihe von georäumlichen Variablen, darunter topografische Daten (aus dem Digitalen Höhenmodell (DEM) abgeleitete Neigung und Exposition), hydrologische Daten (Grundwasserspiegel und Flussverläufe), geologische Daten (lithologische Daten, Verwerfungslagen), Fernerkundungsdaten (InSAR-Messungen) – Bodenbewegungsdaten des European Ground Motion Service (EGMS), Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)) sowie anthropogene Daten (Standorte von Bergwerken). Damit wurden Modelle des Maschinellen Lernens trainiert, die darauf abzielen, den relativen Einfluss jedes Faktors zu verstehen. Um eine regionale Senkungsrisiko-Karte zu erstellen, wurden zur Schadensbewertung außerdem Gebäudeschadensberichte des Landes Nordrhein-Westfalen genutzt.
Nutzung von EGMS-Daten zur Bodenverformung aus dem Europäischen Copernicus Programm
Eine wesentliche Rolle für die Untersuchungen spielten die Daten des European Ground Motion Service (EGMS), ein Dienst des Europäischen Erdbeobachtungsprogramms Copernicus, der 2015 ins Leben gerufen wurde, um Bodenverformungen in ganz Europa systematisch zu überwachen. Eine Dekade Verfügbarkeit dieser Daten wird in der zweiten Studie, die im Fachmagazin Remote Sensing of Environment erschienen ist, gewürdigt, u.a. mit dem Beispiel Rheinisches Revier. Verantwortlich ist ein internationales Autor:innen-Team um Dr. Michele Crosetto vom Centre Tecnológic de Telecomunicacions de Catalunya, Castelldefels, Spanien, unter Beteiligung von Prof. Dr. Mahdi Motagh vom GFZ.
Basis hierfür sind die Radardaten der Sentinel-1-Satelliten. Das EGMS deckt den europäischen Kontinent ab und liefert Verschiebungsmessungen sowohl zu natürlichen als auch zu anthropogenen Bodenbewegungsphänomenen, die europaweit über nationale Grenzen hinweg standardisiert und harmonisiert sind. Die Sentinel-1-Missionen liefern großflächige Beobachtungen, die alle sechs Tage für jeden Ort des Kontinents erneuert werden. Die Daten werden frei zur Verfügung gestellt, es gibt entsprechende Visualisierungsplattformen. Aufgrund seiner Eigenschaften stellt das EGMS eine der weltweit wichtigsten Initiativen dieser Art dar, wie die Autor:innen schreiben.
Erkenntnisse für die Tagebaue im Rheinischen Revier und die Bedeutung der Satelliten-Daten
Die in „Engineering Geology“ veröffentlichte Studie zeigt, dass der Tagebau im Rheinland nicht nur den Grundwasserspiegel senkt und weitreichende Bodensenkungen verursacht, sondern auch bestehende Verwerfungen aktiviert. „Dieses langsame Verwerfungskriechen aufgrund des Bergbauprozesses kann lokale Stufen in der Bodenoberfläche erzeugen und Verformungsmuster hervorrufen, die aus dem Weltraum deutlich erkennbar sind“, erläutert Prof. Dr. Mahdi Motagh, Leiter der Arbeitsgruppe „Radar- und optische Fernerkundung für Geogefahren" in der GFZ-Sektion 1.4 „Fernerkundung und Geoinformatik.
Im Detail erlaubt die KI-gestützte Datenanalyse eine genauere Quantifizierung der treibenden Faktoren für die Bodenabsenkung: Die Entfernung zu Bergwerken ist die dominierende Vorhersage-Variable, gefolgt von der Veränderung des Grundwasserspiegels. Geologische Faktoren wie Entfernung zu Verwerfungen und Lithologie zeigen einen moderaten Einfluss, während hydrologische Faktoren wie die Entfernung zu einem Fluss weniger bedeutsam ist. Gelände- und Landbedeckungsvariablen wie Pflanzenbewuchs tragen nur minimal bei.
Die zweite Studie, veröffentlicht in „Remote Sensing of Environment“, zeigt, dass der European Ground Motion Service (EGMS), der auf frei verfügbaren Sentinel-1-Radardaten basiert, die Verformungsmuster rund um das Bergwerk Hambach bemerkenswert detailliert erfassen kann. Die Satellitenergebnisse wurden unabhängig voneinander anhand hochauflösender TerraSAR-X-Daten aus Deutschland verifiziert, was bestätigt, dass die beobachtete Verformung real, räumlich ausgedehnt und lokal schwerwiegend ist.
Zusammen zeigen die beiden Studien, dass Satellitenüberwachung nicht nur aufzeigen kann, wo sich der Boden absenkt, sondern auch, wie geologische Strukturen im Untergrund die Art der Verformung beeinflussen.
