Janusz MADEJ, Sławomir PORZUCEK, Zbigniew SZCZERBOWSKI, Monika ŁÓJ Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków

Transkrypt

1 WRSZTTY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str Janusz MDEJ, Sławomir PORZUCEK, Zbigniew SZCZERBOWSKI, Monika ŁÓJ kademia Górniczo-Hutnicza, Kraków Mikrograwimetryczna ocena aktualnego stanu górotworu nad wysadem solnym w Inowrocławiu Streszczenie Zakończenie prac górniczych nie stanowi zakończenia problemów związanych z ochroną powierzchni terenu. W górotworze dalej zachodzą procesy fizyczne, m.in. sufozja i subrozja, które mogą zmieniać górotwór. Niemożliwa jest ocena bieżącego stanu górotworu tylko na podstawie analizy archiwalnych materiałów geologicznych, górniczych i geodezyjnych. Koniecznym jest zbadanie, co dzieje się w górotworze w danym momencie, a do tego celu najlepiej nadają się bezinwazyjne metody geofizyczne. utorzy podają przykład zastosowania metody mikrograwimetrycznej i dodatkowo pomiarów geodezyjnych do oceny aktualnego stanu górotworu nad wysadem solnym w Inowrocławiu. 1. Wstęp Jak powszechnie wiadomo, znaczna część Inowrocławia leży nad wysadem solnym, który był eksploatowany od drugiej połowy XIX wieku do lat 80-tych zeszłego wieku. W ramach projektu KBN 5 T12E w latach na znacznym obszarze miasta wykonano badania mikrograwimetryczne mające na celu prześledzenie zmian zachodzących w górotworze solnym, a zwłaszcza w jego przypowierzchniowej partii. Badania zrealizowano w tych częściach Inowrocławia, w których w przeszłości występowały zapadliska powierzchni terenu, ale także w części pozbawionej tego rodzaju zjawisk. Badania mikrograwimetryczne objęły trzy obszary miasta: południowy (rejon ulic Gwarków i Poznańskiej), zachodni (okolice ulic Roosvelta i Staszica) oraz centralny (ulice: Staszica, Świętokrzyskiej, Szymborskiej i Górniczej) co w sumie stanowi powierzchnię około 140 ha. Jednocześnie w latach 2002 i 2004 zespół pracowników GH wykonał pomiary wysokościowe sieci punktów zlokalizowanych na terenie miasta Inowrocław. 2. Warunki geologiczne rejonu badań Wysadowe złoże soli Inowrocław w rzucie poziomym ma długość ok. 2 km (na kierunku S N) i szerokość ok. 1 km (na kierunku W E). Eksploatowane było głównie metodą komorowo-filarową (eksploatacja prowadzona przez kopalnię Solno ). Wysad przykryty jest czapą gipsową (lub iłowo-gipsową) występującą na głębokości nawet kilku metrów. Średnia miąższość utworów gipsowych wynosi ok. 100 m (maksymalnie ok. 180 m). 405

2 J. MDEJ i in. Mikrograwimetryczna ocena aktualnego stanu górotworu nad wysadem... C F E D - zapadliska przed 1861 r. - zapadliska po 1861 r. - warstwice wody gruntowej (1932) Rys Budowa tektoniczna wysadu solnego w Inowrocławiu na tle poziomu zwierciadła wodonośnego wg Budryka (1933) Fig Tectonic structure of Inowroclaw s salt dome on the water level background, by Budryk (1933) 406 B 95 B - linia uskokowa

