Pomiar temperatury w otworze Toruñ–1 jako wzorzec stanu równowagi
termicznej w obrêbie permsko-mezozoicznego basenu sedymentacyjnego
Marta Wróblewska*, Jacek Majorowicz**
Pomiar temperaturyw otworze wiertniczym od dawna by³ jednym z pierwszych pomiarów geofizycznych, jakie wykonywano w otworze (Arctowski, 1924). Wyko-nywany w trakcie wiercenia stanowi czynnik kontro-luj¹cy ten proces. W miarê rozwoju technologii wierceñ zwiêksza³ siê wachlarz informacji, jak¹ ze sob¹ niesie dobrze przeprowadzone profilowanie tempera-tury: od kontroli stanu technicznego otworu do poszukiwania wêglowodorów. Jednak badania temperaturowe w trakcie wierce-nia nie daj¹ pe³nej informacji na temat warunków termicznych panuj¹cych w oœrodku skalnym. Takiej informacji mo¿e dostarczyæ dopiero pomiar w warunkach ustalonej równowagi termicznej. Obecnoœæ otworu zaburza re¿im termiczny raz na zawsze. Mini-malny czas, jaki jest potrzebny, aby przywróciæ w otworze warunki termiczne oœrodka skalnego, okreœlono w Polsce w przybli¿eniu na 8 dni. Przerwanie prac wiertniczych, a wiêc tak¿e cyrkulacji p³uczki, mia³o pozwoliæ na stabiliza-cjê termiczn¹ otworu. Cyrkulacja p³uczki powoduje bowiem wyziêbianie dolnej czêœci otworu — cieplejsza jest wynoszona ku górze, gdzie z kolei oddaje czêœæ energii ogrzewaj¹c górn¹ czêœæ otworu. Jest to efekt czêsto obser-wowany na termogramach wykonanych w warunkach nie-ustalonych temperatur.
Przedmiotem wykonanych badañ jest analiza pola cieplnego na podstawie wyników pomiarów w warunkach ustalonej równowagi termicznej w g³êbokim otworze wiertniczym Toruñ–1 (ryc. 1). Otwór ten odwiercono w 1979 r. do g³êbokoœci 5904 m, kilkanaœcie kilometrów na po³udniowy wschód od miasta Toruñ. Przez ostatnie 20 lat nie prowadzono w nim ¿adnych prac wiertniczych, a jedy-nie prace techniczne, np. kalibracjê aparatury geofizycz-nej. Tak d³ugi okres czasu pozwoli³ na wyrównanie temperatur panuj¹cych w otworze z temperaturami ota-czaj¹cego oœrodka skalnego, co stanowi niepowtarzaln¹ okazjê do przeprowadzenia pomiarów temperatury w sta-nie równowagi termicznej. Otwór ten jest obecsta-nie jedynym obiektem na obszarze ca³ego permsko-mezozoicznego basenu sedymentacyjnego, który spe³nia wymagane kryte-ria g³êbokiego, opróbowanego otworu, nie zaburzanego ¿adnymi pracami technicznymi, daj¹c mo¿liwoœæ wykona-nia pomiarów geofizycznych.
W listopadzie 2005 r. wykonano szablonowanie otworu w celu sprawdzenia jego dro¿noœci. W rezultacie okaza³o siê, i¿ obecna, maksymalna g³êbokoœæ bezpieczna dla
zapuszczenia sondy to 2900 m. Szacuje siê, ¿e informacja zapisu d³ugookresowych zmian klimatycznych mo¿e siê-gaæ nawet do 2000 m (Safanda i in., 2004). Zatem g³êbo-koœæ 2900 m uznano za wystarczaj¹c¹ do zarejestrowania takiego wp³ywu.
Wykonany pomiary temperatury (ryc. 2a) jest wzorco-wym termogramem temperatury ustalonej. Przed³u¿enie krzywej pomiarowej daje w efekcie 10o
C, czyli œredni¹ temperaturê powietrza na powierzchni Ziemi. Du¿e zmia-ny do ok. 15 m (ryc. 2b) stanowi¹ ewidentzmia-ny wp³yw zmian sezonowych temperatury powietrza, prace bowiem prowa-dzone by³y w warunkach zimowych (ryc. 1). Z kolei ocie-plenie rzêdu 1oC wynika z d³ugookresowych zmian klimatycznych. Krzywa temperatur wykonana w otworze Toruñ–1 w 1979 r. stanowi ewidentny przyk³ad termogra-mu wykonanego w warunkach nieustalonej równowagi ter-micznej. Maj¹c na uwadze opisan¹ powy¿ej regu³ê zachowania termogramów nieustalonych temperatur, wia-domo, ¿e obydwie krzywe przetn¹ siê w tzw. punkcie rów-nowagi. Wed³ug obliczeñ nast¹pi to na g³êbokoœci ok. 4000 m.
