Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Transkrypt

1 Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska Zakład Analiz Środowiskowych i Kartografii ROZPRAWA DOKTORSKA ZASTOSOWANIE WYBRANYCH METOD GEOFIZYCZNYCH DO ROZPOZNANIA FACJALNEGO UTWORÓW GÓRNOJURAJSKICH NA WYŻYNIE KRAKOWSKO-CZĘSTOCHOWSKIEJ JOANNA JĘDRYS Promotor rozprawy: dr hab. inż. JACEK MATYSZKIEWICZ, prof. AGH Kraków 27

2 SPIS TREŚCI: 1. Wstęp Cel pracy Charakterystyka Wyżyny Krakowsko-Częstochowskiej Położenie geograficzne Wyżyny Krakowsko-Częstochowskiej Geomorfologia Wyżyny Krakowsko-Częstochowskiej Budowa geologiczna Wyżyny Krakowsko-Częstochowskiej Litologia, stratygrafia i geneza osadów górnej jury na Wyżynie Krakowsko- Częstochowskiej Metodyka badań Metoda magnetometryczna Charakterystyka metody magnetometrycznej oraz celowość jej zastosowania Dotychczasowy stan wiedzy Metoda georadarowa Charakterystyka metody georadarowej oraz celowość jej zastosowania Dotychczasowy stan wiedzy Badania magnetometryczne Metodyka badań magnetometrycznych Magnetyczny obraz Wyżyny Krakowsko-Częstochowskiej Anomalia Bębła Budowa podmezozoicznego podłoża Płaskowyżu Ojcowskiego w rejonie Bębła Charakterystyka osadów górnojurajskich na Płaskowyżu Ojcowskim w rejonie Bębła Interpretacja anomalii Bębła Badania mikromagnetyczne Anomalia Krzywopłotów Budowa podmezozoicznego podłoża południowej części Wyżyny Częstochowskiej Charakterystyka osadów górnojurajskich południowej części Wyżyny Częstochowskiej Interpretacja anomalii Krzywopłotów Wnioski Badania georadarowe Metodyka badań georadarowych Olsztyńskie Skały w Olsztynie k. Częstochowy Opis obszaru badań Wyniki i interpretacja pomiarów georadarowych Skały Twardowskiego na zrębie Zakrzówka w Krakowie Opis obszaru badań Wyniki i interpretacja pomiarów georadarowych Interpretacja 3D wyników pomiarów georadarowych z regionu Skał Twardowskiego Podsumowanie Spis rycin i tabeli Wyjaśnienie skrótów oraz symboli i jednostek fizycznych użytych w pracy Literatura Kraków 27 2

3 1. WSTĘP Rozprawa doktorska Zastosowanie wybranych metod geofizycznych do rozpoznania facjalnego utworów górnojurajskich na Wyżynie Krakowsko- Częstochowskiej została wykonana w latach na Wydziale Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska Akademii Górniczo-Hutniczej, w Zakładzie Analiz Środowiskowych i Kartografii, pod kierunkiem dr hab. inż. Jacka Matyszkiewicza. Rozprawa doktorska jest częściowo kontynuacją badań przedstawionych w pracy magisterskiej pt. Zastosowanie metody georadarowej do rozpoznania płytkiej budowy geologicznej na przykładzie zrębu Zakrzówka i Piekar (23) napisanej pod kierunkiem dr inż. Marcina Krajewskiego. Prezentowane w rozprawie doktorskiej rezultaty badań zostały częściowo zreferowane podczas ogólnopolskiej konferencji Zróżnicowanie i przemiany środowiska przyrodniczo-kulturowego Wyżyny Krakowsko-Częstochowskiej w Ojcowie (24), Polskiej Konferencji Sedymentologicznej w Zakopanem (24), Międzynarodowego Forum Młodych Naukowców w Rosji, w Sankt Petersburgu (26), na posiedzeniach Komisji Nauk Geologicznych Oddziału PAN w Krakowie (26, 27), sesji terenowej 7. Międzynarodowego Kongresu Jurajskiego w Krakowie (26), oraz zostaną zreferowane podczas międzynarodowej konferencji The 24-th General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics we Włoszech, w Perugii (27), 25th International Association of Sedimentologists Meeting of Sedimentology w Grecji, w Patras (27) i podczas Ogólnopolskiego Kongresu Jurassica w Krakowie (27). Ponadto, wybrane wyniki badań zostały przedstawione w formie publikacji (JĘDRYS i in. 24, KRAJEWSKI i in. 25, JĘDRYS 27, JĘDRYS i KRAJEWSKI w druku, MATYSZKIEWICZ i in. w druku). Autorka pragnie bardzo serdecznie podziękować panom dr hab. inż. Jackowi Matyszkiewiczowi i dr inż. Marcinowi Krajewskiemu z Zakładu Analiz Środowiskowych i Kartografii WGGiOŚ AGH za wprowadzenie w tematykę i wszechstronną pomoc; pani prof. dr hab. inż. Jadwidze Jarzynie kierownik Zakładu Geofizyki WGGiOŚ AGH za udostępnienie aparatury do pomiarów georadarowych i magnetometrycznych; panu dr inż. Jerzemu Ziętkowi z Zakładu Geofizyki WGGiOŚ AGH za pomoc w przeprowadzeniu pomiarów georadarowych i przetworzeniu danych oraz pomoc w interpretacji wyników; zespołowi geofizyków Pracowni Magnetycznej Zakładu Geofizyki WGGiOŚ AGH, w szczególności panom dr hab. inż. Markowi Lembergerowi Kraków 27 3

4 za wprowadzenie w tematykę pomiarów magnetometrycznych oraz dr hab. inż. Grzegorzowi Bojdysowi za udostępnienie autorskich programów do interpretacji anomalii magnetycznych, pomoc w interpretacji anomalii magnetycznych oraz liczne dyskusje. Wyrazy wdzięczności autorka kieruje do Centalnego Archiwum Geologicznego Polskiego Instytutu Geologicznego za udostępnienie gridu mapy magnetycznej T anomalii całkowitego pola magnetycznego Ziemi oraz profili otworowych dla obszaru Wyżyny Krakowsko-Wieluńskiej oraz do pana dr Jerzego Buły z Oddziału Górnośląskiego Państwowego Instytutu Geologicznego w Sosnowcu za udzieloną pomoc i liczne dyskusje. Autorka dziękuje również koleżankom i kolegom z Zakładu Analiz Środowiskowych i Kartografii oraz z Akademickiego Klubu Grotołazów za pomoc w przeprowadzeniu pomiarów georadarowych i mikromagnetycznych, a także panom: Andrzejowi Górnemu z Muzeum Geologicznego WGGiOŚ AGH, dr inż. Jerzemu Mościckiemu z Zakładu Geofizyki WGGiOŚ AGH i prof. dr hab. inż. Jackowi Motyce WGiG AGH za liczne dyskusje. Kraków 27 4