3 WRSZTTY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Głębokość zalegających poniżej tych utworów skał solnych nie jest do końca znana. Jeden z otworów rozpoznawczych Ino-2 (wykonany do głębokości 3000 m) nie przebił się przez warstwę pokładu soli. Bezpośrednio do wysadu solnego przylegają ze wszystkich stron silnie spękane i strzaskane utwory jurajskie, które od strony wschodniej wysadu są wykształcone w facji węglanowej (dolomity, wapienie, margle), natomiast od strony zachodniej w facji piaskowcowej i piaszczystej. Na kontakcie utworów jurajskich z obrzeżeniem wysadu, występuje powstały w wyniku ługowania ociosów wysadu solnego płaszcz iłowy, którego, jak się podejrzewa, pozbawiona jest (do głębokości 700 m) zachodnia strona wysadu. Nadkład stanowią utwory czwartorzędowe (w części północnej złoża także utwory jurajskie) wykształcone w postaci glin zwałowych, iłów, piasków różnej granulacji i żwirów o miąższości od kilku do ok. 70 m. W obrazie pionowym wysad przedstawia się jako słup przechylony w kierunku na zachód i rozszerzający się, z głębokością, ku zachodowi. Wysad solny powstał na skrzyżowaniu dwóch głównych dyslokacji o kierunkach NW SE i SW NE (rys. 2.1), o czym pisał już w swojej pracy W. Budryk (1933) i późniejsi autorzy (Ney i Ślizowski 1991). Poza litologią szczególnie istotne znaczenie, z punktu widzenia interpretacji wyników pomiarów mikrograwimetrycznych, mają warunki hydrogeologiczne, a szczególnie strefy drenażu, ługowania itp. przez migrujące w górotworze wody. Spodziewane procesy wymywania mas skalnych przez krążące wody mogą być związane (Łąka 1980) z: czapą iłowo gipsową, która jest w całej masie szczelinowata i wypełniona krążącymi wodami, rozługowującymi uwięzione wśród gipsów bryły soli, a w spągowej części czapy sól należącą do górnej strefy wysadu, wspomnianymi pęknięciami tektonicznymi, w których zachodzi zwiększenie procesu ługowania gipsu, czy niszczenie materiału ilastego (pęknięcie o kierunku SW-NE prowadzić mogło wody ze skał jurajskich po wschodniej stronie wysadu do wyrobisk zatopionej kopalni znajdującej się po wschodniej stronie wysadu), wodami podziemnymi krążącymi wzdłuż granic strukturalnych wysadu, sztucznie ożywionymi przez stare kopalnie z przełomu XIX i XX w (Poborska-Młynarska 1984). 3. Górnictwo soli Występowanie soli pod Inowrocławiem odkryto przy okazji poszukiwania wody pitnej otworem wiertniczym w latach Początek działalności górniczej w wysadzie solnym datuje się na początek lat 70-tych XIX wieku, kiedy to powstały pierwsze otwory wiertnicze eksploatujące solankę. Pod koniec tego wieku zgłębiono pierwsze szyby i rozpoczęła się podziemna eksploatacja soli. Działalność górniczą prowadziły dwie kopalnie - państwowa i prywatna. Wskutek nieprawidłowości przy eksploatacji w 1907 roku nastąpiło zatopienie obydwu kopalni. Po katastrofie początkowo eksploatowano sól tylko metodą ługowania soli wodą słodką, ale w latach 20-tych XX wieku powstała podziemna kopalnia, gdzie prowadzono eksploatację na poziomach 470 i 540 m. Po II wojnie światowej kontynuowano otworową i podziemną eksploatację soli do czasu, kiedy w roku 1982 podjęto decyzję o likwidacji kopalni poprzez zalanie jej wyrobisk solanką. Do zamknięcia kopalni w dużej mierze przyczyniły się katastrofalne skutki powierzchniowe nagłego zatopienia kopalni soli w Wapnie (Ney i Ślizowski 1991). 407

