Przestrzenny model utworów eocenu numulitowego
pomiêdzy Dolin¹ Ma³ej £¹ki a Dolin¹ Lejow¹ w Tatrach
Maciej Tomaszczyk
1, Jacek Rubinkiewicz
2, Agnieszka Borecka
1Geological 3D spatial model of the nummulitic Eocene between Ma³a £¹ka and Lejowa valleys in Tatra Mts. Prz. Geol., 57: 68–71.
A b s t r a c t . The study area is located in the northern part of the Tatra Mts. The 3D geological model of the nummulitic Eocene is based on geological surface data, cross-sections as well as digital elevation model. Model con-tains six lithological units: nummulitic limestones, detritic limestones, dolomitic sandstones, grey conglomerates, red conglomerates and also com-prise two vertical faults. Geological model allows to create solids, surfaces and various horizontal and vertical sections. Based on these it was possible to estimate spatial distribution and thickness variations of modeling units and verify position of geological contacts. An analysis of the model defined fault’s displacement parameters and confirmed synsedimentary origin of faults.
Keywords: 3D geological models, nummulitic Eocene, Tatra Mts.
Metody matematycznego opisu, komputerowej symu-lacji oraz wielowymiarowej wizualizacji danych to narzê-dzia, dziêki którym osi¹gniêto now¹ jakoœæ w dziedzinie badañ skorupy ziemskiej. Przestrzenne modele geologicz-ne s¹ obecnie na œwiecie powszechnie stosowageologicz-ne zarówno na u¿ytek badañ naukowych, jak i przemys³u wydobywcze-go (Mallet, 2008). Dlatewydobywcze-go w celu wiernewydobywcze-go odtworzenia wg³êbnej budowy geologicznej utworów eocenu numulito-wego pomiêdzy Dolin¹ Ma³ej £¹ki a Dolin¹ Lejow¹ w Tatrach Zachodnich skonstruowano przestrzenny model geologiczny tego obszaru.
Charakterystyka obszaru badañ
Badaniami objêto obszar znajduj¹cy siê pomiêdzy Dolin¹ Ma³ej £¹ki na wschodzie a Dolin¹ Lejow¹ na zachodzie. Od pó³nocy ograniczaj¹ go warstwy zakopiañ-skie, a od po³udnia — sp¹gowe wychodnie eocenu numuli-towego (ryc. 1). Budowa geologiczna tego obszaru Tatr Zachodnich by³a przedmiotem wielu publikacji (m.in. Roniewicz, 1969; Wyczó³kowski, 1956; Soko³owski, 1959; Piotrowski, 1978) i opracowañ kartograficznych (Guzik i in., 1958; Bac-Moszaszwili i in., 1979). Do kon-strukcji modelu wykorzystano przede wszystkim zdjêcie geologiczne Boreckiej (2007).
Obszar wytypowany do badañ charakteryzuje siê doœæ znacznym zró¿nicowaniem litologii i mi¹¿szoœci warstw skalnych. Poczynaj¹c od do³u profilu wystêpuj¹ na nim: zlepieñce czerwone, zlepieñce ¿ó³te, zlepieñce szare, pia-skowce dolomitowe oraz wapienie detrytyczne i wapienie numulitowe. Sumaryczna mi¹¿szoœæ ska³ w profilu wynosi oko³o 460 m (Borecka, 2007). Pod wzglêdem tektonicz-nym eocen numulitowy tworzy blok wychylony ku pó³nocy. Dominuj¹ w nim upady oko³o 40oi biegi zbli¿one do równole¿nikowych. Jest on pociêty licznymi uskokami, przewa¿nie pionowymi, o kierunkach niemal po³udniko-wych. S¹ to uskoki przesuwcze i zrzutowe, czêsto o
za³o¿eniach synsedymentacyjnych (Borecka, 2007). Dwa najwiêksze uskoki przebiegaj¹ wzd³u¿ Doliny Koœcieli-skiej oraz na W od Przedniej Kopki (1112 m n.p.m.).