Die Forschung weist auf einen eindeutigen Mechanismus hin: „Die Entwässerung für den Tagebau verändert das hydrogeologische Gleichgewicht, schwächt die Stützstrukturen im Untergrund und schafft Bedingungen für ungleichmäßige Absenkungen und Verwerfungsbewegungen“, erläutert Dr. Marzieh Baes, Wissenschaftlerin in GFZ-Sektion 4.5 „Untergrundprozessmodellierung“. In der Praxis bedeutet dies, dass die Auswirkungen des Bergbaus nicht am Rand der Grube enden. Sie können sich nach außen in die umliegenden Gemeinden ausbreiten und durch unterschiedliche Setzungen und verwerfungsbedingte Verformungen Gebäude, Straßen und andere Infrastruktur beeinträchtigen.
Schadensmuster nicht zufällig
Das wichtigste Ergebnis ist, dass das Schadensmuster nicht zufällig ist. Die Studien zeigen, dass die Nähe zu den Bergwerken und Veränderungen im Grundwasser die stärksten Vorhersagevariablen für Bodensenkungen sind, während bestehende Verwerfungen die Verformung auf bestimmte Orte konzentrieren.
„Georäumliche Analysen sind unerlässlich, um zu ermitteln, wo Bodenverformungen am wahrscheinlichsten auftreten, und um zuverlässige Risiko- und Anfälligkeitsbewertungen in der Region zu unterstützen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Zonen mit dem höchsten Risiko dort liegen, wo aktive Bodensenkungen mit freiliegender Infrastruktur und Siedlungen zusammenfallen, insbesondere rund um die Bergwerke und entlang von Verwerfungszonen“, sagt M.Sc. Dibakar Kamalini Ritushree, Doktorandin in GFZ-Sektion 1.4 “Fernerkundung und Geoinformatik“, die die in „Engineering Geology“ veröffentlichte Studie leitete. Mit anderen Worten: Der Boden senkt sich nicht einfach überall auf die gleiche Weise; stattdessen wird die Verformung von der geologischen Struktur der Region beeinflusst. Das macht manche Gebiete anfälliger als andere, selbst wenn sie außerhalb des Bergwerks selbst liegen.
Kartierung von Anfälligkeit und Risiko für Bodenabsenkungen
Die aktuellen Arbeiten sind über die Geologie hinaus von Bedeutung. Denn sie zeigt, dass satellitengestützte Überwachung und die daraus gewonnenen Erkenntnisse über Richtung und Bedeutung verschiedener Einflussfaktoren Behörden, Ingenieurinnen und Planern eine Perspektive für Frühwarnung bieten kann.
Hierfür haben die Forschenden regionale Gefahrenkarten und daraus regionale Senkungsrisiko-Karten erstellt.
Auf dieser Basis können gezielte Maßnahmen zur Überwachung, Eindämmung und Risikominderung ergriffen und so zur Entwicklung widerstandsfähigerer Infrastrukturen und Katastrophenschutzstrategien beigetragen werden.
Die Studie verdeutlicht zudem, dass die Auswirkungen des Tagebaus in Deutschland nicht nur ökologischer, sondern auch struktureller und gesellschaftlicher Natur sind, mit Folgen, die noch lange nach Beendigung der Abbauarbeiten bestehen bleiben können.
Ausblick
Im Rahmen der aktuellen Studie wurden tiefere unterirdische und bodengestützte Messungen wie zum Beispiel Bohrlochdaten und Nivellierungsdaten sowie detaillierte anthropogene unterirdische Prozesse wie Minentiefe, Geometrie des Erzabbaus und Umverteilung von Abraum nicht berücksichtigt. Die Einbeziehung solcher Daten in zukünftige Forschungsarbeiten könnte den physikalischen Realismus und die Vollständigkeit der Gefahrenbewertung erheblich verbessern.
Bezüglich der EGMS-Daten schlägt das Autor:innen-Team vor, den European Ground Motion Service schrittweise auf eine globale Abdeckung auszuweiten. Das würde einen wesentlichen Beitrag Europas zum Sendai-Rahmenwerk für Katastrophenvorsorge darstellen. Ein Fahrplan hierfür wurde ebenso skizziert wie technologische Fortentwicklungen, sowohl bei der Satelliten-Radar-Technologie etwa durch Nutzung sogenannter L-Band-Daten, als auch bei der Integration neuer Big-Data-Analyse-Werkzeuge.
Projekt-Info:
Die Forschung wurde im Rahmen des Projekts SARKI4 Tagebaufolgen durchgeführt, das über das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) in Deutschland finanziert wurde.
Originalpublikationen
Ritushree, D.K., Baes, M. and 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, p.108751. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2026.108751
- Crosetto, M., Cuevas-González, M., Mróz, M.S., Moldestad, D.A., Raspini, F., Casagli, N., Bateson, L., Novellino, A., Motagh, M., Guerrieri, L. and Comerci, V., European Ground Motion Service: A Decade of Sentinel-1 Observations. Remote Sensing of Environment, Volume 339, 2026, 115389. https://doi.org/10.1016/j.rse.2026.115389