5 2. CEL PRACY Głównym celem pracy było sprawdzenie możliwości zastosowania wybranych metod geofizycznych do rozpoznania zróżnicowania facjalnego osadów górnej jury (WKC). W skali regionalnej całego obszaru WKC zastosowano metodę magnetometryczną, a w skali lokalnej pojedynczych odsłonięć metodę georadarową. Jednym z kluczowych zagadnień budowy WKC jest geneza rozmieszczenia górnojurajskich grup skalnych reprezentujących zachowane fragmenty kompleksów budowli węglanowych. Ich rozmieszczenie jest nierównomierne, a wykształcenie zróżnicowane w poszczególnych częściach WKC (zob. m. in.: RÓŻYCKI 1953, KUTEK i in. 1977, TRAMMER 1985, HELIASZ 199, MATYSZKIEWICZ 1997, MATYSZKIEWICZ i in. 21, JĘDRYS i in. 24, MATYSZKIEWICZ i in. 26 a, b). Przyjmuje się, że rozkład facji osadów górnojurajskich uzależniony był od wielu czynników, wśród których jako najważniejsze wymienia się: konfigurację północnej części szelfu oceanu Tetydy w późnej jurze (MATYJA i WIERZBOWSKI 1996, 24, MATYSZKIEWICZ 1997, 1999), wpływ budowy podmezozoicznego podłoża (KUTEK 1994, JĘDRYS i in. 24, KRAJEWSKI i MATYSZKIEWICZ 24, MATYSZKIEWICZ i in. 26 b) oraz tektonikę synsedymentacyjną (KUTEK 1994, KRAJEWSKI i MATYSZKIEWICZ 24, MATYSZKIEWICZ i in. 26 a). Krytyczną analizę czynników warunkujących rozkład facji osadów górnej jury na WKC w stosunku do wcześniejszych interpretacji zawiera praca MATYSZKIEWICZA (1997). Obecność paleozoicznych intruzji granitoidowych w podmezozoicznym podłożu WKC, jako ciał o niższej gęstości w stosunku do otaczających je skał, była przyczyną zróżnicowanej subsydencji w późnej jurze. W wyniku oddziaływania zróżnicowanej subsydencji, połączonej niekiedy z tektoniką synsedymentacyjną, w rejonach późnojurajskiego basenu podścielonych intruzjami granitoidowymi doszło do powstania niewielkich wyniesień (KUTEK 1994, MATYSZKIEWICZ 1997). Wyniesienia te zostały następnie zasiedlone głównie przez gąbki krzemionkowe oraz organizmy mikrobialne, których intensywny rozwój doprowadził w konsekwencji do utworzenia rozległych kompleksów budowli węglanowych (TRAMMER 1985, KUTEK 1994, MATYSZKIEWICZ 1997, MATYSZKIEWICZ i in. 26 a, b). Fragmenty tych kompleksów zachowane są na WKC w postaci grup skałek zbudowanych głównie z wapienia skalistego. Kraków 27 5

6 Uzyskane wyniki badań geofizycznych pozwoliły na częściową weryfikację hipotezy o wpływie budowy podmezozoicznego podłoża na rozkład facji osadów górnojurajskich na WKC (por. m. in.: KUTEK 1994, MATYSZKIEWICZ 1997, KRAJEWSKI 22, JĘDRYS i in. 24, MATYSZKIEWICZ i in. 26 b). Do sprawdzenia powyższej hipotezy wykorzystano wyniki badań magnetometrycznych. Porównano rozmieszczenie anomalii magnetycznych, których źródła stanowią m. in. intruzje skał magmowych (SKORUPA 1953, DĄBROWSKI i KARACZUN 1958, KURBIEL 1978, CIEŚLA i in. 1984, GRABOWSKA 25) z rozmieszczeniem osadów facji skalistej górnej jury. W celu rozpoznania wielkości i kształtu intruzji przeprowadzono interpretację anomalii magnetycznych w wybranych częściach WKC. Osady górnojurajskie powszechnie odsłaniają się na obszarze WKC lub występują płytko pod pokrywą osadów kenozoicznych. Niekiedy jednak, istnieje potrzeba zbadania ciągłości przebiegu struktur geologicznych, takich jak: kanały krasowe, uskoki i cios, a także zmian facjalnych pomiędzy odsłonięciami. Do tego celu wykorzystano metodę georadarową testując jej skuteczność w kartowaniu geologicznym osadów górnojurajskich zalegających płytko pod utworami czwartorzędu. Nieinwazyjny sposób wykonywania pomiarów, ich szybkość, niskie koszty i łatwość interpretacji oraz możliwość uzyskania przestrzennego obrazu budowy geologicznej czynią metodę georadarową bardzo pomocną w badaniach geologicznych osadów przypowierzchniowych. Skuteczność metody warunkuje kilka czynników, wśród których najważniejsze są: odpowiednie wykształcenie osadów przypowierzchniowych, niska wilgotność badanych osadów oraz sprzyjające warunki terenowe do przeprowadzenia pomiarów (KARCZEWSKI 1997). Miejsca pomiarów georadarowych na WKC przedstawione w niniejszej pracy spełniają wszystkie wymienione warunki, co zagwarantowało wysoką rozdzielczość obrazów georadarowych oraz ułatwiło czytelność struktur geologicznych. Kraków 27 6