Metodyka konstrukcji przestrzennych modeli geologicznych
Do konstrukcji geologicznego modelu 3D wykorzystu-je siê wszystkie dostêpne dane geologiczne, przede wszyst-kim jednak dane z badañ sejsmicznych oraz karota¿owych. W ci¹gu kilku ostatnich lat opisano równie¿ metody umo¿-liwiaj¹ce konstrukcjê modeli wy³¹cznie na podstawie danych powierzchniowych (DeKemp, 2000; Fernandez i in., 2004; Dhont i in., 2005). Stworzenie zbli¿onego do rze-czywistoœci, przestrzennego modelu wg³êbnej budowy geologicznej jedynie na podstawie powierzchniowych danych kartograficznych, tzn. dwuwymiarowych map geo-logicznych, jest mo¿liwe pod warunkiem, ¿e objêty mode-lowaniem obszar ma nieskomplikowan¹ budowê geologiczn¹ i dysponujemy wystarczaj¹c¹ liczb¹ danych geologicznych na jego temat. W Polsce kryteria te spe³niaj¹ miêdzy inny-mi niektóre rejony Karpat Zewnêtrznych oraz Tatr. Maj¹ one charakterystyczn¹ dla terenów górzystych gêst¹ sieæ rzeczn¹, wzd³u¿ której — w korytach potoków, strumieni oraz wciêæ erozyjnych — wystêpuje du¿a liczba natural-nych ods³oniêæ. Dlatego liczba i jakoœæ danatural-nych geologicz-nych pozyskiwageologicz-nych z tych terenów jest du¿a. Spore znaczenie ma równie¿ niewielka mi¹¿szoœæ pokrywy ska³ czwartorzêdowych, która w innych rejonach Polski zazwy-czaj uniemo¿liwia wykonanie podstawowych badañ struk-turalno-litologicznych.
Do konstrukcji modelu wybrano zatem obszar charak-teryzuj¹cy siê stosunkowo prost¹ budow¹ geologiczn¹ i maj¹cy gêst¹ sieæ ods³oniêæ usytuowanych przewa¿nie w g³êboko wciêtych dolinach i ¿lebach. Podstaw¹ opracowa-nia by³a mapa geologiczna w skali 1 : 10 000 oraz 8 prze-krojów geologicznych (Borecka, 2007). W celu uszcze-gó³owienia modelu wykonano 8 dodatkowych przekrojów. Skorzystano równie¿ z numerycznego modelu terenu o rozdzielczoœci poziomej 5 x 5 m. Model ten powsta³ w wyniku interpolacji izolinii pozyskanych z map topogra-ficznych w skali 1 : 10 000.
68
Przegl¹d Geologiczny, vol. 57, nr 1, 2009
1
Pañstwowy Instytut Geologiczny, ul. Rakowiecka 4, 00-975 Warszawa, maciej.tomaszczyk@pgi.gov.pl
2
Wydzia³ Geologii, Uniwersytet Warszawski, ul. ¯wirki i Wigury 93, 02-089 Warszawa; Jacek.Rubinkiewicz@uw.edu.pl M. Tomaszczyk J. Rubinkiewicz A. Borecka
Przygotowanie danych
Pierwszy etap przygotowania danych polega³ na zamianie formatu mapy geologicznej obszaru badañ na format cyfro-wy (raster). Nastêpnie nadano mapie georeferencjê przez odpowiednie zorientowanie mapy w przestrzeni zdefinio-wanej przez parametry uk³adu wspó³rzêdnych (w tym przypadku PUWG-92). Koñcowym etapem obróbki by³a digitalizacja obrazu rastrowego, w wyniku której uzyskano 3 warstwy wektorowe: jedn¹ punktow¹ (lokalizacja pomia-rów po³o¿enia warstw) oraz dwie liniowe (pierwsza — zawieraj¹ca linie intersekcyjne granic litologicznych, dru-ga — zawieraj¹ca elementy nieci¹g³e: uskoki oraz nasuniê-cia). Do nadania wektorom informacji wysokoœciowej pos³u¿y³ cyfrowy model terenu. Do wszystkich prac zwi¹zanych z przygotowaniem danych i manipulacj¹ nimi wykorzystano program GRASS GIS (www.grass.itc.it).
