P O L S K I E J A K A D E M I I N A U K — K R A K Ó W
S
tudia, R
ozprawy, M
onografie207
WYDAWNICTWO INSTYTUTU GOSPODARKI SUROWCAMI MINERALNYMI I ENERGIĄ PAN • KRAKÓW • 2018
Lidia Dziewińska, Radosław Tarkowski
WykoRzysTanie meToDyki efekTyWnych WspółczynnikóW oDbicia (eWo) Do Rozpoznania
sTRukTuR geoLogicznych DLa poTRzeb poDziemnego
pRzemysłoWego DeponoWania gazóW
prof. dr hab. inż. Eugeniusz Mokrzycki (redaktor naczelny serii) dr hab. inż. Lidia Gawlik (sekretarz redakcji), prof. IGSMiE PAN
dr hab. inż. Krzysztof Galos, prof. IGSMiE PAN dr hab. inż. Beata Kępińska, prof. IGSMiE PAN dr hab. inż. Zenon Pilecki, prof. IGSMiE PAN
RECENZENCI prof. dr hab. in. Maria Bała dr hab. inż. Antoni Barbacki
ADRES REDAKCJI
31-261 Kraków, ul. Józefa Wybickiego 7A tel. 12-632-33-00, fax 12-632-35-24
Redaktor Wydawnictwa: mgr Emilia Rydzewska Redaktor techniczny: Beata Stankiewicz
© Copyright by Lidia Dziewińska, Radosław Tarkowski
© Copyright by Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN – Wydawnictwo
Printed in Poland Kraków 2018 ISSN 1895-6823 ISBN 978-83-62922-88-8
IGSMiE PAN – Wydawnictwo, Kraków 2018 Nakład 100 egz.
Objętość ark. wyd. 11,76; ark. druk. 16,5 (×8)
Druk i oprawa: Agencja Reklamowo-Wydawnicza „Ostoja” Maciej Hubert Krzemień Cianowice, ul. Niebyła 17, 32-043 Skała
Wstęp ... 5
1. Wprowadzenie ... 7
2. Metodyka badań ... 11
2.1. Metodyka przetwarzania i opracowania sekcji EWO ... 11
2.2. Sposób interpretacji sekcji EWO ... 15
2.3. Metodyka opracowania danych geofizyki wiertniczej ... 16
3. Przegląd dotychczasowych wyników prac z wykorzystaniem EWO ... 21
3.1. Wyniki rozpoznania głębokiego podłoża wzdłuż profilu GB1 ... 21
3.2. Wał gielniowski ... 26
3.3. Rejon lubelski ... 33
3.4. Monoklina przedsudecka ... 44
3.5. Niecka szczecińska ... 50
3.6. Niecka pomorska ... 50
4. Nowe wyniki rozpoznania struktur geologicznych opracowanych z wykorzystaniem EWO do podziemnego magazynowania gazów ... 57
4.1. Wał pomorski ... 57
4.1.1. Struktura Debrzno ... 57
4.2. Niecka mogileńsko-uniejowska oraz szczecińska ... 62
4.2.1. Struktura Strzelno i Gopło (skrzydło SW) ... 62
4.2.2. Struktura Uniejów ... 67
4.2.3. Struktura Wartkowice ... 70
4.2.4. Strefa Mężyk–Szamotuły ... 74
4.3. Wał kujawski ... 81
4.3.1. Struktura Konary i Ciechocinek (skrzydło SW) ... 81
4.3.2. Struktura Wojszyce i Kłodawa ... 88
4.4. Niecka płocka ... 93
4.4.1. Struktura Gostynin ... 93
4.4.2. Struktura Bodzanów i Cieszkowo ... 98
4.4.3. Strefa Raducz–Korabiewice–Mszczonów i strefa grójecka ... 103
5. Wnioski metodyczne i propozycja dalszych prac ... 107
Podsumowanie ... 111
Literatura ... 113 Wykorzystanie metodyki efektywnych współczynników odbicia (EWO) do rozpoznania struk- tur geologicznych dla potrzeb podziemnego przemysłowego deponowania gazów – Stresz- czenie ... 116 Application of the effective reflection coefficients (ERCs) method to investigation of geologi- cal structures for planned underground gas storage – Abstract ... 118
Celem pracy było wykazanie użyteczności metodyki badań geofizycznych – analizy ma- teriałów sejsmicznych w wersji efektywnych współczynników odbicia (EWO) do poprawy efektywności rozpoznania budowy struktur geologicznych, w tym głównie do oceny wyko- rzystania dla potrzeb podziemnego przemysłowego deponowania gazów.
Wyniki zrealizowanych prac opisano w pięciu rozdziałach. Przedstawiono opis pod- staw zastosowanej w reprocessingu sejsmiki metodyki efektywnych współczynników od- bicia (EWO), z uwzględnieniem sposobu przetwarzania, opracowania i interpretacji danych (rozdz. 2). W dalszej części, na podstawie publikacji, dokonano przeglądu dotychczasowych wyników interpretacji z zastosowaniem EWO, z ewentualnymi uzupełnieniami autorów (rozdz. 3).
Na podstawie opracowań archiwalnych zaprezentowano nowe wyniki rozpoznania kilku- nastu geologicznych obiektów strukturalnych z zastosowaniem EWO, głównie w aspekcie potrzeb podziemnego deponowania gazów (rozdz. 4). W tym zasadniczym rozdziale przed- stawiono interpretację struktur geologicznych położonych w różnych jednostkach geologicz- nych Niżu Polskiego (wał pomorski i kujawski wraz z przyległymi nieckami: płocką, szcze- cińską i mogileńsko-uniejowską), co zilustrowano kilkudziesięcioma figurami. Opis zawiera informację o dotychczasowym stanie budowy geologicznej danej struktury z podkreśleniem jej niedostatecznego stopnia rozpoznania w świetle wspomnianych celów. Pełniejsze wy- korzystanie w interpretacji cech zapisu sejsmicznego, w wyniku opracowania sekcji sej- smicznych w wersji EWO, pozwoliło na uzyskanie obrazu o zwiększonej rozdzielczości zapisu granic sejsmicznych, a w rezultacie na bardziej szczegółowe rozpoznanie budowy struktury, w tym stopnia zaangażowania tektonicznego. Interpretacja przetworzonych sek- cji uwzględniała analizę litostratygraficzną poziomów skał zbiornikowych wyznaczonych do składowania/magazynowania gazów oraz ich uszczelniającego nadkładu. Wnioski meto- dyczne i propozycje dalszych prac ze wskazaniem zestawu czynności i metod geofizycznych niezbędnych do rozpoznania budowy geologicznej wyznaczonej struktury (rozdz. 5) wraz z podsumowaniem wyników (rozdz. 6) stanowią końcowy efekt pracy.
Wyniki interpretacji wskazują na skuteczność zastosowania analizy sekcji sejsmicznych w wersji EWO do szczegółowego rozpoznania budowy geologicznej rozważanych struktur.
W konsekwencji wpływają znacząco na ocenę ich przydatności pod kątem przeznaczenia na podziemne zbiorniki gazu (składowiska i magazyny).
Zdefiniowano metodyczne podejście, które może być zastosowane do wstępnego i bar- dziej szczegółowego rozpoznania geofizycznego struktur geologicznych na podstawie dostępnych danych (materiały archiwalne). Może to być pomocne w ograniczeniu i efek- tywnym zaprojektowaniu kosztownych, uzupełniających terenowych prac geologicznych i geofizycznych. Stanowi też istotny wkład do zadania doskonalenia metodyki rozpoznawa- nia struktur geologicznych w aspekcie wykorzystania na podziemne magazyny czy składo- wiska gazu.
Otrzymane wyniki pozwalają na wstępną ocenę przydatności i bezpieczeństwa anali- zowanych struktur jako potencjalnych składowisk w utworach permomezozoiku Niżu Pol- skiego, dla celów ich adaptacji na podziemne magazyny/składowiska gazu ziemnego oraz dwutlenku węgla. Dostarczają istotny materiał do wykorzystania przy formułowaniu i reali- zowaniu projektów związanych ze wspomnianym celem.
Jako najbardziej optymalną do dalszych modelowych badań, na potrzeby budowy pod- ziemnych magazynów gazu, na podstawie udokumentowanego stanu rozpoznania i przyję- tych kryteriów bezpieczeństwa, wskazano strukturę Strzelno, zaś jako drugorzędną – struk- turę Wartkowice.
Celem nadrzędnym przedstawianego opracowania jest wytypowanie obiektów przydat- nych do lokalizowania w nich podziemnych składowisk/magazynów gazu: magazynów gazu ziemnego (PMG) oraz składowisk dwutlenku węgla (PSC). Wynika z tego potrzeba rozpo- znania wgłębnej budowy struktur geologicznych i ich otoczenia pod kątem możliwości wy- korzystania w przyszłości do lokalizacji magazynów/składowisk na różne produkty – pod- ziemne zbiorniki zapasów węglowodorów, miejsca składowania CO2 oraz inne.
W głębokich poziomach wodonośnych mezozoiku Niżu Polskiego wstępnie zidentyfiko- wano kilkadziesiąt struktur do podziemnego składowania dwutlenku węgla (Tarkowski red.