7 3. CHARAKTERYSTYKA WYŻYNY KRAKOWSKO-CZĘSTOCHOWSKIEJ 3.1. POŁOŻENIE GEOGRAFICZNE WYŻYNY KRAKOWSKO-CZĘSTOCHOWSKIEJ WKC rozciąga się od okolic Krakowa w kierunku północno-zachodnim, do rejonu Częstochowy i dzieli się na dwa mezoregiony różniące się morfologią: Wyżynę Częstochowską oraz Wyżynę Krakowską (CZEPPE 1972; Ryc. 1). Wyżyna Krakowska ograniczona jest od południa Bramą Krakowską, a od północnego-zachodu obniżeniem Bramy Wolbromskiej. Od północnego-wschodu sąsiaduje z Wyżyną Miechowską, a od zachodu z Wyżyną Śląską. Najważniejsze jednostki fizyczno-geograficzne Wyżyny Krakowskiej stanowią: Płaskowyż Ojcowski, Rów Krzeszowicki, Grzbiet Tenczyński oraz zrębowe pagóry w południowej części wyżyny należące do Bramy Krakowskiej (KONDRACKI 2). Wyżyna Częstochowska rozciąga się między Bramą Wolbromską i doliną Białej Przemszy na południu a doliną Warty na północy. Od strony zachodniej ograniczona jest kilkudziesięciometrowym progiem, tzw. kuestą jurajską (HELIASZ i in. 1987, FELISIAK i MATYSZKIEWICZ 24), a od wschodniej przylega do Niecki Nidziańskiej. W rzeźbie Wyżyny Częstochowskiej zaznaczają się liczne wzgórza tworzące rozległe pasma: Smoleńsko-Niegowonickie, Zborowsko-Ogrodzienieckie i Olsztyńsko-Mirowskie, które rozdzielone są rozległymi, płaskimi obniżeniami (CZEPPE 1972, KONDRACKI 2). Wyżyny: Krakowska i Częstochowska tworzą dział wodny między Wisłą a Odrą. Kraków 27 7

8 Ryc. 1. Położenie i podział geograficzny Wyżyny Krakowsko-Częstochowskiej (na podst.: CZEPPE 1972, KONDRACKI 2). Gwiazdkami zaznaczono lokalizację szczegółowych pomiarów geofizycznych: kolor czarny pomiary georadarowe, kolor czerwony pomiary mikromagnetyczne. Kraków 27 8

9 3.2. GEOMORFOLOGIA WYŻYNY KRAKOWSKO-CZĘSTOCHOWSKIEJ Największy wpływ na obecną morfologię WKC miały: zróżnicowanie facjalne wapieni górnojurajskich, wielofazowe ruchy tektoniczne oraz procesy krasowe (DŻUŁYŃSKI 1952, 1953, GRADZIŃSKI 1962, ALEXANDROWICZ 1969, FELISIAK 1992, RUTKOWSKI 1996, MATYSZKIEWICZ 21, ALEXANDROWICZ i ALEXANDROWICZ 24, JĘDRYS i in. 24, MATYSZKIEWICZ i in. 26 b). Zróżnicowanie facjalne wapieni górnojurajskich oraz procesy krasowe zostały omówione poniżej, natomiast tektonika w rozdziale 3.3. Wyżyna Krakowska stanowi zwarty blok o cechach płaskowyżu. Jej centralną część zajmuje Płaskowyż Ojcowski o wysokości 4-48 m n.p.m., który pocięty jest licznymi głębokimi dolinkami. Wysokości najwyższych, odpreparowanych ostańców górnojurajskich przekraczają 5 m n.p.m. Ku południowi płaskowyż przechodzi w zrębowe pagóry oddzielone rowami tektonicznymi. W rzeźbie Wyżyny Częstochowskiej dominują natomiast pasma wzgórz o wysokości m n.p.m., których wierzchołki zwieńczone są ostańcami górnojurajskimi o wysokości do 5 m n.p.m. Pasma wzgórz budowane przez wychodnie wapieni górnojurajskich są rozdzielone szerokimi obniżeniami o zróżnicowanej genezie. Wapienie górnojurajskie na WKC występują w trzech głównych facjach: skalistej, uławiconej i płytowej (DŻUŁYŃSKI 1952; patrz rozdział 3.4.). Obszary, w których dominują odporne na erozję facje skaliste, tworzą w krajobrazie wierzchowiny, które układają się w pasma. Pasma te rozdzielone są rozległymi obniżeniami, wypełnionymi facjami uławiconymi (zob. m. in.: DŻUŁYŃSKI 1952, ALEXANDROWICZ i ALEXANDROWICZ 24, TYC 25). Reliktami wapieni skalistych są ostańce skalne charakterystyczne elementy morfologii WKC. Występują one na wierzchowinach jako pojedyncze skały lub grupy skalne albo w zboczach dolin, jako skalne ściany, czy też izolowane turnie osiągając niekiedy wysokości ponad 3 metrów. Powstanie charakterystycznych dla wyżyny form krasowych, m. in. jaskiń, lejów, wywierzysk oraz form skałkowych rozwiniętych w osadach górnojurajskich, związane jest z wieloetapowymi procesami krasowienia trwającymi od paleogenu do czasów współczesnych (GRADZIŃSKI 21). Pierwszy etap krasowienia mógł rozpocząć się nawet wcześniej, w późnej kredzie (GŁAZEK i in. 1992). Jednym z najważniejszych czynników warunkujących rozwój procesów krasowych w osadach górnojurajskich było Kraków 27 9

10 zróżnicowanie facjalne tych osadów, z którym związana jest zróżnicowana zawartość minerałów ilastych w skale (DŻUŁYŃSKI 1953, GRADZIŃSKI 1962, GŁAZEK i in. 1992, TYC 25). Zawartość ta wpływa na intensywność rozwoju zjawisk krasowych. Minerały ilaste zatykając kanaliki hydrauliczne wewnątrz skały hamują przepływ wody, a przez to rozwój procesów krasowych. Spośród wszystkich typów facjalnych wapieni górnojurajskich, wapienie skaliste cechują się najniższą zawartością substancji ilastej (DŻUŁYŃSKI 1953, GRADZIŃSKI 1962, GŁAZEK i in. 1992). Stąd najwięcej form krasowych występuje w wapieniach skalistych. Najbardziej spektakularnymi formami krasowymi na WKC są jaskinie. Rozwinięte są one przede wszystkim w wapieniach skalistych, a jedynie podrzędnie w wapieniach uławiconych; przypadek ten dotyczy głównie jaskiń w zrębie Zakrzówka w Krakowie (GRADZIŃSKI 1962). W wapieniach płytowych typowe jaskinie krasowe nie występują. Jaskinie mają przeważnie rozwinięcie poziome, a jedynie ok. 1,6% ich ogółu posiada deniwelację równą lub większą od 2 metrów (GRADZIŃSKI i SZELEREWICZ 24). Ich rozmiary są zazwyczaj niewielkie; przeciętna długość korytarzy to kilkanaście do kilkudziesięciu metrów. Wśród elementów rzeźby krajobrazu WKC wymienia się również denudacyjną powierzchnię zrównania (m. in.: DŻUŁYŃSKI 1953, GRADZIŃSKI 1962, FELISIAK 1992, RUTKOWSKI 1996, ALEXANDROWICZ i ALEXANDROWICZ 24). Jest ona słabo falista, często pocięta głębokimi dolinami o skalistych zboczach oraz wąwozami. Powstanie powierzchni zrównania związane jest z oddziaływaniem ciepłego i wilgotnego klimatu panującym na WKC w paleogenie (głównie eocenie) sprzyjającemu rozwojowi procesów krasowych (DŻUŁYŃSKI 1953, GRADZIŃSKI 1962). Na powierzchni zrównania występują również inne formy krasowe, jak ponory oraz leje i kanały, które w większości wypełnione są rumoszem, iłami i piaskami. Cechą charakterystyczną morfologii zachodniej granicy północnej części Wyżyny Krakowskiej oraz Wyżyny Częstochowskiej jest obecność progu strukturalnego kuesty jurajskiej (zob. m. in.: HELIASZ i in. 1987, FELISIAK i MATYSZKIEWICZ 24). Próg ten zanika w kierunku północnym wzdłuż południowo-zachodniej granicy Wyżyny Wieluńskiej. Powstanie kuesty związane jest przede wszystkim ze znaczną różnicą odporności na erozję pomiędzy górnojurajskimi wapieniami a osadami nadległymi i podścielającymi je, a także z monoklinalnym nachyleniem osadów górnej jury. Kraków 27 1