4 J. MDEJ i in. Mikrograwimetryczna ocena aktualnego stanu górotworu nad wysadem Deformacje powierzchni terenu Na obszarze Inowrocławia obserwowano i nadal obserwuje się deformacje ciągłe i nieciągłe powierzchni terenu. Wydawać by się mogło, że przyczyną powstawania owych deformacji jest górnictwo soli. Stwierdzenie to jest prawdziwe, ale nie do końca. Deformacje nieciągłe, w postaci zapadlisk, powstawały nawet tam, gdzie nie było eksploatacji soli. Na mapie przedstawionej przez Budryka (rys. 2.1) można zaobserwować podział zapadlisk na dwa rodzaje: przed 1861 (przyjęta przez Budryka umowna data rozpoczęcia eksploatacji soli) i po 1861 roku. W niepublikowanych materiałach PBG Warszawa (Łąka 1980) wyszczególniono 11 zapadlisk przed rokiem 1873 oraz 15 do roku Niektóre z nowych zapadlisk miały katastrofalne skutki: 1909 zawalenie ściany kościoła NMP, 1918 zawalenie się budynku mieszkalnego w rejonie ul. Orłowskiej, 1932 uszkodzenie linii kolejowej na terenie starej kopalni Solno. Powstanie zapadlisk wcześniejszych niewątpliwie związane było z naturalnymi procesami krasowymi zachodzącymi w czapie iłowo-gipsowej. Rozpoczęcie eksploatacji soli zmieniło warunki hydrogeologiczne, a przede wszystkim przyspieszyło krążenie wód w strefie czapy iłowo-gipsowej (Poborska-Młynarska 1984). Źle zaprojektowane prace wydobywcze dodatkowo zaburzyły istniejące warunki hydrogeologiczne panujące w górotworze. W efekcie silnie wzmogły się procesy sufozji i subrozji, co spowodowało na początku XX wieku wystąpienie groźnych zapadlisk powierzchni terenu. nalizując rys. 2.1 łatwo zauważyć korelację starych i nowych zapadlisk z liniami uskoków, a w szczególności z ich przecięciami. Oprócz deformacji nieciągłych obserwuje się osiadania i wypiętrzenia powierzchni terenu, których przyczyny należy upatrywać w działalności górniczej i zmiennych warunkach hydrogeologicznych, jak i samej aktywności wysadu solnego. 5. Badania mikrograwimetryczne Badania mikrograwimetryczne, wykonane w ramach projektu, objęły znaczny obszar centralnej części wysadu solnego w Inowrocławiu. Jednym z ich celów było rozpoznanie przypowierzchniowych partii górotworu, czyli stanu czapy iłowo-gipsowej. Wykonano rozproszone zdjęcie mikrograwimetryczne, starając się by odległość między punktami (o ile to możliwe w warunkach zabudowy miejskiej) nie przekraczała 25 m. W wyniku tych badań otrzymano rozkład mikroanomalii siły ciężkości w redukcji Bouguera rys nalizując rozkład mikroanomalii obserwuje się dominującą mikroanomalię, charakterystyczną dla wysadu solnego - izolinie pola siły ciężkości zamykają się i posiadają kształt elipsy. mplituda mikroanomalii wynosi ponad 4 mgal, co w przyjętej, w mikrograwimetrii, nomenklaturze wykracza poza zakres nazwy mikroanomalia (Fajklewicz, 1980). Dominujący efekt grawitacyjny od wysadu należy potraktować jako anomalię regionalną, podczas gdy zadaniem było znalezienie mikroanomalii tj. efektów generowanych przez niewielkie ciała zaburzające zalegające w czapie iłowo-gipsowej i nad nią. W rozkładzie łatwo zauważyć inny gradient poziomy we wschodniej i zachodniej części wysadu solnego, czego przyczynę należy upatrywać w różnej budowie geologicznej po obu stronach wysadu. Silny gradient we wschodniej części rozkładu spowodowany jest występowaniem skał wykształconych w facji węglanowej o wyższej gęstości objętościowej w stosunku do skał facji piaszczystej i piaskowcowej po stronie zachodniej. W rozkładzie można wyróżnić również koncentryczną 408

5 WRSZTTY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie mikroanomalię na południe od centrum zdjęcia. Jej lokalizacja pokrywa się z zapadliskiem z roku 1917 w rejonie ulicy Zapadłe C F E mgal D B zapadliska przed 1861 rokiem - zapadliska po 1861 roku B - linia uskokowa Rys Rozkład mikroanomalii siły ciężkości w redukcji Bouguera Fig Distribution of Bouguer microanomalies 409