2010; Tarkowski i in. 2014). Ich stopień poznania jest nierównomierny, a ilość i rozmiesz- czenie otworów wiertniczych oraz jakość danych sejsmicznych ma w tym przypadku istotne znaczenie. W kolejnym etapie prac, dla sprecyzowania ich wgłębnej budowy geologicznej, nieodzowne było określenie geometrii poszczególnych kompleksów skalnych w obrębie warstw zbiornikowych i uszczelniających oraz lokalizacji stref uskokowych. Te elementy budowy strukturalno-tektonicznej są powszechnie stosowanymi geofizycznymi metodami interpretacyjnymi i są słabo zbadane, głównie z powodu niewystarczającej rozdzielczości obrazu falowego przekrojów sejsmicznych. Zwracało na to uwagę wielu autorów prac, m.in.
zajmujących się problematyką CCS (Carbon Capture and Storage) (Chełmiński i in. 2010;
Feldman-Olszewska i in. 2012; Wróbel i Kijewska 2010). Dlatego też jako cel prezentowa- nego zadania przyjęto analizę i ocenę przydatności metodyki badań geofizycznych – analizy materiałów sejsmicznych w wersji efektywnych współczynników odbicia (EWO) – do po- prawy efektywności rozpoznania struktur geologicznych na podziemne zbiorniki gazu (skła- dowiska i magazyny).
Realizacja wskazanego zadania wymagała od autorów szczegółowego rozpoznania geo- metrii struktur oraz opracowania charakterystyki warunków geologicznych. Obrazujące budowę tych struktur przekroje zwykle przedstawiają uproszczony model formacji geolo- gicznych składający się z naprzemianległych warstw piaskowców oraz mułowców i iłow- ców. W rzeczywistości osady, szczególnie mezozoiczne, charakteryzują się często dużymi zmianami miąższości warstw i ich wykształcenia litologicznego. Nieregularnie rozmiesz- czone i miejscami zuskokowane formacje skalne poziomów zbiornikowych oraz warstw izo- lująco-uszczelniających nadkładu tworzą niejednorodną strukturę potencjalnego zbiornika.
Dlatego do oceny przydatności podziemnych struktur do składowania gazów niezbędne jest
dokładne rozpoznanie ich wewnętrznej budowy geologicznej oraz otoczenia w przedziale głębokościowym obejmującym kompleks utworów permo-mezozoicznych. Mała miąższość i małe zróżnicowanie prędkościowe poszczególnych serii litologiczno-stratygraficznych utrudniają identyfikację tych wydzieleń. Niska wiarygodność obrazów falowych dotyczy szczególnie stref kulminacyjnych struktur. Dane dotyczące określenia powierzchni struktury, miąższości i głębokości zalegania poszczególnych poziomów w obrębie utworów wytypo- wanych warstw zbiornikowych i uszczelniających, udokumentowane przekrojami stratygra- ficzno-litologicznymi są nieodzowne do wskazania struktur dogodnych dla celów adaptacji na podziemne zbiorniki (magazyny/składowiska) gazu.
Poszczególne granice sejsmiczne przedstawiają na sekcjach obraz falowy zinterferowa- ny. W celu uzyskania obrazu sejsmicznego o zwiększonej rozdzielczości zapisu w stosun- ku do zapisu falowego zastosowanie przekształcenia sekcji sejsmicznych w wersję efek- tywnych współczynników odbicia (EWO) umożliwia wykorzystanie takich parametrów jak znak i wielkość współczynnika odbicia do identyfikacji i korelacji granic sejsmicznych i przedstawia granice sejsmiczne zgodne z rzeczywistymi granicami litologicznymi dane- go przekroju. Powyższa metoda wykorzystuje związek wielkości i znaku współczynnika odbicia z akustycznymi prędkościami warstwowymi, a w przypadku dowiązania poprzez prędkość w otworze ze zmianami litologicznymi w warstwach. Doświadczenia uzyskane w ramach realizacji wcześniejszych prac (np. Dziewińska i Petecki 2004) wskazywały na realność pozytywnego opracowania tego zagadnienia. Bardzo interesujące byłoby też wyko- rzystanie metody EWO w odniesieniu do wyników badań sejsmicznych trójwymiarowych, które coraz częściej są w Polsce stosowane, szczególnie w celu dokładniejszego rozpoznania budowy geologicznej poszczególnych struktur. Może to stanowić przedmiot analizy w ko- lejnym etapie prac.
Wszystkie elementy niniejszego opracowania bazują na istniejących wspomnianych mate- riałach opublikowanych lub archiwalnych (Dziewińska 1991, red. 1994, 1996a i b; Marek red.
1996, 1998; Żelichowski red. 1995), pokazując efektywne wykorzystanie uzyskanych wyników.
W pracy zostały podkreślone szczególnie te elementy analizy interpretacyjnej, które nie były dotąd publikowane, a stanowiąc najnowsze szczegóły, przyczyniły się do pogłę- bienia wiedzy. Aktualizacja dotyczy głównie rozpoznania i konfiguracji poszczególnych powierzchni litologiczno-strukturalnych i kształtu znanych już wcześniej struktur geolo- gicznych. Dosyć szczegółowy opis wyników interpretacji danych sejsmicznych wynikał z potrzeby chociaż częściowej rekompensaty niezbyt dobrej jakości prezentowanych prze- krojów. Niedoskonałości te wynikają głównie z przyczyn techniczno-redakcyjnych, na którą składają się znaczne zmniejszenie zwykle dużego formatu oryginalnych sekcji oraz ograni- czenia w załączaniu rysunków kolorowych, podczas gdy zróżnicowanie współczynników wyznaczone kierunkiem impulsów najlepiej obrazują kolory.
Obszar położenia interpretowanych struktur jest rozległy (rys. 1.1). Obejmuje on wał pomorski, kujawski i gielniowski wraz z przyległymi do nich strefami niecek: pomorskiej, płockiej i lubelskiej od strony NE oraz szczecińskiej, mogileńskiej i uniejowskiej od strony SW. Uwzględnia również rejon monokliny przedsudeckiej. Odpowiednie mapy geologiczne
Rys. 1.1. Szkic lokalizacyjny interpretowanych profili geofizycznych
1 – profil GB1-III-86/89 (1a – część SW; 1b – część NE); 2 – struktura Opoczno (2a – przekrój 2a-I-91W) oraz struktura Studzianna (2b – przekrój 1-IV-86/87W); 3 – rejon Ostałowa (przekrój 18-II/III-91W); 4 – strefa Lisów–
–Ursynów (przekrój 6-V-88K); 5 – rejon Maciejowice–Izdebno–Garwolin (przekrój 16-IV-83T) oraz model głębokościowy wzdłuż linii Ostałów–Izdebno; 6 – rów lubelski (a – przekrój 43-IV-90T; b – przekrój 52-IV- 84T i 19-IV-90T; c – przekrój 45a-IV-86T; d – przekrój 4a-I-95T i 185-IV-94T); 7 – monoklina przedsudecka
(profil T0290784); 8 – struktura Wilków (a – profil 25-5-78K; b – profil 26-5-78K); 9 – struktura Choszczno (profil W0250386); 10 – struktura Wierzchowo (przekrój 9-III-90T oraz 21-III-91T); 11 – struktura Debrzno (przekrój 27-I-90T oraz 20-I-87T); 12 – struktura Strzelno i Gopło (przekrój 3-III-88W); 13 – struktura Uniejów
(przekrój 3-II-77T) oraz struktura Wartkowice (przekrój 3-II-77W); 14 – niecka szczecińska – 14a – struktura Mężyk (przekrój 67-01-82T, 31-01-81T, 33-01-81T), 14b – struktura Szamotuły (przekrój 53-01-81T), struktura
Obrzycko (przekroje 24-01-78T i 55-01-81T) oraz struktura Objezierze (przekrój 8a-01-80T); 15 – struktura Konary (przekrój 3a-III-88W) oraz struktura Konary i Ciechocinek (przekrój 1-III-88W); 16 – struktura Wojszyce
(przekrój 5-VI-76T) oraz struktura Wojszyce i Kłodawa (przekrój 9-V-87T); 17 – struktura Gostynin (przekrój 5-VI-76T); 18 – struktura Bodzanów i Cieszkowo (przekrój 2-V-89T); 19 – strefa Raducz–Korabiewice–
–Mszczonów (przekrój 16-V-84K); 20 – strefa grójecka (przekrój 14-V-87K) Fig. 1.1. Location of the interpreted geophysical lines
(Dadlez i in. 2000; Dadlez red. 1998; Znosko 1998) umożliwiają charakterystykę analizowa- nych stref z uwzględnieniem szerszego tła geologicznego.