11 3.3. BUDOWA GEOLOGICZNA WYŻYNY KRAKOWSKO - CZĘSTOCHOWSKIEJ W rozważaniach nad genezą rozprzestrzenienia górnojurajskich budowli węglanowych na obszarze WKC, a także w celu interpretacji anomalii magnetycznych konieczne jest przedstawienie budowy geologicznej tego rejonu. Ryc. 2. Mapa geologiczna podmezozoicznego podłoża Wyżyny Krakowsko-Częstochowskiej bez permu (granice WKC zaznaczono białą linią; na podst. BUŁA i in. 22, uproszczona). Kraków 27 11

12 Podmezozoiczne podłoże WKC zbudowane jest z dwóch bloków tektonicznych o charakterze terranów: Bloku Małopolskiego (BM) i Górnośląskiego (BG; DADLEZ i in. 1994, UNRUG i in. 1999, ŻABA 1999). Granicę między nimi stanowi strefa uskokowa Kraków-Lubliniec (SUKL), której szerokość wynosi ok. 5 m (Ryc. 2; BUŁA i in. 1997, ŻABA 1999, BUŁA 2). Strefa ta na odcinku: Zawiercie Kraków rozciąga się w kierunku NW-SE, a w rejonie Zawiercia skręca na zachód w kierunku Lublińca, wychodząc poza obręb WKC (Ryc. 2). Założenia tej strefy sięgają proterozoiku, a jej aktywność tektoniczna zaznacza się nieprzerwanie, od najwcześniejszego paleozoiku do czasów współczesnych, przy czym największa aktywność przypada na okres od kambru po perm (BUŁA 2, MORAWSKA 1997, ŻABA 1997, 1999, UNRUG i in. 1999). W wyniku aktywności SUKL, serie skalne budujące sąsiadujące ze sobą bloki tektoniczne różnią się między sobą wiekiem, litologią, stopniem deformacji i przeobrażeń oraz stylem tektonicznym (Ryc. 3; ŻABA 1999, BUŁA 22). Z aktywnością tektoniczną SUKL związane są również intruzje skał magmowych występujące w krawędziowych częściach obu bloków (Ryc. 2). Kraków 27 12

13 Ryc. 3. Profil litologiczno-stratygraficzny osadów w brzeżnych częściach Bloków Górnośląskiego i Małopolskiego (bez przejawów magmatyzmu; wg ŻABA 1999, uproszczony). Wschodnia część BG zbudowana jest z prekambryjskich skał metamorficznych i magmowych skał głębinowych, na których zalega fałdowe piętro strukturalne kambryjsko-ordowickie (Ryc. 3; ŻABA 1999, BUŁA 2). Skały tego piętra wykształcone są przede wszystkim jako piaskowce, mułowce i iłowce. Najstarszym piętrem strukturalnym w brzeżnej części BM jest fałdowe piętro wendyjsko-dolnokambryjskie. Skały tego kompleksu to słabo zmetamorfizowane, silnie tektonicznie zdeformowane klastyki, wykształcone jako fyllity. W strefach występowania intruzji granitoidowych skały te uległy przeobrażeniom na skutek metamorfizmu kontaktowego. Kolejnym piętrem strukturalnym BM jest fałdowe piętro ordowicko-sylurskie, reprezentowane przez skały węglanowe i klastyczne. Skały węglanowe wykształcone są jako wapienie i wapienie dolomityczne, które lokalnie zostały przeobrażone w wapienie krystaliczne, marmury lub Kraków 27 13

14 skarny. Skały klastyczne reprezentowane są przez serię ilasto-mułowcowo-piaszczystą, która lokalnie jest również przeobrażona metamorficznie (ŻABA 1999, BUŁA 2). Wspólne dla obu bloków kompleksy skalne pojawiają się dopiero od dolnego dewonu tworząc fałdowe piętro dewońsko-karbońskie, zbudowane ze skał klastycznych i węglanowych (Ryc. 3; UNRUG i in. 1999, BUŁA 22). Skały prekambryjsko-paleozoiczne przykrawędziowych stref BM i BG zostały zdeformowane podczas czterech głównych faz tektonicznych, którym towarzyszyły zjawiska magmatyzmu (ŻABA 1999). Fazy te miały charakter wieloetapowy i zachodziły kolejno: po wczesnym kambrze, od późnego syluru do początku wczesnego karbonu, od schyłku namuru do westfalu B i od późnego westfalu do wczesnego stefanu. Pierwsza faza objęła tylko skały BM, które zostały wtedy sfałdowane oraz zmetamorfizowane. Podczas trzech kolejnych faz, serie skalne brzeżnej strefy obu bloków tektonicznych ulegały fałdowaniom, uskokowaniom oraz przesunięciom. Intruzje skał magmowych związane są głównie z dwoma fazami deformacji: z fazą drugą, w późnym sylurze, kiedy w skały brzeżnej części obu bloków tektonicznych intrudowały diabazy i niektóre porfiry oraz z fazą trzecią, w późnym karbonie, kiedy w skałach brzeżnej części BM zostały ulokowane intruzje granitoidowe i porfirowe (zob.: HARAŃCZYK 1988, BUKOWY 1994, HARAŃCZYK i in. 1995, ŻABA 1999, BUŁA 2). Powierzchnia utworów prekambryjsko-paleozoicznych w okresie od permu do wczesnego triasu była erodowana (ŻABA 1999, BUŁA i in. 22). Obecnie, najpłycej strop tych utworów znajduje się w szerokim pasie: od Będkowic, przez Olkusz, Ogrodzieniec, Zawiercie aż do Myszkowa. Od rejonu Żarek strop utworów prekambryjsko-paleozoicznych zapada na północ (HABRYN i in. 22). Utwory te są prawie na całym obszarze WKC przykryte osadami młodszymi; lokalnie mogą one występować bardzo płytko pod powierzchnią. Przykładem takiej budowy są dolinki podkrakowskie: Szklarki i Będkówki, gdzie utwory paleozoiku występują na głębokości od kilku do kilkunastu metrów pod dnem dolin (HARAŃCZYK i in. 1995). Kolejnym piętrem strukturalnym jest monoklinalne piętro permsko-mezozoiczne, które zbudowane jest przede wszystkim z klastycznych i węglanowych osadów triasu, jury i kredy (Ryc. 4). Do piętra tego należą również lokalnie występujące magmowe skały permu wykształcone w postaci porfirów kwarcowych, lamprofirów, melafirów i diabazów oraz zlepieńców i tufów. Osady triasowe występują jedynie w zachodniej i południowozachodniej części WKC, gdzie miąższość ich wynosi średnio 1-3 metrów Kraków 27 14