Z powodu braku odpowiednich informacji dotycz¹cych orientacji i upadu p³aszczyzn uskokowych przyjêto, ¿e wszystkie uskoki s¹ pionowe. Z sieci g³ównych uskoków wyró¿nionych na mapie geologicznej w konstrukcji mode-lu uwzglêdniono tylko dwa uskoki odznaczaj¹ce siê naj-wiêkszymi przemieszczeniami (uskok Doliny Koœcieliskiej oraz uskok na W od Przedniej Kopki). Wszystkie przekroje geologiczne (³¹cznie z wykorzystanymi z pracy Boreckiej, 2007) zosta³y wykreœlone mo¿liwie jak najbardziej prosto-padle do biegu warstw. Za granice modelu przyjêto na
69
Przegl¹d Geologiczny, vol. 57, nr 1, 2009
5' 5' 5'
A
B
C
Ep Ep Ep Ew Ew Ezc Ezc Ezs Ezz Ej Ej Ewz Ezc Ew Ezs Ezs Dolina Koœcieliska Koœcieliska Valley Dolina Lejowa Lejowa Valley Hruby Regiel 1339 Ma³y Regiel 1141 Przednia Kopka 1112 Cisowa Turnia 1112 Ma³o³¹cki Po tok Ma³o³¹cki stream siatka mapy: PUWG-92 coordinate system: PUWG-92 561000 562000 563000 564000 565000 156000 157000 1 1' 2 2' 3 4 5 6 7 8 9 10 11 13 14 15 16 3' 4' 5' 6' 7' 8' 9' 10' 11' 12' 13' 14' 15' 16' 0 500 1000m Kraków WarszawaEzc –zlepieñce czerwonered conglomerates
Ezz –zlepieñce ¿ó³teyellow conglomerates
Ew –wapienie numulitowenummulitic limestones
Ep –piaskowce dolomitowedolomitic sandstones
Ewz –wapienie zlepieñcowateconglomerated limestones 20
1 1'linia przekrojucross-sections line
uskok fault zasiêg modelu model borders po³o¿enie warstw bedding granice geologiczne geological contacts
Ezs –zlepieñce szaregrey conglomerates
Ej –wapienie detrytycznedetritic limestones
szczyt (m n.p.m.) peak (m a.s.l.) Eocen numulitowy:
Nummulitic Eocene:
Ryc. 1. Mapa geologiczna eocenu numulitowego pomiêdzy potokami Ma³o³¹ckim i Siwa Woda (wg Boreckiej, 2007) z lokalizacj¹ prze-krojów geologicznych i zasiêgu modelu
Fig. 1. Geological map of the nummulitic Eocene between Ma³a £¹ka and Siwa Woda stream (after Borecka, 2007), with location of the geological cross-sections and volume of interest of the model
®
Ryc. 2. Etapy tworzenia powierzchni wydzieleñ geologicznych w oprogramowaniu Gocad: A — wstawienie przekrojów geologicz-nych w odpowiednie miejsce w przestrzenni 3D, B — cyfrowanie przekrojów geologicznych, C — utworzenie powierzchni w wyni-ku interpolacji punktów uzyskanych podczas cyfrowania przekro-jów geologicznych
Fig. 2. The workflow of modelling of 3D geological unit surfaces using Gocad software: A — 3D spatial referencing of the geologi-cal cross-sections, B — digitizing of geologigeologi-cal cross-sections, C — points interpolation and creating of surfaces
po³udniu granicê eocenu ze ska³ami mezozoicznymi, a na pó³nocy granicê eocenu z warstwami zakopiañskimi. Granicê zachodni¹ i wschodni¹ wyznaczaj¹ p³aszczyzny o przebiegu N-S (ryc. 1). Od do³u model zosta³ ograniczony p³aszczyzn¹ 500 m n.p.m., górn¹ granic¹ jest zaœ powierzch-nia terenu.