Realizacja celu zadania – analizy materiałów sejsmicznych w wersji efektywnych współ- czynników odbicia (EWO) – do poprawy efektywności rozpoznania struktur geologicznych z przeznaczeniem na podziemne zbiorniki (składowiska i magazyny) gazu wymagała omó- wienia metodyki badań (przetwarzania, opracowania i interpretacji sekcji EWO), co przed- stawiono we wstępnej części opracowania. W kolejnym rozdziale dokonano przeglądu do- tychczasowych wyników prac z wykorzystaniem EWO (profil GB1, wał gielniowski, rejon lubelski, monoklina przedsudecka, niecka szczecińska oraz niecka pomorska). W dalszej części zaprezentowano nowe wyniki rozpoznania struktur geologicznych z wykorzystaniem EWO do podziemnego składowania/magazynowania gazów dla struktury: Debrzna, Strzel- na i Gopła, Uniejowa, Wartkowic, strefy Mężyk-Szamotuły, struktury Konar i Ciechocin- ka, Wojszyc i Kłodawy, Gostynina, Bodzanowa i Cieszkowa, strefy Raducz-Korabiewice -Mszczonów i strefy grójeckiej oraz propozycje dalszych prac. Istotnym etapem tychże jest transformacja czasowych sekcji EWO na wersję głębokościową. Wymaga to opracowania dokładnych rozkładów prędkości wzdłuż interpretowanych profili sejsmicznych z uwzględ- nieniem również regionalnych trendów zmian tego parametru.
Bazując na posiadanych już danych z obszaru Niżu Polskiego wytypowano i wskazano przykładowe, modelowe struktury (Strzelno i Wartkowice) jako najlepiej nadające się do przetestowania proponowanej metodyki, przy formułowaniu i realizowaniu projektów zwią- zanych z podziemnym deponowaniem gazów.
2.1. Metodyka przetwarzania i opracowania sekcji EWO
Podstawy metody efektywnych współczynników odbicia pod nazwą „Reapak” zostały opracowane w ZSRR w „Sibgeo Nowosybirsk” w latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku (Rudnickaja i in. 1987). Jest ona szeroko stosowana w Rosji do dzisiaj w wielu zagad- nieniach. Są to zarówno badania utworów jurajskich, w związku z poszukiwaniami niean- tyklinalnych złóż ropy i gazu (Kurchikov i in. 2014), jak i interpretacja głębokich badań sejsmicznych wykonanych w obszarach naftogazowych (Rudnickaja i in. 2008).
W Polsce schemat przetwarzania jest systematycznie udoskonalany i rozbudowywany na podstawie specjalistycznych oprogramowań autorskich z wykorzystaniem odpowiednich podstawowych algorytmów.
Obliczenie efektywnych współczynników odbicia (EWO) umożliwia przekształcenie fa- lowego obrazu sejsmicznego w impulsową postać zapisów sejsmicznych, to jest w czasowy ciąg współczynników odbicia przedstawiających kolejne warstwy budujące badany ośrodek geologiczny. Wykorzystuje się w tym celu jedną z najważniejszych cech zapisu sejsmiczne- go – amplitudę, której wielkość przyjmuje się za proporcjonalną do wielkości współczynni- ka odbicia dla określonej granicy geologicznej.
Modelem matematyczno-fizycznym ośrodka geologicznego jest tzw. model konwolucyj- ny, według którego trasa sejsmiczna jest wynikiem splotu trasy współczynników odbić z ele- mentarnym sygnałem sejsmicznym. Dekonwolucja amplitudowej trasy sejsmicznej pozwala uzyskać trasę sejsmiczną w postaci szeregu współczynników.
Schemat przetwarzania obejmuje trzy etapy: określenie impulsu elementarnego, kilku- krotną wzajemną korelację impulsu z trasą sejsmiczną, standaryzację obrazu sejsmicznego (poziome i pionowe sumowanie poszczególnych tras) z wykorzystaniem opracowania staty- stycznego celem wizualizacji.
Podstawową funkcją systemu jest określenie kształtu sygnału elementarnego i utworze- nie charakterystyki impulsowej ośrodka. Dlatego w opracowaniach szczególna uwaga zosta- ła zwrócona na, poprzedzony licznymi testami, dobór dostosowanego do celu badań – odpo- wiedniego impulsu elementarnego wykorzystanego do procesu korelacji dla poszczególnych interwałów czasowych. Algorytm określenia kształtu sygnału elementarnego oparty jest na zasadzie sumowania, kolejnych dla danej trasy grup fal odbitych, sprowadzonych do tej sa-
mej fazy oraz wspólnego czasu rejestracji, odcinków tras sejsmicznych w postaci pakietów falowych (grupy fal odbitych), w których wybrane (pierwsze) sprowadzane są do jednostko- wych amplitud o tej samej fazie (biegunowości) i do tego samego czasu przyjścia rejestracji.
Sumowanie takich wycinków, w zadanym interwale czasowym z określonej ilości tras, daje ocenę sygnału elementarnego o dowolnym kształcie.
Wyniki określenia sygnału elementarnego zestawione są w postaci zbioru danych i wy- kresu, który można kontrolować z zastosowaniem analizy Fouriera. W praktyce sygnał ele- mentarny określony jest dla wybranych odcinków profilu sejsmicznego, w charakterystycz- nych przedziałach czasowych.
Algorytm przybliżonego wyliczenia impulsowej charakterystyki ośrodka oparty jest na me- todzie iteracyjnego odejmowania. Metoda polega na określeniu czasu przyjścia, ocenie amplitud i iteracyjnym odejmowaniu fal elementarnych. Przy splocie znalezionej charakterystyki impulso- wej z sygnałem elementarnym syntetyzowany jest sejsmogram oparty na najsilniejszych falach.
Funkcja wzajemnej korelacji sygnału elementarnego z każdą trasą sejsmiczną umożliwia zamianę falowej trasy sejsmicznej na czasowe szeregi (ciągi) (amplitud zerofazowych ele- mentarnych fal) nazywane efektywnymi współczynnikami odbicia. Wyznacza ona w postaci czasów miejsca maksymalnej korelacji sygnału z falami odbitymi w postaci wartości współ- czynnika oraz znaku amplitudy.
Opracowane zbiory współczynników odbicia poddawane są standaryzacji z zastosowa- niem poziomego i pionowego sumowania oraz przedstawione w postaci przekroju sejsmicz- nego, na którym wykreślone są przekształcone na postać impulsową trasy sejsmiczne. W ten sposób zapis falowy dzielony jest na trzy elementy: sygnał elementarny, efektywną relację impulsową oraz resztkowy zapis falowy. Pozostałość falowa wykorzystywana jest do kon- troli efektywności procedury. Przy spełnieniu odpowiednich warunków współczynniki odbi- cia określone na podstawie trasy sejsmicznej przedstawiają granice zgodne z rzeczywistymi granicami danego przekroju. Pod terminem „efektywności” należy rozumieć charakterysty- kę impulsową zawierającą nieznacznie mniejszą, lecz kontrolowaną przez system, liczbę elementów odbijających (reakcji impulsowych) niż pierwotna (wyjściowa) trasa sejsmiczna.
Kontrola efektywności polega na wykonywaniu wielokrotnych procesów matematycznych aż do momentu uznania, że resztkowa trasa amplitudowa składa się tylko z fal zakłóca- jących. W konsekwencji współczynniki odbicia przedstawiają granice sejsmiczne zgodne z rzeczywistymi granicami danego przekroju.
Współczynnik odbicia określany jest przez prędkość warstwową oraz gęstość ośrodka nad i pod daną granicą odbijającą. Przyjmując założenie, że interwał zmian gęstości jest stosunkowo niewielki w porównaniu z interwałem zmian prędkości (Dziewińska i Jóźwiak 2000) uznaje się, że współczynnik odbicia zależy w głównej mierze od zmian prędkości.
Przekroje otrzymuje się w formie kreskowej w postaci poziomych i pionowych znaków graficznych. Metoda ta, wykorzystując związek wielkości i znaku współczynnika odbicia z prędkościami warstwowymi, ułatwia śledzenie, wzdłuż przekrojów sejsmicznych, zmian zachodzących na granicach generujących refleksy i w wykształceniu litologicznym w war- stwach. Poziome linie wyznaczają położenie efektywnych granic odbijających pomiędzy
dwoma ośrodkami różniącymi się prędkościami, a pionowe kreski wskazują znak i wiel- kość współczynników odbicia, które są funkcją różnic (zmian) prędkości dwóch sąsiednich warstw. Długość pionowych kresek jest proporcjonalna do wartości współczynnika odbicia, tzn. do różnicy prędkości sąsiadujących ze sobą warstw. Położenia kreski w górę od granicy odpowiadają dodatnim znakom współczynnika, tzn. charakteryzują stosunki prędkościowe, w których warstwa nadległa posiada prędkość mniejszą od warstwy leżącej poniżej, a w dół ujemnym, tzn. o przeciwnej charakterystyce – warstwa nadległa posiada prędkość większą od warstwy leżącej poniżej. Kierunek impulsów ułatwia rejestrację zmian zachodzących w granicach. Litologię kompleksów uwzględnia się poprzez zaliczanie warstw do tego sa- mego kompleksu na podstawie współczynników o podobnym charakterze.