15 (SENKOWICZOWA 1998). Na obszarze WKC dominują osady jury (Ryc. 4); ich średnia miąższość wynosi 15-2 metrów, a maksymalnie dochodzi do 8 metrów (KUTEK 1994). Osady kredy występują w postaci nieregularnych płatów o miąższości do 5 metrów w okolicach Krakowa (RUTKOWSKI 1993) oraz do ponad 1 metrów we wschodnim i północno-wschodnim obrzeżeniu WKC (BEDNAREK i in b). Wychodnie mezozoiku na obszarze WKC stanowią przede wszystkim bardziej odporne na wietrzenie wapienie górnej jury oksfordu i kimerydu (patrz rozdział 3.4.). Ukształtowanie monokliny śląsko-krakowskiej zachodziło wieloetapowo: podczas deformacji laramijskich oraz ruchów zachodzących w oligocenie i wczesnym miocenie (DŻUŁYŃSKI 1953, MAŁECKI 1958, BUKOWY 1968, FELISIAK 1992, RUTKOWSKI 1993). W wyniku tych deformacji permsko-mezozoiczne serie skalne zostały nachylone ku północnemu-wschodowi, a następnie podzielone uskokami na bloki tektoniczne, zręby i rowy. Większość uskoków w osadach mezozoicznych to strome uskoki normalne i progowe; w południowej części Wyżyny Krakowskiej występują również uskoki nożycowe (DŻUŁYŃSKI 1953). Niekiedy w obrębie zaburzonych warstw obserwuje się ugięcia fleksuralne (DŻUŁYŃSKI 1953, KROKOWSKI 1984, MATYSZKIEWICZ i KRAJEWSKI 1996, KRAJEWSKI i MATYSZKIEWICZ 24). Wielkości zrzutów uskoków są różne: od kilku milimetrów do ponad 1 metrów. Często uskoki tworzą systemy schodowe, których łączny zrzut może dochodzić do kilkuset metrów. Ponadto, dla osadów jurajskich charakterystyczna jest obecność ciosu (DŻUŁYŃSKI 1953, KROKOWSKI 1984). Główne kierunki spękań to NE-SW oraz NW-SE. Spękania ciosowe są niekiedy rozmyte krasowo. Kraków 27 15

16 Ryc. 4. Mapa geologiczna odkryta Wyżyny Krakowsko-Częstochowskiej i jej otoczenia (granice WKC zaznaczono białą linią; wg POŻARYSKI i in. 1966, DADLEZ i in. 2, uproszczona). Zrębowo-uskokowy styl piętra permsko-mezozoicznego częściowo nawiązuje do budowy paleozoicznego podłoża WKC (ŻABA 1999, BUŁA 22). Zespoły uskoków i spękań ciosowych, które występują w utworach mezozoicznych, uznawane są niekiedy za struktury naduskokowe związane z przemieszczeniami zachodzącymi wzdłuż SUKL (ŻABA 1999). Podczas kolejnych ruchów tektonicznych paleozoiczne kierunki nieciągłości były częściowo przenoszone do osadów młodszego piętra strukturalnego. Zrębowouskokowy styl południowej części Wyżyny Krakowskiej spowodowany jest włączeniem tej części wyżyny w obręb zapadliska przedkarpackiego (DŻUŁYŃSKI 1953, FELISIAK 1992, RUTKOWSKI 1993). Osady najmłodszego piętra kenozoiku zachowane są fragmentarycznie na obszarze WKC (WALCZAK 1953, ALEXANDROWICZ 196, FELISIAK 1992). Najstarsze osady z tego okresu to paleogeńskie rumosze skalne wypełniające leje krasowe oraz tzw. piaski formierskie występujące w północnej części Wyżyny Częstochowskiej (GRADZIŃSKI Kraków 27 16