6 J. MDEJ i in. Mikrograwimetryczna ocena aktualnego stanu górotworu nad wysadem... Z uwagi na charakter rozkładu mikroanomalii siły ciężkości w redukcji Bouguera do wydzielenia anomalii rezydualnych, odpowiedzialnych za zmiany w przypowierzchniowej partii górotworu, zastosowano metodę Griffina. Zastosowanie małego promienia zbierania informacji, a mianowicie 50 m, pozwoliło na odjęcie efektu grawitacyjnego pochodzącego od wysadu solnego i wydzielenie pożądanych anomalii rezydualnych rys Niestety, wadą tej metody jest utrata informacji w pasie brzegowym wykonanego zdjęcia mikrograwimetrycznego. Rozkład anomalii rezydualnych siły ciężkości zmienia się w granicach od 0,30 mgal do +0,3 mgal. Większa część zdjęcia mikrograwimetrycznego, wraz z jego centrum, charakteryzuje się rozkładem anomalii o małym zróżnicowaniu. Niemniej jednak dobrze widoczne są trzy obszary: K, L i M, które charakteryzują się dużą zmiennością rozkładu. Obszar K, leżący w północnej części zdjęcia, zlokalizowany jest w obrębie strefy uskokowej E-F, o przebiegu SW NE, opisanej przez W. Budryka (1933). nomalie rezydualne pokrywają się z przebiegiem linii tej strefy. Dodatkowo, obszar ten, położony jest blisko przecięcia się tej strefy uskokowej ze strefą -B o przebiegu NW SE. Jak można zauważyć (rys. 5.2) w rejonie tym występowały liczne zapadliska pochodzenia naturalnego, tzn. jeszcze przed rozpoczęciem eksploatacji soli. Rozkład anomalii rezydualnych wskazuje na znaczne zróżnicowanie gęstościowe przypowierzchniowych partii górotworu. Zróżnicowanie to na pewno spowodowane jest między innymi zmiennością miąższości czwartorzędu od kilku do ok. 20 m, a co za tym idzie, zmienną głębokością do stropu czapy iłowo gipsowej. Nie można jednak wykluczyć, na co również wskazują liczne zapadliska z okresu poprzedzającego eksploatację soli, że taki rozkład anomalii rezydualnych obrazuje zmiany gęstościowe w czapie iłowo gipsowej, co może stanowić zagrożenie dla powierzchni terenu poprzez powstanie deformacji nieciągłych. Inny charakter mają anomalie rezydualne położone w wydzielonym obszarze L. Na obszarze tym prowadzona była płytka eksploatacja podziemna (na granicy zwierciadła solnego i czapy), jak również eksploatacja otworowa starej kopalni Solno. nomalie rezydualne posiadają charakterystyczny, koncentryczny kształt, a ich położenie pokrywa się z lokalizacją zapadlisk powstałych na początku XX w. nomalie rezydualne posiadają znaczne amplitudy (nawet powyżej 0,2 mgal), co świadczy o znacznym niedoborze mas w górotworze. Innymi słowy zapadliska nie zostały poprawnie zlikwidowane lub zostały aktywowane poprzez zjawisko sufozji. Obszar ten absolutnie nie nadaje się do zabudowy i istnieje duże prawdopodobieństwo wystąpienia na nim deformacji nieciągłych powierzchni terenu. Trzeci obszar oznaczony literą M położony jest na wschodniej granicy wysadu solnego. Rejon ten jest silnie zurbanizowany, co w znacznym stopniu utrudniało uzyskanie równomiernego rozmieszczenia punktów pomiarowych. Rozkład anomalii rezydualnych siły ciężkości ujawnia istnienie wydłużonej, względnie ujemnej anomalii o kierunku N S. Powierzchniowy rozkład anomalii odpowiadać może skutkom lokalnego ługowania, znacznie w tym miejscu nachylonego zwierciadła solnego, przez wody gruntowe wsiąkające w czapę gipsową. Proces ten powoduje również ługowanie resztek soli zawartej w czapie gipsowej (Budryk 1933), wskutek czego powstawać mogą w niej ubytki mas. Ubytki te generują właśnie względnie ujemne mikroanomalie siły ciężkości. 410