W ten sposób na przekrojach EWO można prześledzić położenie granic efektywnych, ustalić znak efektywnego współczynnika odbicia i jego wielkość związaną z intensywnością odbitej fali. Względne zmiany wielkości współczynników odbicia umożliwiają wyróżnienie śledzonych serii z ogólnego obrazu sekcji sejsmicznej. W przedstawionej metodzie odtwo- rzone na sekcjach granice odpowiadają rzeczywistym granicom geologicznym przy rozdzie- leniu do czterech sygnałów elementarnych interferujących z przesunięciem większym od 0,25 T, gdzie T jest okresem sygnału elementarnego. Rozdzielenie interferencyjnych sygna- łów zwiększa możliwość wydzielenia granic sejsmicznych w stosunku do obrazu falowego.
Rozdzielczość pionowa metody określana jest minimalną miąższością warstwy od spągu i stropu, w której uzyskuje się rozpoznawalne impulsy. Dla większości ośrodków odpowiada to warstwom o miąższości około 15 metrów.
Istotną właściwością sekcji EWO jest możliwość identyfikacji i następnie śledzenia wzdłuż profilu danej warstwy prędkościowej. W przypadku dowiązania prędkości i korelacji współczynników odbicia z danymi z otworów wiertniczych, w postaci profilu stratygraficz- no-litologicznego, znak współczynnika odbicia pozwala identyfikować oraz śledzić określo- ne serie litologiczno-stratygraficzne wzdłuż przekroju sejsmicznego.
Dzięki wykorzystaniu przedstawionych atrybutów impulsowego przekroju: znaku współ- czynnika odbicia, intensywności fali odbitej oraz położenia miejsca odbicia, wzrasta efektyw- ność interpretacji pola fal zapisów sejsmicznych (identyfikacji i korelacji granic sejsmicznych) do odtworzenia budowy geologicznej ośrodka. Obserwowane na przekrojach wyraźne zmiany wartości współczynników, zaburzenia w układzie poziomów odwzorowują zmiany własno- ści fizycznych poszczególnych warstw. Na podstawie interpretacji przekrojów wydzielone są charakterystyczne kompleksy i strefy nieciągłości sejsmicznych. Podstawą do wydzielenia kompleksów charakteryzujących budowę strukturalną i litologiczną na przekroju jest podobny charakter, amplituda i znak współczynnika odbicia na sąsiednich trasach sejsmicznych. Przy- czyną zakłóceń może być istnienie naruszeń tektonicznych i/lub zmian w wykształceniu litolo- gicznym (linie nieciągłości tektonicznej i/lub litologicznej). Informacje wskazujące na miejsca osłabienia podłoża są ważne dla wnioskowania na temat stabilności geologicznej terenu.
Wykazana w stosunku do interpretowanych na sekcjach falowych większa liczba stref zaburzeń obrazu sejsmicznego wynika z możliwości metody i wiąże się z ich różnorodnym charakterem. Zastosowanie tego sposobu przekształcenia tras sejsmicznych stwarza warunki
do bardziej szczegółowego odwzorowania przekroju geologicznego aniżeli na amplitudowej sekcji sejsmicznej, z równoczesną charakterystyką układu geometrycznego i fizycznego bu- dujących go warstw.
Ocenę właściwości metody EWO ułatwiają załączone porównania wybranych obrazów falowych z odpowiednimi fragmentami sekcji opracowanymi w wersji współczynników od- bicia (rys. 2.1). Jest to zestawienie porównawcze dla dwóch fragmentów przekroju GB1:
Rys. 2.1. Zestawienie porównawcze dla dwóch fragmentów przekroju GB1: obraz falowy (a), sekcja EWO bez interpretacji (b), sekcja EWO z interpretacją (c). Efektywna granica sejsmiczna ze znakiem współczynnika:
1 – dodatnim, 2 – ujemnym, 3 –linia nieciągłości sejsmicznej tektonicznej i/lub litologicznej Fig. 2.1. Comparison of two fragments of line GB1: wave image (a), ERC section non-interpreted (b), ERC section interpreted (c). Effective seismic boundary with the coefficient value sign: 1 – positive, 2 – negative,
3 – line of seismic, tectonic and/or lithological discontinuity
obraz falowy (a), sekcja EWO bez interpretacji (b) i sekcja EWO z interpretacją (c). Odcinek z interpretacją ilustruje efektywne granice sejsmiczne z uwzględnieniem znaku współczyn- nika odbicia – dodatniego i ujemnego oraz linie nieciągłości sejsmicznej tektonicznej i/lub litologicznej.
2.2. Sposób interpretacji sekcji EWO
Autorskie oprogramowania polskich specjalistów opracowane na platformę typu PC umożliwiają przetwarzanie zbiorów sejsmicznych i interpretację danych podstawowych.
Stosowane są dwa podstawowe systemy: EWO i REFL COEF. Pierwszy program umożliwia wyliczenie impulsu elementarnego i przekształcenie falowych sekcji sejsmicznych w postać współczynników odbicia, drugi służy do interpretacji i wizualizacji sekcji współczynników odbicia. Wszystkie rodzaje plików ze współczynnikami odbicia otrzymane w wyniku wy- konanych transformacji są przedstawiane w zbiorach o rozszerzeniu RAP oraz w zbiorach uwzględniających opracowanie statystyczne o rozszerzeniu STD przystosowanych do wpro- wadzenia do programu interpretacyjnego. Korzystanie z plików typu RAP w procesie inter- pretacji umożliwia większą ingerencję w wypracowanie bardziej optymalnej formy zapisu w analizie materiałów.
Proces interpretacji z wykorzystaniem programu RELF COEF obejmuje korelację granic sejsmicznych oraz śledzenie stref tektonicznych w badanych osadach. Uzyskane wyniki za- znaczane są na przekrojach współczynników zróżnicowaną grafiką.
Konwersja czasowo-głębokościowa przeprowadzana jest za pomocą programów HOR TD i RAP TD. Pierwszy program dotyczy konwersji liniowych elementów interpretacyjnych takich jak: korelowane granice współczynników, uskoki i zmiany facjalne oraz inne strefy wyróżnione w interpretacji. Drugi program dokonuje przeliczeń sekcji czasowej współczyn- ników w przekrój głębokościowy.
Włączone w ten system opracowania materiałów sejsmicznych programy do interpretacji litologicznej geofizyki wiertniczej umożliwiają dokonanie interpretacji zmian litologiczno- -stratygraficznych.
Interpretacja sekcji EWO jest wykonywana według jednolitych kryteriów, poprzez wy- znaczenie dominujących kompleksów litologiczno-stratygraficznych wyróżniających się ciągłością korelacji, wielkością i znakiem współczynnika odbicia oraz wyznaczeniem li- nii tektonicznych. Dowiązanie litologiczno-stratygraficzne korelowanych kompleksów do otworów wiertniczych ułatwia to zadanie. Litologię kompleksów uwzględnia się poprzez zaliczanie warstw do tego samego kompleksu na podstawie współczynników odbicia o po- dobnym charakterze. Granice kompleksów stara się prowadzić w sposób odzwierciedla- jący okresy stratygraficzne. W trakcie interpretacji na sekcjach EWO zostają wyróżnione i przyporządkowane grupy współczynników określonym warstwom, które dość dobrze ko- relują się na dłuższych odcinkach profili. Interpretacja opiera się na śledzeniu poszczegól- nych współczynników i ich pakietów, jak również obserwacji kontynuowania granic oraz
wszelkich stref zaburzeń ciągłości. Istotną informacją są zmiany kierunków ułożenia granic lub całych pakietów, a także zmiany kąta nachylenia linii i przerwania ciągłości. W wyniku analizy sekcji EWO uzyskuje się możliwość określenia kierunków zapadania granic odbija- jących oraz linii nieciągłości litologiczno-tektonicznych. Na podstawie charakterystycznego ułożenia warstw w szeregu miejscach identyfikowane są strefy uskokowe.
Wydzielone warstwy są zwykle dowiązane do określonych serii stratygraficznych i li- tologicznych w otworach z uwzględnieniem miąższości warstwy w otworze. Rzadko roz- mieszczone lub niekorzystnie usytuowane (oddalone od linii profilu) otwory wiertnicze oraz skomplikowana budowa geologiczna danego rejonu nie zawsze pozwalają na dokładne do- wiązanie wszystkich warstw.
Warstwy oznaczane są na profilach odpowiednimi znakami i/lub kolorami. Wydzielenie serii o zróżnicowanych współczynnikach odbicia dostarcza materiał do odtworzenia cha- rakteru budowy ośrodka. Warstwy przepuszczalne – piaskowce, wapienie, dolomity – cha- rakteryzują się na ogół dodatnim współczynnikiem odbicia w stropie i ujemnym w spągu (podwyższona prędkość akustyczna). Odmiennie oznaczone są warstwy izolujące – nieprze- puszczalne (iłowce, mułowce, margle o obniżonej prędkości akustycznej). Wydzielone typy litologiczne skał należy rozumieć jako przewagę danego typu skał w warstwie lub w kom- pleksie warstw.