17 1977). W południowej części Wyżyny Krakowskiej osady paleogeńskie i neogeńskie wypełniają zapadliska i obniżenia tektoniczne. Są to osady ilaste, a także wapienie ostrygowe i caliche (ALEXANDROWICZ 196, GRADZIŃSKI 1963, FELISIAK 1992, RUTKOWSKI 1993). Na nich znajduje się gruby kompleks badeńskich osadów ilastych z serią ewaporatową (FELISIAK 1992, RUTKOWSKI 1993). Osady plejstoceńskie to głównie piaski, gliny lodowcowe, żwiry oraz lessy pochodzenia lodowcowego i wodnolodowcowego oraz rzecznego (WALCZAK 1953, RUTKOWSKI 1993). Najmłodsze osady, wieku holoceńskiego, występują głównie w dolinach rzek i zagłębieniach terenu. Są to piaski, żwiry i martwice osadzane przez współczesne rzeki oraz zwietrzelina starszych skał (RUTKOWSKI 1993) LITOLOGIA, STRATYGRAFIA I GENEZA OSADÓW GÓRNEJ JURY NA WYŻYNIE KRAKOWSKO-CZĘSTOCHOWSKIEJ Osady górnej jury wykształcone są przede wszystkim jako wapienie, margle i wapienie margliste reprezentujące głównie oksford i lokalnie kimeryd (Ryc. 6; m. in.: DŻUŁYŃSKI 1952, RÓŻYCKI 1953, GŁAZEK i WIERZBOWSKI 1972, KUTEK i in. 1977, GĄSIEWICZ 1981, TRAMMER 1985, HELIASZ 199, MATYSZKIEWICZ 1996, 1997, 21, KRAJEWSKI 2, 21, KRAJEWSKI i MATYSZKIEWICZ 24). Osady te powstawały w trzech facjach (sensu DŻUŁYŃSKI 1952): płytowej, uławiconej i skalistej. Facje uławicone i skaliste reprezentują zachowane fragmenty kompleksów budowli węglanowych, a facje płytowe osady pozabiohermalne (por. Ryc. 5, 7). Budowle węglanowe wykształcone są najczęściej w postaci struktur mikrobialno-gąbkowych z dobrze rozwiniętym sztywnym szkieletem, który obserwuje się także w wapieniach uławiconych wykształconych jako biostromy (por.: TRAMMER 1985, MATYSZKIEWICZ 1994, 1997, KRAJEWSKI 2, 21). Wykształcenie litologiczne facji uławiconej i skalistej zmienia się zarówno w profilu, jak również lateralnie, co związane jest z ewolucją kompleksów budowli węglanowych (por.: DŻUŁYŃSKI 1952, TRAMMER 1985, 1989, MATYSZKIEWICZ 1997, MATYSZKIEWICZ i in. 26 a). Kraków 27 17

18 Ryc. 5. Architektura facjalna górnojurajskich budowli węglanowych na Wyżynie Krakowsko- Częstochowskiej (wg MATYSZKIEWICZ 1997, uproszczone). Przestrzenne zróżnicowanie facjalne osadów górnej jury na WKC jest złożone. Miąższości poszczególnych typów osadów są zmienne, podobnie jak całkowita miąższość osadów górnojurajskich w różnych częściach WKC. Miąższość ta na Wyżynie Krakowskiej sięga 25 metrów (por. m. in.: DŻUŁYŃSKI 1952, RUTKOWSKI 1993, MATYSZKIEWICZ 1997). Dla Wyżyny Częstochowskiej podawane są różne wartości miąższości: około 18 metrów w rejonie Częstochowy (BARDZIŃSKI i in. 1986), 26 metrów w rejonie Żarek (HELIASZ i in. 1994), 3 m w rejonie Janowa (HELIASZ i in. 1987), 35 metrów w rejonie Wolbromia (BUKOWY 1968), a także dla całego regionu częstochowskiego (HELIASZ 199). Kraków 27 18

19 Osady oksfordu zalegają na utworach keloweju, a lokalnie bezpośrednio na paleozoicznym podłożu (Ryc. 6; por. m.in.: DŻUŁYŃSKI 195, 1952, RÓŻYCKI 1953, RUTKOWSKI 1993, MATYSZKIEWICZ 1997, KRAJEWSKI i MATYSZKIEWICZ 24, LEWANDOWSKI 24). W najniższej części profilu występuje seria prawdopodobnie skondensowanych stratygraficznie, cienkoławicowych osadów marglistych i wapiennomarglistych, reprezentująca dolny i niższą część środkowego oksfordu, często określana w literaturze jako tzw. warstwy jasnogórskie (Ryc. 6; RÓŻYCKI 1953, TRAMMER 1982, 1985, 1989). W obrębie tych osadów występują tzw. inicjalne budowle węglanowe, o rozciągłości od kilku do kilkunastu metrów, zbudowane głównie ze skalcyfikowanych gąbek krzemionkowych (Ryc. 7; TRAMMER 1985, MATYSZKIEWICZ 1997). Osady środkowego oksfordu reprezentowane są niekiedy przez fację wapieni płytowych o płytkowej oddzielności z liczną fauną amonitową, lokalnie przeławiconych cienkimi wkładkami margli (Ryc. 6, 7; DŻUŁYŃSKI 1952, MATYSZKIEWICZ 1997). W wapieniach płytowych występują niekiedy biohermy gąbkowe, o rozmiarach do kilku metrów (MATYSZKIEWICZ 1997, KRAJEWSKI 22). Od środkowego do późnego oksfordu dominują wapienie skaliste (Ryc. 6), co związane jest z fazą najbardziej intensywnego rozwoju kompleksów budowli węglanowych na WKC przypadającą na ten okres (por. MATYSZKIEWICZ 1997, KRAJEWSKI i MATYSZKIEWICZ 24). Zachowane fragmenty budowli węglanowych z tego okresu tworzą rozległe kompleksy skalne osiągające kilkadziesiąt metrów wysokości i kilkaset metrów rozciągłości. Wapienie skaliste występują w odmianach masywnych i zrostkowych (Ryc. 7, TRAMMER 1982, MATYSZKIEWICZ 1989 a, 1994, 1997). Wykształcenie wapieni skalistych zależy od stopnia rozwoju sztywnego szkieletu (MATYSZKIEWICZ 1994). Wapienie zrostkowe reprezentują niższe oraz marginalne partie budowli, w których rozwinął się jedynie szkielet laminarny, natomiast wapienie masywne reprezentują wewnętrzne części budowli, w których w pełni rozwinął się sztywny szkielet siatkowy, dokumentowany obecnością drążeń oraz licznych kawern wzrostowych (por. PRATT 1982). W tej części profilu występują także silnie zróżnicowane osady facji uławiconej, która najczęściej reprezentowana jest przez biostromy. Są to m. in. gruboławicowe wapienie z krzemieniami, a lokalnie: wapienie pelityczne i wapienie kredowate (Ryc. 7; por. KUTEK i in. 1977, MATYSZKIEWICZ 1989 a, HELIASZ 199, KRAJEWSKI 21, MATYSZKIEWICZ i in. 21). Kraków 27 19