7 WRSZTTY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie C F E D B mgal zapadliska przed 1861 rokiem - zapadliska po 1861 roku B - linia uskokowa - obszary anomalne Rys Rozkład anomalii rezydualnych siły ciężkości Fig Distribution of gravity residual microanomalies 411

8 J. MDEJ i in. Mikrograwimetryczna ocena aktualnego stanu górotworu nad wysadem Pomiary geodezyjne W latach 2002 i 2004 zespół pracowników GH wykonał precyzyjne pomiary wysokościowe w sieci punktów zlokalizowanych na terenie Inowrocławia (w układzie odniesienia Kronsztad), w nawiązaniu do punktów zlokalizowanych poza obszarem górniczym kopalni tj.: reperu ściennego Rp. 126 o wysokości HRp.126 = 90,385 m n.p.m. (strona północna obszaru miasta, ul. Toruńska) i ziemnego punktu sytuacyjno wysokościowego 10 o wysokości H10 = 92,075 m n.p.m. (strona południowa miasta, ul. Poznańska). Do wyrównania sieci przyjęto wysokości punktów Rp.126 i 10 z roku ostatniego pomiaru tj. z 2002 r. Pomiarem objęto blisko 2,4 km 2 powierzchni miasta Inowrocław, a łączna długość ciągów niwelacyjnych wyniosła 16,07 km (pomiar w 2004), razem 90 punktów wysokościowych ściennych oraz 17 ziemnych punktów sytuacyjno-wysokościowych. Pomiary wykonane zostały precyzyjnym niwelatorem kodowym Na 3003 firmy Leica. Przeciętna wartość błędu średniego wysokości punktu w sieci wyniosła poniżej 1 mm (1,8 mm w 2002 r.). Zaobserwowane zmiany wysokościowe powierzchni terenu pomiędzy rokiem 2002 i 2004 są oczywiście niewielkie, ale posiadają taki sam trend, jak zmiany pomiędzy rokiem 1995 i 2004, które zostały przedstawione na rys Wyznaczone przemieszczenia pionowe mają charakter ujemny (osiadania) i dodatni (wypiętrzenia). Stwierdzone pomiędzy latami oraz zmiany wysokościowe cechują podobne wartości prędkości, ok. 1-2 mm/rok (zarówno dla wypiętrzeń, jak i osiadań). Z uwagi na powstałe w ostatnich latach na terenie miasta, zarówno niecki osiadań, jak i wypiętrzeń, obraz zmian wysokościowych jest złożony (Szczerbowski 2004). 7. Podsumowanie Badania mikrograwimetryczne wykonane na powierzchni ok. 140 ha na terenie miasta Inowrocławia pozwoliły na wydzielenie trzech obszarów (rys. 5.2), na których mogą wystąpić deformacje nieciągłe powierzchni terenu. Obszar K, na którym występowały już zapadliska powierzchni terenu z przyczyn naturalnych, położony jest na szczelinie uskokowej, a dodatkowo w okolicy jej przecięcia z inną strefą. Rozkład anomalii rezydualnych wskazuje na duże zróżnicowanie gęstościowe przypowierzchniowych partii górotworu, co świadczyć może o procesach fizycznych w nim zachodzących, takich jak sufozja. Potwierdzają to pomiary geodezyjne (rys. 6.1), które sygnalizują obniżanie się powierzchni terenu. Drugi obszar L jest niebezpieczny z racji istnienia na nim nie w pełni podsadzonych zapadlisk, które są efektem złej eksploatacji na początku XX wieku. Obszar M, na którym nie zanotowano dotąd zapadlisk, wykazał również istnienie względnie ujemnej anomalii rezydualnej. Zmienność rozkładu anomalii jest o wiele mniejsza niż na pozostałych obszarach, co świadczy, że istnieje ubytek mas w górotworze, ale nie jest on tak groźny jak na pozostałych dwóch obszarach. Jednakże, z uwagi na brak możliwości wykonania regularnego rozłożenia punktów pomiarowych, mogą istnieć lokalnie większe obniżenia gęstości w górotworze, które stanowiłyby zagrożenie dla powierzchni terenu. Należy również nadmienić, że na tym obszarze również obserwujemy obniżanie się powierzchni terenu. Pomiary geodezyjne wykazują obniżanie powierzchni na znacznym obszarze w południowej części miasta. Ograniczony obszar badań mikrograwimetrycznych nie pozwala 412