2.3. Metodyka opracowania danych geofizyki wiertniczej
Geofizyka wiertnicza stanowi istotny element interpretacji sekcji EWO. Wykorzystanie danych geofizyki wiertniczej dla wyznaczenia związków pomiędzy litologią a prędkością fal sejsmicznych pozwala identyfikować serie geologiczne na przekrojach EWO. W szcze- gólności można śledzić niskoprędkościowe lub wysokoprędkościowe serie w porównaniu z otoczeniem. Na podstawie pomiarów profilowania akustycznego lub pseudo-akustycznego ustalane są zależności litologii od prędkości warstwowych i zestawiany jest model litolo- giczno-akustyczny, który następnie jest uwzględniany w dowiązaniu geologicznym granic sejsmicznych. W szczególności identyfikowane są kompleksy piaskowców, iłowców, mu- łowców, margli i wapieni charakteryzujące sie różnymi wartościami prędkości akustycznej.
Opracowanie profilowań geofizycznych w otworach obejmuje określenie na podstawie pomiarów geofizyki wiertniczej, badań petrofizycznych oraz rdzeni i prób okruchowych z wierceń – profilu litologicznego, prędkości akustycznych lub pseudoakustycznych, gę- stości i porowatości w otworach. Na podstawie profilowań geofizycznych, opisów rdzeni i prób okruchowych wydzielone zostają w miarę jednorodne poziomy litologiczno-geofi- zyczne różniące się mierzonymi parametrami i/lub litologią w wydzielonych warstwach, dla których odczytuje się średnie wartości z profilowania akustycznego, z profilowania gamma oraz z profilowania neutronowego. Otrzymane wielkości z profilowań geofizycznych, przy pomocy zależności geostatystycznych oraz formuły skalowania Wyllie’go, wykorzystywane są do określenia parametrów fizycznych skał. Istniejące wyniki pomiarów laboratoryjnych
porowatości i gęstości stosowane są zarówno w skalowaniu profilowań geofizycznych, jak również w opisie litologii i weryfikacji końcowych wyników.
Posługując się wartościami średnimi w warstwach, zamiast profilowaniami ciągłymi, eli- minujemy błąd w identyfikacji głębokości pomiędzy poszczególnymi profilowaniami geofi- zycznymi, wprowadzony w procesie cyfrowania. Dodatkowo uzyskujemy jednolity obraz warstwowy zmian litologii i obliczonych parametrów fizycznych: prędkości, gęstości i po- rowatości. Ponadto ogranicza się wpływ fluktuacji statystycznych, które jako błędy pojedyn- czego pomiaru sumują się w czasie obliczeń.
Zebrane dane o parametrach fizycznych skał pozwalają na utworzenie zbiorów dla po- szczególnych otworów, w których każdemu wyznaczonemu interwałowi głębokości wierce- nia przyporządkowana jest określona litologia oraz wartości prędkości akustycznej i gęstości objętościowej. Dane stratygraficzne otworu określają interwały głębokościowe, dla których można dokonać operacji matematycznych w celu scharakteryzowania danego piętra.
Profilowanie neutron-gamma lub profilowanie neutron-neutron skaluje się według warstw reperowych, w których wartości porowatości znane są z badań laboratoryjnych i po- twierdzone obliczeniami z profilowań elektrycznych. Skalowania profilowań akustycznych poprawiane są na podstawie wykresów krzyżowych profilowania neutronowego i profilowa- nia prędkości akustycznej po uwzględnieniu wpływu średnicy otworu.
Poznanie empirycznego związku pomiędzy porowatością a czasem interwałowym po- zwala nie tylko na korektę skalowania akustycznego, lecz również na obliczenie czasu in- terwałowego na odcinkach, gdzie brak jest pomiarów prędkości akustycznych.
Sytuacja ta wymaga obliczenia w tych interwałach prędkości pseudoakustycznych na podstawie zależności prędkości interwałowej w warstwie od jej porowatości i typu szkieletu.
Wykorzystuje się wspomniany wzór Wyllie’go: ∆t = a + bK, gdzie K – porowatość, ∆t – czas interwałowy. Współczynniki a i b wyznacza się doświadczalnie dla poszczególnych formacji na podstawie wykresów krzyżowych wiążących porowatość i prędkość interwałową z in- nych przedziałów głębokościowych lub otworów o podobnym wykształceniu litologicznym.
Poznanie tej zależności matematycznej jest bardzo istotne, ponieważ uwiarygadnia oblicze- nia współczynników odbicia dla potrzeb badań sejsmicznych, nawet w przypadku braku profilowań akustycznych.
Gęstość objętościową skał oblicza się na podstawie składu objętościowo-litologicznego, zawartość iłu z naturalnego promieniowania gamma, a porowatość z profilowania neutro- nowego i ewentualnie profilowania akustycznego (Szewczyk 2000a i b). Uzyskane wyniki interpretacji ilościowej składu objętościowo-litologicznego porównuje się z opisem rdzeni i prób okruchowych. Dodatkowo wyniki porowatości i gęstości objętościowej zostają zwe- ryfikowane przez zestawienie z wynikami badań laboratoryjnych.
Otrzymane dane o parametrach zostają też skorelowane z pomiarami na próbkach oraz z pomiarami prędkości sejsmicznych na podstawie zgodności hodografów pionowych każ- dego z otworów. Do prędkości akustycznych czy pseudoakustycznych wprowadza się po- prawkę tak, aby obliczony z tych wartości hodograf pionowy był zgodny z pomiarami śred- nich prędkości, a różnice nie przekraczały 5 ms. Ostateczne wartości obliczonych prędkości
i gęstości objętościowej sprawdza się zestawiając je w formie wykresów krzyżowych. Istot- ne jest tutaj nie tylko równanie prostej regresji (formuła Wyllie’go), lecz również rozkład punktów.
Przykład zestawienia wyników określonych prędkości akustycznych, gęstości objęto- ściowych i porowatości całkowitych oraz profilu litologicznego przedstawia załączony wy- kres sporządzony dla otworu Izdebno IG1 (rys. 2.2).
W przypadku istnienia wymaganego zestawu pomiarów geofizycznych w odpowiednich głębokich otworach geologicznych stosowany jest inny sposób opracowania danych geofi- zyki wiertniczej. Polega on na wykorzystaniu profilowań geofizycznych w postaci zbiorów typu LAS, które są przedstawiane w formie wykresów profili litologicznych oraz wartości parametrów fizycznych skał: prędkości akustycznych, gęstości i porowatości. Podstawę ob- liczeń parametrów skał stanowią skorygowane i skalibrowane profilowania radiometryczne, poprawione profilowania akustyczne, profilowania oporności oraz pomiary prędkości śred- nich. Parametry fizyczne skał wyznaczone z profilowań geofizycznych na podstawie orygi- nalnej metodyki STRAT tworzą zbiór dowiązany do profilu litologicznego otworu, ustalo- nego także w wyniku interpretacji. Korelacja wyników z pomiarami gęstości na próbkach, a także z pomiarami średnich prędkości wykonanymi w danym otworze poprzez zestawienia hodografów pionowych zapewnia poprawność obliczeń. Dane uzyskane dla poszczegól- nych formacji skalnych służą bezpośrednio do geologicznej interpretacji wyników badań sejsmicznych.
Zaprezentowane metody interpretacji wyników pomiarów geofizyki wiertniczej dopro- wadzają do uściślenia dowiązań litologicznych poszczególnych granic sejsmicznych wyróż- niających się wzdłuż interpretowanych przekrojów. Przyporządkowanie najczęściej powta- rzających się horyzontów sejsmicznych do danych otworowych, wykorzystane w niniejszej pracy, przedstawia rysunek 2.3.
Rys. 2.2. Fragment profilu litologiczno-stratygraficznego otworu Izdebno IG1 z parametrami fizycznymi warstw (na podstawie Dziewińska i Jóźwiak 2000)
Fig. 2.2. A fragment of lithological-stratigraphical log of borehole Izdebno IG1 with physical parametres of layers (based on Dziewińska and Jóźwiak 2000)
Rys. 2.3. Objaśnienia do rysunków 3.5–3.8, 3.20–3.21, 4.1–4.29 i częściowo do rysunków 3.9–3.14, 3.16–3.17 Fig. 2.3. Explanations to Figures 3.5–3.8, 3.20–3.21, 4.1–4.29 and partly to Figures 3.9–3.14, 3.16–3.17
z wykorzystaniem EWO
Dotychczas metodę EWO wykorzystano w Polsce z powodzeniem dla rozwiązania sze- regu zagadnień mających na celu bardziej precyzyjne wyznaczenie warstw geologicznych określonych na podstawie badań sejsmicznych refleksyjnych. Zastosowano ją z pozytyw- nym rezultatem np. do śledzenia zmian litologicznych w utworach karbonu rowu lubelskie- go, do rozpoziomowania utworów cechsztynu NW obrzeżenia Gór Świętokrzyskich, rozpo- znania złóż prognostycznych miedzi i srebra na monoklinie przedsudeckiej, do określenia kompleksów geofizycznych na dużych głębokościach, czy też do rozpoznania przydatności potencjalnych struktur geologicznych wytypowanych do składowania CO2 (Dziewińska i in.
2000, 2011; Dziewińska i Jóźwiak 2000; Dziewińska i Petecki 2004; Speczik i in. 2011, 2012; Dziewińska i Tarkowski 2012, 2016a, b) (rys. 3.1–3.21).