20 Osady najwyższej części profilu, przełomu oksfordu i kimerydu oraz kimerydu, zachowane są głównie na Wyżynie Częstochowskiej, gdzie występują w postaci facji uławiconej jako wapienie płytowe oraz wapienie kredowate (KUTEK i in. 1977, HELIASZ 199). Termin wapienie kredowate nie jest jednoznaczny i przez badaczy jest różnie interpretowany (patrz m. in.: KUTEK i in. 1977, HELIASZ 199, KRAJEWSKI 21, MATYSZKIEWICZ i in. 21). Są nim określane nieuławicone lub gruboławicowe osady, charakteryzujące się słabą zwięzłością, obfitością szczątków organicznych i dużą porowatością. Wapienie kredowate są także traktowane jako odmiana wapieni skalistych ze słabo wykształconym sztywnym szkieletem (MATYSZKIEWICZ i in. 21). Ponadto, na Wyżynie Częstochowskiej, wśród osadów przełomu górnego oksfordu i dolnego kimerydu występują niekiedy rafy koralowe w formie niewielkich raf kępkowych (HELIASZ 199). W najwyższej części profilu osadów Wyżyny Krakowskiej dominują wapienie margliste i margle. Powszechnie w górnojurajskich osadach WKC obserwowane są osady spływów grawitacyjnych wykształcone jako wapienie ziarniste oraz debryty (Ryc. 5; m. in.: BUKOWY 196, MARCINOWSKI 197, MATYSZKIEWICZ 1989 b, HELIASZ 199, IRMIŃSKI 1995, MATYSZKIEWICZ 1993, 1994, 1996, MATYSZKIEWICZ i KRAJEWSKI 1996, KRAJEWSKI 2). Powstały one w wyniku niszczenia wyższych części budowli oraz oddziaływania tektoniki synsedymentacyjnej związanej z działalnością SUKL (FELISIAK 1983, MATYSZKIEWICZ 1989 b, MATYSZKIEWICZ i in. 26 a, b). Kraków 27 2

21 Ryc. 6. Profil litostratygraficzny osadów górnej jury na Wyżynie Krakowskiej (wg KRAJEWSKI i MATYSZKIEWICZ 24, zmieniony). Kraków 27 21

22 margle i wapienie margliste, J 3 o ryodacyt, P wapnienie piaszczyste, krynoidowe, J 2 cl A B C D S 5 [m] wapienie skaliste N strefa przejściowa wapienie uławicone z krzemieniami E Ryc. 7. Przykłady osadów górnej jury w odsłonięciach Wyżyny Krakowsko-Częstochowskiej: A margle i wapienie margliste (facja uławicona); Zalas; dolny i środkowy oksford. B wapienie płytowe (facja płytowa); Ratowa; środkowy oksford. C inicjalna budowla węglanowa (facja skalista); Zalas; środkowy oksford. D wapienie zrostkowe (facja skalista); Olsztyńskie Skały; górny oksford. E wapienie masywne (facja skalista) i uławicone z krzemieniami (facja uławicona); Piekary; górny oksford. Kraków 27 22

23 Depozycja górnojurajskich osadów węglanowych WKC miała miejsce w zbiorniku epikontynentalnym, na północnym szelfie Oceanu Tetydy (Ryc. 8). Szelf ten rozciągał się od dzisiejszej Portugalii po Kaukaz i zdominowany był przez facje mikrobialno-gąbkowe (TRAMMER 1982, MATYSZKIEWICZ 1997). Ryc. 8. Położenie paleogeograficzne Wyżyny Krakowsko-Częstochowskiej w późnej jurze (wg MATYSZKIEWICZ 1997, za ZIEGLER 199, uproszczone). Rozwój górnojurajskich budowli węglanowych w poszczególnych częściach WKC odbywał się w różnym czasie i z różną intensywnością. Na Wyżynie Krakowskiej pierwsze budowle węglanowe pojawiły się na przełomie wczesnego i środkowego oksfordu (TRAMMER 1982, 1985, 1989). Były one wykształcone w postaci niewielkich bioherm gąbkowych i gąbkowo-mikrobialnych, które w środkowym i wczesnym okresie późnego oksfordu przekształciły się w budowle mikrobialno-gąbkowe, a następnie w rafopodobne budowle mikrobialne (MATYSZKIEWICZ 1997, 21). Szczytowe stadium rozwoju budowli węglanowych na Wyżynie Krakowskiej przypada na początek późnego oksfordu, kiedy tworzyły one rozległe kompleksy. Następnie, w późnym oksfordzie i wczesnym kimerydzie budowle zaczęły zanikać i miało miejsce częściowe wyrównanie deniwelacji dna (KRAJEWSKI 21). Wzrost budowli węglanowych na Wyżynie Częstochowskiej rozpoczął się również na przełomie wczesnego i środkowego oksfordu (TRAMMER 1982, 1985, 1989). W środkowym oksfordzie rozwijały się tutaj budowle gąbkowo-mikrobialne reprezentowane przez słabo zwięzłe wapienie kredowate (KUTEK i in. 1977), które Kraków 27 23

24 następnie zastępowane były przez budowle mikrobialno-gąbkowe reprezentowane przez wapienie masywne (HELIASZ 199, MATYSZKIEWICZ i in. 21). Facje uławicone reprezentowane były przez wapienie mikrytowe (KUTEK i in. 1977, HELIASZ 199). W późnym oksfordzie część budowli na obszarze częstochowskim została zatopiona, czego zapisem są alternacje wapienno-margliste (HELIASZ 199, MATYSZKIEWICZ i in. 21). Jednak lokalnie budowle węglanowe rozwijały się nadal. Wapienie kredowate zostały zastąpione bardziej zwięzłymi wapieniami masywnymi, a w nieckach między nimi deponowane były osady podmorskich spływów grawitacyjnych (MARCINOWSKI 197, MATYSZKIEWICZ i in. 26 a). Budowle te łączyły się ze sobą tworząc rozległe kompleksy (MATYSZKIEWICZ i in. 21, 24). Na przełomie oksfordu i kimerydu nastąpiło kolejne zatopienie budowli, a lokalnie rozwinęły się facje płytkowodne z koralami (HELIASZ 199). W latach dziewięćdziesiątych XX w., do wyjaśnienia zróżnicowania facjalnego osadów górnojurajskich na WKC posługiwano się modelem rampy węglanowej nachylonej na południe (MATYJA i WIERZBOWSKI 1996), która na skutek zróżnicowanej subsydencji podmezozoicznego podłoża miała zostać przekształcona w szelf obrzeżony (MATYSZKIEWICZ 1997). W świetle tej hipotezy, obszar Wyżyny Krakowskiej pełnił rolę bariery oddzielającej Ocean Tetydy na południu od basenu intraszelfowego na północy obejmującego Wyżynę Częstochowską i położoną dalej na północy Wyżynę Wieluńską (MATYSZKIEWICZ 21). Zróżnicowanie litologiczne budowli węglanowych na obszarze WKC mogło być związane z obecnością tej bariery. W jej obrębie i w bezpośrednim sąsiedztwie tworzyły się silnie zwięzłe wapienie skaliste, a w basenie intraszelfowym miękkie wapienie kredowane (MATYSZKIEWICZ 21). Ostatnio, coraz większą rolę jako czynnikowi warunkującemu zróżnicowanie facjalne osadów górnojurajskich przypisuje się budowie podmezozoicznego podłoża oraz tektonice synsedymentacyjnej (KUTEK 1994, MATYSZKIEWICZ 1997, JĘDRYS i in. 24, MATYSZKIEWICZ i in. 24, 26 a, b). Obecność intruzji w podmezozoicznym podłożu mogło mieć istotny wpływ na zmniejszenie subsydencji na obszarach podścielonych intruzjami w stosunku do obszarów otaczających. To z kolei mogło doprowadzić do powstania wyraźnych wzniesień dna, na których następował intensywny wzrost budowli węglanowych (KUTEK 1994, MATYSZKIEWICZ 1997, MATYSZKIEWICZ i in. 21, 26 b). Przykładem takiej interpretacji jest analiza rozmieszczenia górnojurajskich budowli węglanowych na Wyżynie Krakowskiej i w Skałach Zegarowych w Paśmie Kraków 27 24