Przekroje geologiczne umieszczono w odpowiednim miejscu przestrzeni 3D (ryc. 2A), stosuj¹c program Gocad (www.gocad.ensg.inpl-nancy.fr). Nastêpnie zcyfrowano oraz zgrupowano granice poszczególnych wydzieleñ geo-logicznych, ³¹cznie z odpowiadaj¹cymi im powierzchnio-wymi liniami intersekcyjnymi. W ten sposób uzyskano
zbiór linii dla sp¹gu ka¿dego wydzielenia, które zamienio-no na punkty (ryc. 2B). Program Gocad umo¿liwia rêczn¹ lub pó³automatyczn¹ edycjê danych, zarówno przed, jak i po interpolacji, dziêki czemu mo¿na dokonywaæ zmian bez potrzeby kreœlenia przekrojów od pocz¹tku. Nastêpnie ka¿dy zbiór punktów reprezentuj¹cych wydzielenia geolo-giczne (w tym przypadku sp¹g warstwy), interpolowano stosuj¹c metodê DSI (Discret Smooth Interpolation). W ten sposób otrzymano sp¹gowe powierzchnie wydzieleñ (ryc. 2C), które wykorzystano do konstrukcji modelu bry³owego (ryc. 3), którego rozdzielczoœæ ustawiono na 25 x 25 x 10 m.
70
Przegl¹d Geologiczny, vol. 57, nr 1, 2009
3310 m
540
m
1660
m
Ew
Ezc
Ezs
Ep
Ej
Mz
Mz –jednostka kri¿niañska i choczañskaChoè and Krina units
X Y Z
Ryc. 3. Geologiczny model bry³owy eocenu numulitowego pomiêdzy Dolin¹ Ma³ej £¹ki a Dolin¹ Lejow¹ w Tatrach. Rozdzielczoœæ modelu wynosi 25 x 25 m w poziomie i 10 m w pionie (pozosta³e objaœnienia na ryc. 1)
Fig. 3. The 3D geological model of the nummulitic Eocene between Ma³a £¹ka and Lejowa valleys in Tatra Mts. Model resolution: horizontal 25 x 25 m, vertical 10 m (for others explanations see Fig. 1)
3310 m 3310m 3310m 3310m Ep Ew Ej Ezs Ezc Mz Mz Mz Mz Ezs Ezs Ezs Ep Ep Ep
A
B
C
D
Ryc. 4. Wybrane pionowe przekroje pod³u¿ne wzd³u¿ linii W-E: Mz — jednostki kri¿niañska i choczañska (pozosta³e objaœnienia na ryc. 1) Fig. 4. Selected W-E trending vertical sections: Mz — Choè and Krina units (for others explanations see Fig. 1)
Zastosowanie modeli 3D
Model 3D umo¿liwia wizualizacjê poszczególnych powierzchni granicz-nych oraz bry³ wydzieleñ geologiczgranicz-nych, tworzenie przekrojów o dowolnej orienta-cji (ryc. 4), map œciêcia poziomego (ryc. 5) oraz map odkrytych. Na dok³adnoœæ odwzorowania rzeczywistej budowy geo-logicznej w modelu 3D maj¹ wp³yw takie czynniki, jak gêstoœæ pomiarów po³o¿enia warstw, zgodnoœæ linii intersekcyjnych przedstawionych na mapie z rzeczywisto-œci¹, a tak¿e starannoœæ wykonania poszczególnych przekrojów geologicz-nych oraz ich zgodnoœæ z przyjêt¹ kon-cepcj¹ budowy geologicznej.
Maj¹c do dyspozycji cyfrowy model terenu oraz wymodelowan¹ powierzchniê geologiczn¹, mo¿na wyznaczyæ liniê przeciêcia siê tych dwóch powierzchni, która jest lini¹ intersekcyjn¹. Model 3D stanowi doskona³e narzêdzie do wykry-wania i weryfikacji nieœcis³oœci i b³ê-dów, pope³nionych podczas kreœlenia map. W trakcie konstrukcji modelu eocenu w Tatrach niezbêdne okaza³o siê naniesienie pewnych niewielkich poprawek na prze-bieg linii intersekcyjnych zaznaczonych na mapie Boreckiej (2007). Umo¿liwia on szybkie i proste wykonywanie dowolnych przekrojów geologicznych. Ponadto model eocenu numulitowego ukaza³ prze-strzenny obraz wystêpowania i wyklino-wywania siê poszczególnych wydzieleñ oraz zmian ich mi¹¿szoœci. Umo¿liwi³ równie¿ okreœlenie parametrów prze-mieszczenia uskokowego i ukaza³, ¿e czêœæ z przemieszczeñ mo¿e mieæ za³o¿enia synsedymentacyjne.