3.1. Wyniki rozpoznania głębokiego podłoża wzdłuż profilu GB1
W artykule Geophysical study of deep basement structure of NW Poland using ef- fective reflection coefficients (Dziewińska i Tarkowski 2016b) opisano wyniki wyko- rzystania metody efektywnych współczynników odbicia do rozpoznania kompleksów geofizycznych na dużych głębokościach. Wykonane przetwarzanie danych miało na celu stwierdzenie możliwości poprawy korelacji refleksyjnych granic sejsmicznych. W tym celu został wybrany profil GB1-III-86/89 z ogólnego projektu regionalnych refleksyjnych głębokich badań sejsmicznych (GBS) przy zastosowaniu wydłużonych czasów rejestracji do 18 s. Projekt ten obejmuje profile: GB2-87/93, GB2A, GB2B-96 i 25-III-82, wyniki których były już prezentowane w kilku oddzielnych publikacjach oraz wspomniany profil GB1-III-86/89 (GB1) (rys. 3.1–3.3). Podstawowym zadaniem prac było uzyskanie infor- macji o wewnętrznej budowie skorupy ziemskiej od spągu utworów permo-mezozoiku po strefę nieciągłości Mohorovicica (Moho), w tym wyznaczenie stref głębokich rozłamów.
Należy podkreślić, że profil GB1 jest profilem o podstawowym znaczeniu z uwagi na swój przebieg i powiązanie z profilem „Głębokich Sondowań Sejsmicznych (GSS)” – LT7 oraz położenie w stosunku do prac o podobnej tematyce na terenie NW Europy, a szczególnie Niemiec.
Rysg. 3.1. Przekrój czasowy falowy profilu refleksyjnego GB1-III-86/89 (przetwarzanie – Instytut Geofizyki Karlsruhe, interpretacja geofizyczna – Młynarski red. 1993) z zaznaczonymi oknami poddanymi przekształceniu w systemie efektywnych współczynników odbicia (EWO); 1 – główne granice sejsmiczne, 2 – uskoki regionalne (wg Dziewińska i Tarkowski 2016b) Fig. 3.1. Time wave section of reflection line GB1-III-86/89 (processing – Karlsruhe Institute of Geophysics, geophysical interpretation – Młynarski ed. 1993); marked zones transformated in ERC system; 1 – major seismic boundaries, 2 – regional faults (after Dziewińska and Tarkowski 2016b)
Rys. 3.2. Czasowy przekrój sejsmiczny przetworzony metodą efektywnych współczynników odbicia (EWO) – interpretacja autorów na podstawie materiałów z Młynarski red. 1993. Odcinek pierwszy : 104,8–148,0 km (strefa
występowania głębokiego rozłamu ograniczającego TESZ od SW); u góry (a) czas 2,9–5,1 s; u dołu (b) czas 10,0–12,2 s; M, M’ – poziomy sejsmiczne związane z nieciągłością Moho; 1 – wydzielone granice i warstwy współczynników odbicia; 2 – linie nieciągłości sejsmicznej tektonicznej i/lub litologicznej; 3 – granica obszarów
o różnej strukturze; 4 – poziomy sejsmiczne związane z nieciągłością Moho; oznaczenia wydzielonych granic:
P1 – czerwony spągowiec, C – karbon, D – dewon, S – sylur, θ – ordowik, € – kambr, Pr – strop podłoża skonsolidowanego, x – kompleks x, y – kompleks y
(wg Dziewińska i Tarkowski 2016b)
Fig. 3.2. Time wave section transformated in ERC system – interpretation by the authors basing on data from Młynarski ed. 1993. The first section: 104.8–148.0 km (zone of deap fault separating TESZ from the SW); above
(a) time 2.9–5.1 s; below (b) time 10.0–12.2 s; M, M’ – seismic horizons related to the Moho discontinuity;
1 – distingushed boundaries and layers of reflection coefficients; 2 – lines of seismic tectonic and/or lithological discontinuity; 3 – boundaries between areas of different structure; 4 – seismic horizons correlated with the Moho;
symbols of the distinguished boundaries: P1 – Buntsandstein, C – Carboniferous, D – Devonian, S – Silurian, θ – Ordovician, € – Cambrian, Pr – roof of consolidated basement, x – x complex, y – y complex
(after Dziewińska and Tarkowski 2016b)
Rys. 3.3. Czasowy przekrój sejsmiczny przetworzony metodą efektywnych współczynników odbicia (EWO) – interpretacja autorów na podstawie materiałów z Młynarski red. 1993. Odcinek drugi: 202,0–246,0 km (strefa występowania głębokiego rozłamu ograniczającego TESZ od NE); u góry (a) czas 1,0–3,4 s; w środku (b) – czas
6,5–7,95 s; u dołu (c) czas 11,5–13,7 s; objaśnienia jak na rys. 3.2 (wg Dziewińska i Tarkowski 2016b) Fig. 3.3. Time wave section transformated in ERC system – interpretation by the authors basing on data from
Młynarski ed. 1993. The second section: 202.0–246.0 km (zone of deap fault separating TESZ from the NE);
above (a) time 1.0–3.4 s; in the middle (b) time 6.5–7.95 s; below (c) time 11.5–13.7 s; explanations as in Fig. 3.2 (after Dziewińska and Tarkowski 2016b)
Do opracowania wybrano dwa odcinki przekroju 104,8–148 km i 202–246 km w od- powiednich interwałach czasowych (rys. 3.2 i 3.3), w strefach występowania głębokich rozłamów ograniczających odpowiednio od SW i NE jeden z najważniejszych elemen- tów strukturalnych Europy jakim jest strefa szwu transeuropejskiego TESZ (Trans Eu- ropean Suture Zone). W jej obrębie, identyfikowanym z podłużnym blokiem skorupo- wym, następuje przejście od paleozoicznych struktur Europy Zachodniej i Centralnej do prekambryjskich struktur Europy Wschodniej. Jest ona przykryta miąższymi utwo- rami permsko-mezozoicznymi basenu polskiego oraz cienką powłoką osadów kenozo- icznych.
Pierwsza głęboka strefa rozłamowa (w części SW) jest utożsamiana ze strefą TEF (Trans European Fault) stanowiącą przedłużenie systemu uskoków Stralsund-Anklam (SAF) o kie- runku NW-SE, który biegnie wzdłuż S Rugii i prawdopodobnie łączy się ze strefą TESZ w Polsce. Druga strefa rozłamowa (w części NE) koreluje się z SW krawędzią platformy wschodnioeuropejskiej (EEP) oraz NE granicą strefy TTZ (Teissey’rea Tornquista Zone) i obejmuje obszar frontu deformacji kaledońskich CDF (Caledonian Deformation Front).
Jednocześnie są to strefy gradientowe związane z gwałtowną zmianą charakteru pola magne- tycznego, które były przedmiotem analizy map anomalii magnetycznych.
Wykonane przekształcenie falowych przekrojów sejsmicznych w przekroje EWO dostar- czyło nowych materiałów do analizy wyników. Interpretacja wykazała możliwość wydzie- lenia szeregu zmian w przebiegu granic sejsmicznych, niewidocznych na tradycyjnym zapi- sie. Lepiej jest to widoczne dla przedziałów czasowych górnych. W przypadku przedziałów czasowych dolnych wyrazistość granic korelacyjnych jest mniejsza i wydzielone uskoki są mniej pewne w porównaniu z niższymi czasami. Wyznaczone granice sejsmiczne podkre- ślają zarejestrowane formy tektoniczne oraz zmiany w miąższościach kompleksów utworów występujących pomiędzy granicami. Obraz występowania nieciągłości sejsmicznych i wi- doczne przemieszczenia horyzontów sejsmicznych stanowił podstawę do wydzielenia stref uskokowych i/lub linii nieciągłości sejsmicznych.
Zastosowana metoda przekształcenia falowych przekrojów sejsmicznych w sekcje efek- tywnych współczynników odbicia (EWO) dała zadowalające wyniki w obrębie utworów dolnego paleozoiku i starszego podłoża aż do głębokości występowania strefy Moho. Nowa postać zapisu sejsmicznego, w stosunku do dotychczas uzyskanego obrazu falowego prze- kroju GB1-III-86/89, istotnie zwiększa możliwości interpretacyjne i wiarygodność wyni- ków, co znalazło wyraz na przedstawionym materiale ilustracyjnym.
Interpretacja dwóch odcinków profilu GB1 pozwoliła na bardziej szczegółowe odwzoro- wanie obrazu skomplikowanej budowy geologicznej skorupy ziemskiej w obszarach przy- granicznych SW i NE strefy TESZ.
Przeprowadzony cykl prac umożliwił wydzielenie sejsmicznych granic współczynników odbicia z wyróżnieniem w ich obrębie szeregu warstw i kompleksów, w tym strefy przejścia do skonsolidowanego podłoża, wyznaczenie linii i stref nieciągłości sejsmicznych, w tym określenie charakteru i lokalizacji dwóch głębokich rozłamów tektonicznych ograniczają- cych TESZ oraz położenie granicy nieciągłości Moho. Uzyskane wyniki potwierdzają i jed-
nocześnie uzasadniają wcześniejsze koncepcje dotyczące głównych rysów tektonicznych przedstawiane przez badaczy rozpatrywanego obszaru.