Przedstawione na ryc. 3 wyniki na tle termogramów z otworów po³o¿onych w s¹siedztwie otworu Toruñ–1 poka-zuj¹, ¿e czêœæ danych z tego regionu pokrywa siê z obecny-mi wynikaobecny-mi. Szeroko dyskutowany (Majorowicz i in., 2002) 15–20% b³¹d oceny powierzchniowego strumienia cieplnego wynika g³ównie z b³êdu pomiarowego
tempera-392
Przegl¹d Geologiczny, vol. 54, nr 5, 2006
*Pañstwowy Instytut Geologiczny, Warszawa; marta.wroblewska@pgi.gov.pl
**Northern Geothermal, Edmonton, Canada and University of North Dakota, Northern Plains Climate Research Center, USA; majorowicz@shaw.ca
M. Wróblewska J. Majorowicz
Ryc. 1. Otwór Toruñ–1. Pomiar temperatury po
tury, tj. z nieustalonej równowagi termicznej w otworze. Gradienty temperatury w nowym pomiarze s¹ zbli¿one do gradientów z termogramów s¹siednich otworów, zatem mo¿na przypuszczaæ, i¿ ocena strumienia na podstawie tych danych mo¿e byæ uznana za poprawn¹. Du¿a jednak czêœæ krzywych wykazuje du¿o ni¿sze temperatury — o 10–15o
C poni¿ej g³êbokoœci od 1000 m do 2000 m. Taka ró¿nica jest ju¿ znacz¹ca dla celów geotermalnych. Jaka jest zatem rzeczywista temperatura w tym rejonie, wyka¿e ponowna analiza danych temperaturowych oraz przewod-nictwa cieplnego.
Niniejsze pomiary stanowi¹ unikalny materia³ do prze-prowadzenia weryfikacji skorupowego modelu termiczne-go. Dadz¹ podstawê do stworzenia modelu rzeczywistych gradientów temperatury, co bêdzie mia³o istotne implika-cje dla uœciœlenia oceny perspektyw wykorzystania energii geotermalnej w rejonie Ni¿u Polskiego. Prowadzone s¹ ju¿ prace maj¹ce na celu rekonstrukcjê wp³ywu ostatniego zlo-dowacenia wis³y na stan termiczny przypowierzchniowej strefy litosfery. Historia zmian temperatur powierzchni
Ziemi wp³ywa na obserwowane wspó³czeœnie pole tem-peratur i ziemski strumieñ cieplny. Jednym z przewidywa-nych wyników dalszych badañ jest ocena postglacjalnej amplitudy temperatur atmosferycznych oraz g³êbokoœæ ich oddzia³ywania na pole cieplne Ziemi.
Literatura
ARCTOWSKI H. 1924 — Nowe pomiary geotermiczne w szybach naf-towych Boryslawia, Krosna, Bitkowa, Kosmos, seria A.
MAJOROWICZ J.A., WRÓBLEWSKA M. & KRZYWIEC P. 2002 — Interpretacja i modelowanie ziemskiego strumienia cieplnego w obsza-rze eksperymentu sejsmicznego POLONAISE’97 — analiza krytyczna. Prz. Geol., 50: 1082–1091.
SAFANDA J., SZEWCZYK J. & MAJOROWICZ J.A. 2004 — Geo-thermal evidence of very low glacial temperatures on a rim of Fenno-scandian ice sheet. Geoph. Res. Letters, 31: L07211.
393 Przegl¹d Geologiczny, vol. 54, nr 5, 2006
20 60 100 140 5500 4500 3500 2500 1500 500 0 0 15 5 10 a b 10 temperatura [ C]° temperature [ C]° g³ êb ok oœæ [m] depth [m] 100 100 50 g³ êb ok oœæ [m] depth [m] temperatura [ C]° temperature [ C]° 0 40 80 120 5000 4000 3000 2000 1000 0
Ryc. 3. Krzywa temperatury z
otworu Toruñ–1 (czerwona linia) na tle danych archiwalnych z otworów po³o¿onych w jego s¹siedztwie
¬
Ryc. 2. a — krzywa pomiarowa
tem-peratury w otworze Toruñ–1 (czerwo-na linia) w zestawieniu z danymi z roku 1979 (czarna linia); b — pierw-sze 100 m pomiaru, linie przerywane stanowi¹ liniowe przed³u¿enie wskazuj¹ce na œredni¹ temperaturê powietrza (10o
C) oraz ocieplenie rzêdu 1o
C wynikaj¹ce z d³ugookreso-wych zmian klimatycznych
Praca wp³ynê³a do redakcji 14.02.2006 r. Akceptowano do druku 28.03.2006 r.