W niniejszej publikacji wykorzystano re-zultaty wykonania tematu Opracowanie
meto-dyki numerycznego modelowania wg³êbnej budowy geologicznej jednostek górskich w oparciu o archiwalne dane powierzchniowe
(nr tematu 61.9001.0601.99.9), finansowane-go ze œrodków przeznaczonych przez Mini-sterstwo Nauki i Edukacji na dzia³alnoœæ statutow¹ PIG.
Literatura
BAC MOSZASZWILI M., BURCHARDT J., G£AZEK J., IWANOW A., JAROSZEWSKI W., KOTAÑSKI Z., LEFELD J., MASTELLA L., OZIMKOWSKI W., RONIEWICZ P., SKUPIÑSKI A. & WESWALE-WICZ-MOGILSKA E. 1979 — Mapa geologiczna Tatr Polskich, 1: 30 000. Wyd. Geol.
BORECKA A. 2007 — Tektonika eocenu numulitowego pomiêdzy potokiem Siwa Woda a potokiem Ma³o³¹ckim (Tatry). Arch. Wydz. Geol. UW.
DHONT D., LUXEY P. & CHOROWICZ J. 2005 — 3-D modeling of geologic maps from surface data. AAPG Bull., 89: 1465–1474. DE KEMP E.A. 2000 — 3-D visualization of structural field data: examples from the Archean Caopatina Formation, Abitibi greenstone belt, Quebec, Canada. Computers and Geosciences, 26: 509–530.
FERNANDEZ O., MUNOZ J.A., ARBUES P., FALIVENE O. & MARZO M. 2004 — Three-dimensional reconstruction of geological surfaces: An example of growth strata and turbidite systems from the Ainsa basin (Pyrenees, Spain). AAPG Bull., 88: 1049–1068. GUZIK K., GUZIK S. & SOKO£OWSKI S. 1958 — Arkusz Hruby Regiel. Mapa geologiczna Tatr 1: 10 000. Inst. Geol.
MALLET J.L. 2008 — Numerical Earth Models. EAGE Publica-tions BV.
PIOTROWSKI J. 1978 — Charakterystyka mezostrukturalna g³ównych jednostek tektonicznych Tatr w przekroju Doliny Koœcieliskiej. Stud. Geol. Pol., 55: 1–90.
RONIEWICZ P. 1969 — Sedymentacja eocenu numulitowego Tatr. Acta Geol. Pol., 19: 503–608.
SOKO£OWSKI S. 1959 — Zdjêcie geologiczne strefy eocenu numuli-towego wzd³u¿ pó³nocnego brzegu Tatr (sprawozdanie wstêpne). Biul. Inst. Geol., 114: 89–99.
WYCZÓ£KOWSKI J. 1956 — Z badañ litologicznych nad utworami eoceñskimi Doliny Koœcieliskiej w Tatrach. Biul. Inst. Geol., 109: 45–57.
71
Przegl¹d Geologiczny, vol. 57, nr 1, 2009
Mz Ep Ezs Ezc Mz Ep Ej Ew Ezs Ezc ciêcie 1000 m n.p.m. section 1000 m a.s.l. Mz Ep Ej Ew Ezs Ezc ciêcie 800 m n.p.m. section 800 m a.s.l. ciêcie 900 m n.p.m. section 900 m a.s.l. 0 0 0 1 km 1 km 1 km 562000 562000 562000 563000 563000 563000 564000 564000 564000 565000 565000 565000 156000 156000 156000 157000 157000 157000 156500 156500 156500 564500 564500 564500 563500 563500 563500 562500 562500 562500 155500 155500 155500
Ryc. 5. Mapy œciêcia poziomego na rzêdnych 800, 900 oraz 1000 m n.p.m: Mz — jednostki kri¿niañska i choczañska (pozosta³e objaœnienia na ryc. 1)
Fig. 5. Horizontal section maps at 800, 900 and 1000 m a.s.l: Mz — Choè and Krina units (for others explanations see Fig. 1)
