Die Auswirkungen des Braunkohle-Tagebaus enden nicht am Rand der Grube

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Am Beispiel des Rheinischen Reviers zeigen zwei Studien des GFZ Helmholtz-
Zentrums für Geoforschung, wie insbesondere der Abfall des
Grundwasserspiegels weitreichende Bodensenkungen auslöst und vorhandene
geologische Verwerfungen reaktiviert. Basis sind
Satellitenradarbeobachtungen, Feldbeobachtungen und raumbezogene Geo-
Analysen etwa zur Geografie und Hydologie kombiniert mit
Gebäudeschadensberichten. Die Forschenden haben ein Rahmenkonzept zur
Vorhersage der Senkungsanfälligkeit vorgeschlagen und regionale
Senkungsrisiko-Karten erstellt, die zur Entwicklung widerstandsfähigerer
Infrastrukturen und Katastrophenschutzstrategien beitragen können.

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 Steilhängen 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, Arbeitsgruppenleiter 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 bestimmt. 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-Information:

Die Forschungsarbeiten sind im Rahmen des Projektes SARKI4Tagebaufolgen
„KI-Risikobewertung für bergbaubedingte Infrastrukturschäden“ entstanden.
Projektpartner sind die Uni Hannover, der Kreis Düren und „Immekus –
Sachverständiger für Bergschäden“. Das Projekt wurde von 2022-2025 vom
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (vormals: Wirtschaft und
Klimaschutz) gefördert.

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