Jakość obrazów pozwala na porównanie z profilami głębokich sejsmicznych badań re- fleksyjnych z przyległych terenów Niemiec i południowego Bałtyku. Umożliwia konfronta- cję wyników i szukanie analogicznych elementów interpretacyjnych w celu tworzenia przez specjalistów wspólnych, bardziej szczegółowych koncepcji budowy strukturalno-tektonicz- nej TESZ i jej otoczenia.
W wyniku przeprowadzonej interpretacji uzyskano szereg istotnych, nowych informacji pozwalających na kolejne przybliżenie obrazu wgłębnej budowy geologicznej struktury stre- fy szwu transeuropejskiego. Przedstawione wyniki pozwalają na weryfikację poglądów od- nośnie do modelu budowy strefy brzeżnej platformy wschodnio-europejskiej i przylegającej do niej obszarów od SW oraz mogą stanowić przyczynek do rozważań i tworzenia nowych koncepcji geologicznych. Przedstawiona w publikacji interpretacja może stanowić materiał do podjęcia próby określenia skomplikowanych związków pomiędzy tektoniką obserwowa- ną w pokrywie osadowej i w głębszych partiach skorupy ziemskiej.
Zaprezentowana w artykule interpretacja sekcji EWO dała również wskazówki odnośnie do kontaktu między skorupą kratonu i skorupą platformy paleozoicznej. Dane na podsta- wie analizy materiałów sejsmicznych wzdłuż przekroju GB1 mogą odzwierciedlać istnienie struktury kolizyjnej w pomorskim segmencie strefy TESZ. Sugerują występowanie w tym rejonie tektonicznego szwu kolizyjnego między dwoma blokami skorupowymi (strefa kon- taktu platform) (por. Dziewińska i Tarkowski 2016b).
3.2. Wał gielniowski
Podstawowym zadaniem opracowania monograficznego Kompleksowa interpretacja badań geofizycznych północnego obrzeżenia Gór Świętokrzyskich (Dziewińska i Petecki 2004) było uzyskanie, w obszarze małopolsko-gielniowskim, nowych informacji o budowie geologiczno-strukturalnej kompleksu permsko-mezozoicznego i jego podłoża, w tym z nie- osiągalnego dotychczas metodami geofizycznymi dolnego paleozoiku. Zagadnienia te obej- mowały rozpoznanie budowy strukturalnej i zmian litologicznych w utworach mezozoiku, permu i poniżej permu. Należało także określić miąższość poszczególnych cyklotemów ce- chsztynu, zasięg występowania czerwonego spągowca oraz w miarę możliwości rozpozna- nie osadów przedpermskich. Opracowany model strukturalno-gęstościowy NW obrzeżenia Gór Świętokrzyskich na podstawie interpretacji pomiarów geofizycznych (Dziewińska i in.
2000) ułatwił to zadanie.
W celu rozwiązania problemu związanego z niewystarczającą rozdzielczością zapisu sej- smicznego, dla kilku wytypowanych profili zastosowano metodę przekształcenia falowego zapisu sejsmicznego w postać impulsową (sekcje czasowe współczynników odbicia). Wyko- rzystanie wyników systemu efektywnych współczynników odbicia (EWO) wniosło istotny wkład do interpretacji materiałów sejsmicznych.
Struktura Opoczno i Studzianna
Przykład poprawy jakości wyników uzyskanych dzięki zastosowaniu tej transformacji sejsmicznej w zakresie rozpoziomowania utworów cechsztynu w obszarze wału gielniow- skiego przedstawia praca wykonana dla dwóch wybranych odcinków z profili 2a-I-91W (rys.
3.4) i 1-IV-86/87W (rys. 3.5) obrazujących odpowiednio struktury Opoczno i strefę Stu- dzianna. Rysunek 3.4 pokazuje miejsce zwiększonych miąższości soli cechsztyńskich z re- jestrującą się nad nimi strukturą antyklinalną Opoczno w obrębie triasu i towarzyszącymi jej rowami tektonicznymi po obu stronach. Interpretacja wykonana na drugim profilu wykazuje skomplikowany układ poziomów śródcechsztyńskich i sugeruje możliwość występowania, w rejonie bezpośrednio na SE od otworu Studzianna IG2, strefy nasunięciowej w utworach cechsztynu. Podstawę korelacji stanowiły otwory odpowiednio: Opoczno PIG2 i Studzianna IG2. Interpretacja wykonana według jednolitych kryteriów z zaznaczeniem pięter stratygra- ficznych i serii litologicznych o zróżnicowanych współczynnikach odbicia, pozwoliła na wydzielenie wyróżniających się litologicznie warstw wzdłuż przekrojów, szczególnie w tria- sie i wykazującym się dużą komplikacją budowy cechsztynie. Określone warstwy w otwo- rach wiertniczych i przyporządkowane im grupy współczynników odbicia zostały oznaczone kolejnymi cyframi na rysunkach 3.4 oraz 3.5. Wydzielono kompleksy sejsmiczne o pod- wyższonych prędkościach akustycznych w stropie retyku (Tre), wapieniu muszlowym (Tm) oraz w górnym (Tp3) i środkowym (Tp2) pstrym piaskowcu. Granice pierwsze związane są z wkładkami dolomitycznymi w obrębie mułowcowo-ilastej serii retyku. Źródłem bardzo wyraźnych poziomów Tm oraz słabszego w górnym Tp (Tp3) – retu są wysokoprędkościo- we osady węglanowe, głównie wapienie i częściowo dolomity. Kontrast prędkości między nadległym retem a warstwą ilastą w stropie Tp2 o niskich prędkościach wydziela następną granicę. W utworach cechsztynu wyróżniono współczynniki odbicia pochodzące od stropu najmłodszych soli cyklotemu Aller związane z ich kontaktem z iłowcowymi osadami dol- nego pstrego piaskowca (Tp1) oraz od trzech warstw anhydrytów kolejnych cyklotemów:
Leine, Stassfurt i Werra na granicach z solami. Przedstawiana interpretacja odzwierciedla zmiany miąższości i wykształcenie litologiczne poszczególnych cyklotemów cechsztynu, podkreślając np. miąższe utwory solne górnego cechsztynu (cyklotemy PZ3 i PZ4) w rejonie wiercenia Opoczno PIG2 i prawdopodobne wyniesienie utworów podpermskich w tym miej- scu. Obraz współczynników odbicia wskazuje, że plan strukturalny tych deformacji (karboń- skich?) jest inny niż kompleksu permsko-mezozoicznego.
Rozpatrując możliwość prześledzenia budowy tektoniczno-geologicznej wzdłuż profili, można powiedzieć o różnicach w zaleganiu warstw płytszych (szczególnie wapienia mu- szlowego) i głębszych (cechsztyn). Na profilu 2a-I-91W (rys. 3.4) w wapieniu muszlowym występują dwa wyraźne obniżone bloki oraz niewielki uskok. Zaburzony zapis może być związany ze zmianami nad głębszym uskokiem, notowanym w cechsztynie. Od tego miejsca na NE zanikają też dwa płytsze horyzonty o niewielkim współczynniku odbicia. Budowa osadów cechsztyńskich jest bardziej skomplikowana. Przecina je więcej uskoków, a miąż- szości i kontrast prędkościowy poszczególnych warstw wykazują dużą zmienność. Zapadają one od otworu Opoczno PIG2 na SW w systemie kilku bloków. Struktura Opoczna stanowi
Rys. 3.4. Struktura Opoczno, sekcja EWO – przekrój 2a-I-91W (na podstawie Dziewińska i Petecki 2004); Oznaczenia wydzielonych granic kontrastów prędkościowych: 1, 1’ – strop retyku; 2, 2’ – wapień muszlowy; 3 – górny pstry piaskowiec; 4 – środkowy pstry piaskowiec; 5 – strop soli najmłodszych PZ4; 6, 7, 8 – anhydryty odpowiednio PZ3, PZ2, PZ1 Fig. 3.4. Opoczno structure, ERC section – line 2a-I-91W (based on Dziewińska and Petecki 2004); Symbols of the distingushed zones of velocity contrasts: 1, 1’ – roof of Rhaetian; 2, 2’ – Muschelkalk; 3 – Upper Buntsandstein; 4 – Middle Buntsandstein; 5 – roof of youngest salt PZ4; 6, 7, 8 – anhydrites PZ3, PZ2, PZ1, respectively
Rys. 3.5. Struktura Studzianna, sekcja EWO – przekrój 1-IV-86/87W (na podstawie Dziewińska i Petecki 2004);
objaśnienia jak na rys. 3.4
Fig. 3.5. Studzianna structure, ERC section – line 1-IV-86/87W (based on Dziewińska and Petecki 2004);
explanations as in Fig. 3.4
formę antyklinalno-blokową ograniczoną w obrębie dolnych ogniw triasu uskokami. Składa się z szeregu poprzemieszczanych względem siebie bloków tektonicznych.