9 WRSZTTY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie na grawimetryczne śledzenie przyczyn tego obniżania się. Wydaje się, że nawet powiększenie obszaru badań nie dałoby rezultatów. Obszar obniżeń ma znaczną powierzchnię i wydzielenie z pola siły ciężkości, zdominowanego przez szeroko-promienny wpływ wysadu solnego, efektu odpowiedzialnego za te obniżenia nie wydaje się możliwe C F E D B m zapadliska przed 1861 rokiem - zapadliska po 1861 roku B - linia uskokowa Rys Zmiany wysokości terenu pomiędzy 1995 a 2004 rokiem Fig The height changes of Inowroclaw area since 1995 to

10 J. MDEJ i in. Mikrograwimetryczna ocena aktualnego stanu górotworu nad wysadem... Istnieje korelacja pomiędzy obszarami osiadania w południowej części miasta (rys. 6.1) a strukturą migracji wód opisaną przez W. Budryka (1933). Zatem można sądzić, że przyczyna osiadań jest powiązana z warunkami hydrogeologicznymi panującymi nad wysadem solnym, co można by potwierdzić poprzez porównanie z najnowszymi danymi, którymi niestety autorzy nie dysponowali. Nie ulega wątpliwości, ze na osiadanie i poziom wód gruntowych ma również była intensywna eksploatacja soli w tym rejonie. Reasumując, badania mikrograwimetryczne wraz pomiarami geodezyjnymi pozwoliły na ocenę stanu górotworu w jego przypowierzchniowej strefie, pod kątem zagrożenia powierzchni terenu deformacjami ciągłymi, jak i nieciągłymi. Literatura [1] Budryk W. 1933: Zapadliska na terenie miasta Inowrocławia. Przegląd Górn.-Hutn. nr 8, [2] Fajklewicz Z., 1980: Mikrograwimetria górnicza, Wydawnictwo Śląsk, Katowice. [3] Łąka M. z zesp. 1980: Dokumentacja szczegółowych badań grawimetrycznych. Temat: wysad solny Inowrocław, 1980 r., Przedsiębiorstwo Badań Geofizycznych, Warszawa 1980, materiały niepublikowane. [5] Ney R, Ślizowski K. 1991: Kopalnia Solno poligonem doświadczalnym w skali cechsztyńskiego Zagłębia solnego Europy Wschodniej. Gospodarka surowcami mineralnymi, t.7, z.4, [6] Poborska-Młynarska K. 1984: Naturalna degradacja wysadu solnego w Inowrocławiu. Kwartalnik Geologiczny, t.28, nr 2, [7] Szczerbowski Z. 2004: Problematyka pogórniczych deformacji powierzchni na przykładzie byłego obszaru górniczego Inowrocław. V Konferencja Naukowo-Techniczna SIiTG Ochrona Środowiska na Terenach Górniczych. Szczyrk. Wyd. Przedsiębiorstwa Miernictwa Górniczego Sp. z.o.o. Microgravimetric assessment of the current condition of rock mass over a salt dome in Inowrocław Termination of mining activities does not imply the cessation of problems related to the protection of land surface. There still occur processes in rock mass (like suffusion or subrosion) that change its physical properties. It is impossible to evaluate the current condition of rock mass on the basis of the analysis of archival geological, mining or geodetic materials alone. It is therefore necessary to further investigate the rock mass behavior at a given moment where the non-invasion geophysical methods have proved best for this purpose. The authors present an example of how microgravimetric method along with geodetic surveys can be applied for the assessment of the current condition of rock mass over a salt dome in Inowrocław. Przekazano: 30 marca 2005 r. 414