Obraz przedstawiony na profilu 1-IV-86/87W (rys. 3.5) przedstawia stopniowe zapadanie warstw z SSE na NNW. Nie obserwuje się tak dużych zrzutów stref uskokowych (nieciągło- ści tektonicznych) jak na profilu 2a, lecz kilka drobnych, z których największa znajduje się bezpośrednio przy otworze Studzianna IG2. Tę samą budowę prezentuje także cechsztyn, z tym że liczba uskoków wzrasta. W kolejnych blokach zmienia się taż charakter kontaktu- jących się warstw. Otwór Studzianna IG2 znajduje się w bezpośredniej bliskości uskoku, po stronie zrzuconej. Warstwy płytsze są dobrze przyporządkowane stratygraficznie. W cechsz- tynie, biorąc pod uwagę trudności związane ze skomplikowaną budową tego kompleksu, wyróżniono tylko dwie warstwy anhydrytów dość zgodne z danymi otworowymi. Na odcin- ku początkowym profilu cechsztyn pomimo dużych współczynników odbicia jest określony niejednoznacznie i tylko jego zapadanie na zachód jest pewne.
Dotychczasowa interpretacja nie zabezpieczała bezpośredniego badania zmian w wy- kształceniu litologicznym poszczególnych cyklotemów cechsztynu wzdłuż przekrojów sejsmicznych, co jest podstawowym zadaniem przy badaniu utworów permskich. Zapre- zentowane przykłady przekształcenia sejsmicznych sekcji falowych w wersję EWO i ich interpretacja wskazują, iż możliwe jest wyznaczenie granic sejsmicznych z przedziału utwo- rów cechsztyńskich. Dane te łącznie z informacjami z wierceń dają podstawy do określenia zmian miąższości między refleksami, co jest też istotne np. w interpretacji mającej na celu poszukiwanie pułapek litologicznych w utworach węglanowych cechsztynu w otoczeniu utworów solnych i anhydrytów oraz pułapek strukturalnych w utworach cechsztynu i czer- wonego spągowca.
Rejon Ostałowa–Skrzynna
Istotne informacje dla rozpoznania rejonu gielniowskiego wnoszą wyniki uzyskane w wersji EWO na profilu 18-II/III-91W, którego odcinek z rejonu Ostałowa przedstawiają rysunki 3.6 i 3.7; stanowi ona fragment wspomnianego przekroju ograniczony do rejonu uskoku Skrzynna. Ze względu na niską jakość obrazu na przekroju falowym 18-II/III-91W granica charakteryzująca przyspągowe utwory cechsztynu występuje jako ostatnia, względ- nie dynamiczna granica sejsmiczna w kompleksie permskim. W rezultacie interpretacji sek- cji EWO obejmujących wyniki w utworach podcechsztyńskich skorelowane fragmenty gra- nic przyporządkowano utworom karbonu, dewonu i syluru.
Na NE od otworu Ostałów 1 stwierdzono regionalny uskok Skrzynna (rys. 3.6 i 3.7), zrzucający skrzydło NE o założeniach w utworach paleozoiku. W rejonie obniżonym za- rejestrowaną w utworach od jury do karbonu strukturę synklinalną ogranicza od NE strefa uskokowa, tworząc rów tektoniczny. Interpretacja danych geofizycznych prowadzi do wnio- sku, że występują tu skały karbońskie o dużej miąższości. Uskok Skrzynna dzieli przekrój na dwie części: NE o głęboko położonym spągu cechsztynu i SW, gdzie podłoże cechsztynu (P2) występuje znacznie płycej. W strefie dźwigniętej (podniesienie Ostałów) P2 leży bezpo- średnio na dewonie, a w obszarze obniżonym – na karbonie górnym. Układ strukturalny per-
Rys. 3.6. Rejon Ostałowa, sekcja EWO – przekrój 18-II/III-91W (na podstawie Dziewińska i Petecki 2004) Fig. 3.6. Area of Ostałowa, ERC section – line 18-II/III-91W (based on Dziewińska and Petecki 2004)
Rys. 3.7. Strefa uskokowa Skrzynna, sekcja EWO fragment przekroju 18-III-91W (na podstawie Dziewińska i Petecki 2004)
Fig. 3.7. Skrzynna fault zone, ERC section – a fragment of 18-III-91W line (based on Dziewińska and Petecki 2004)
momezozoiku, w małym stopniu odkształconego jest odmienny od młodopaleozoicznego.
Na podstawie wydzielonych na sekcji EWO serii związanych z granicami karbońsko- -dewońskimi i głębszymi, dyslokacja Skrzynna jest opisywana jako uskok normalny o po- wierzchni nachylonej bardzo stromo, ale pod pewnym kątem ku NE. Nie można wyklu- czyć, że głównej płaszczyźnie rozłamowej towarzyszą nieciągłości tektoniczne, o różnym nachyleniu płaszczyzn uskokowych. Jest to bardzo istotna wiedza biorąc pod uwagę, że ze względu na bardzo niską jakość sejsmicznego zapisu falowego z podłoża podpermskiego, nie udało się w jego obrębie wyróżnić żadnych refleksów związanych z osadami karbonu i dewonu (Krzywiec 1996). W świetle danych EWO uskok Skrzynna przedstawia bardzo głęboko zakorzeniony rozłam skorupowy, a skomplikowana budowa wewnętrzna tej stre- fy dyslokacyjnej świadczy o jej złożonej genezie. Wyniki interpretacji EWO rzucają nowe światło na szereg podstawowych zagadnień i problemów natury tektoniczno-strukturalnej powiązanych z długotrwałą aktywnością uskoku Skrzynna. Informacje te stały się podstawą do przeprowadzenia studiów ważnych etapów tektonicznego rozwoju tej wielkiej regional- nej strefy dyslokacyjnej w okresie od paleozoiku po jurę (Kowalczewski 2002).
3.3. Rejon lubelski
W ramach wymienionego opracowania monograficznego, dotyczącego północnego obrze- żenia Gór Świętokrzyskich (Dziewińska i Petecki 2004), oprócz wcześniej opisanych sek- cji, proces transformacji danych sejsmicznych w postać EWO obejmuje też dwa profile zlokalizowane już w obszarze niecki lubelskiej (rys. 3.8 i 3.9). Stanowią one kontynuację interpretacji wykonanej na omówionym wyżej przekroju 18-II/III-91W, tworząc w ten spo- sób jedna ciągłą linię. Rysunek 3.8 przedstawia strefę Lisów–Ursynów, a rysunek 3.9 rejon Maciejowice–Izdebno–Garwolin. Na profilach tych stosunkowo dobrze zostały wyznaczone piętra permomezozoiku, a w podłożu tych utworów kompleksy karbonu, dewonu lub syluru, z podkreśleniem serii litologicznych o podwyższonych wartościach współczynników odbi- cia związanych z warstwami wapiennymi lub piaszczystymi.
Strefa Lisów–Ursynów
Strefę Lisów–Ursynów reprezentuje profil sejsmiczny 6-V-88K (rys. 3.8) położony na W brzegu Wisły. Wyniki sejsmiczne, w postaci sekcji współczynników odbicia, bardzo plastycznie przedstawiają tu charakter zalegania skał, szczególnie skomplikowany poniżej utworów karbońskich. Na przekroju zaznaczają się nieciągłości tektoniczne dzielące obszar na poszczególne bloki. Pod utworami permo-mezozoiku występują zdyslokowane tektonicz- nie osady dewonu. Wyróżnia się też antyklina Lisowa z wyraźnym wyniesieniem, (prawdo- podobnie) utworów sylurskich, której po stronie wschodniej towarzyszy strefa uskokowa. Ze strefą tą prawdopodobnie należy wiązać skokowy spadek miąższości utworów triasowych w kierunku SW. Wschodnia część przekroju, w której jest zlokalizowany otwór wiertni- czy Ursynów1, przecina rów lubelski wypełniony osadami karbońskimi o dużej miąższości.
Rys. 3.8. Strefa Lisów–Ursynów, sekcja EWO – przekrój 6-V-88K (na podstawie Dziewińska i Petecki 2004) Fig. 3.8. Lisów–Ursynów zone, ERC section – line 6-V-88K (based on Dziewińska and Petecki 2004)
Rys. 3.9. Rejon Maciejowice–Izdebno–Garwolin, sekcja EWO – przekrój 16-IV-83T (interpretacja na podstawie materiałów z Dziewińska i Petecki 2004); 1. Charakterystyczne poziomy litologiczne, 2. Oznaczenia poziomów piaskowcowych w karbonie wg tabeli (rys. 2.2), 3. Granice stratygraficzne, 4. Wyklinowania śródwarstwowe piaskowców karbońskich Fig. 3.9 Maciejowice–Izdebno–Garwolin area, ERC section – line 16-IV-83T (interpretatrion based on data from Dziewińska and Petecki 2004); 1. Distinctive lithological horizons, 2. Symbols of sandstone horizons within the Carboniferous system according to the table in Fig. 2.2, 3. Stratigraphical boundaries, 4. Intrastratal wedging outs in Carboniferous sandstones