25 Smoleńsko-Niegowonickim na Wyżynie Częstochowskiej (KUTEK 1994, MATYSZKIEWICZ 1997, MATYSZKIEWICZ i in. 24, 26 b). Kraków 27 25

26 4. METODYKA BADAŃ Do rozpoznania zróżnicowania facjalnego płytko zalegających osadów górnojurajskich wykorzystano metodę georadarową, a do zbadania podmezozoicznego podłoża WKC metodę magnetometryczną. Obszary do szczegółowych badań geofizycznych wytypowano na postawie wyników badań facjalnych, danych otworowych oraz badań terenowych METODA MAGNETOMETRYCZNA CHARAKTERYSTYKA METODY MAGNETOMETRYCZNEJ ORAZ CELOWOŚĆ JEJ ZASTOSOWANIA Metoda magnetometryczna służy do rozpoznania budowy geologicznej podłoża na podstawie anomalii ziemskiego pola magnetycznego, które związane są ze zróżnicowanymi własnościami magnetycznymi skał. Chociaż większość minerałów skałotwórczych jest niemagnetyczna, to jednak pewne typy skał zawierają wystarczającą ilość minerałów magnetycznych, aby stanowić źródło anomalii magnetycznych. Zastosowanie metody magnetometrycznej jest bardzo szerokie: od szczegółowych prac inżynierskich i archeologicznych, do badań przeprowadzanych w skali półszczegółowej i regionalnej mających na celu zbadanie budowy geologicznej. Podatność magnetyczna skał zależy od zawartości w skale minerałów ferrimagnetycznych, głównie magnetytu. Stąd, zasadowe skały magmowe cechują się najwyższymi wartościami podatności magnetycznej. Wysokie wartości podatności magnetycznej mają również kwaśne skały magmowe i skały metamorficzne (KEAREY i in. 22). Anomalię magnetyczną w danym punkcie stanowi różnica pomiędzy pomierzoną wartością indukcji pola magnetycznego a wartością pola magnetycznego przyjętą za normalną. Wartość normalna pola magnetycznego jest sumą geometryczną pola magnetycznego jednorodnie namagnesowanej kuli, pola kontynentalnego oraz zewnętrznego pola magnetycznego Ziemi. Zasadniczo, skały osadowe są niemagnetyczne lub słabomagnetyczne. Anomalie magnetyczne występujące na obszarach pokrytych serią skał osadowych są zazwyczaj spowodowane obecnością w ich podłożu skał magmowych lub metamorficznych lub intruzjami tkwiącymi w serii skał osadowych. Głównym źródłem Kraków 27 26

27 anomalii magnetycznych na obszarze WKC są intruzje skał magmowych w paleozoicznym podłożu, które związane są ze SUKL (KURBIEL 1978, CIEŚLA i in. 1984, JĘDRYS i in. 24, GRABOWSKA 25). Obecnie, w pomiarach magnetometrycznych stosuje się magnetometr protonowy. Idea pomiaru polega na wykorzystaniu swobodnej precesji protonów w wodzie w ziemskim polu magnetycznym. Najważniejszą częścią przyrządu jest sonda składająca się z cewki, w której umieszczony jest zbiornik wypełniony wodą destylowaną lub inną cieczą zawierającą swobodne protony. Gdy przepływający przez cewkę prąd wygeneruje pole magnetyczne, rzędu 5-1 razy większe niż pole geomagnetyczne, które skierowane jest w przybliżeniu prostopadle do kierunku pola geomagnetycznego, to protony zostaną spolaryzowane w kierunku przyłożonego pola. Poprzez wyłączenie prądu płynącego przez cewkę pole polaryzujące zostaje usunięte. Następuje wtedy swobodna precesja protonów w wodzie wokół kierunku ziemskiego pola magnetycznego. Protony precesują z częstotliwością proporcjonalną do wielkości ziemskiego pola magnetycznego. Częstotliwość ta jest wyznaczana poprzez pomiar zmiennego napięcia indukowanego w cewce. Stąd, pomiar indukcji pola magnetycznego Ziemi sprowadza się do pomiaru częstotliwości precesji. Dokładność magnetometru wynosi ok.,1 nt, przy czym normalne pole magnetyczne dla Polski południowej jest rzędu 49 nt. W zależności od problemu badawczego przyjmuje się określoną metodykę pomiarów. Mogą to być pomiary naziemnie lub pomiary aeromagnetyczne; z kolei pomiary naziemne wykonywane są wzdłuż profili, bądź w siatce pomiarowej. W interpretacji wyników stosowane są metody interpretacji jakościowej i ilościowej. Interpretacja jakościowa polega na rozpoznaniu stref anomalnych, rozdzieleniu anomalii na część regionalną i lokalną, a następnie na powiązaniu ich związku z budową geologiczną. Interpretację ilościową wykonuje się w celu określenia parametrów ciała będącego źródłem anomalii, takich jak: kształt, głębokość występowania, nachylenie, własności magnetyczne, namagnesowanie. Interpretacja ilościowa może być przeprowadzana w sposób pośredni, poprzez modelowanie struktur geologicznych i obliczanie związanego z nimi efektu magnetycznego, lub w sposób bezpośredni, poprzez wykorzystanie charakterystycznych punktów krzywej anomalii magnetycznej, które następnie służą do obliczenia parametrów ciała stanowiącego źródło anomalii. Kraków 27 27

28 DOTYCHCZASOWY STAN WIEDZY Podmezozoiczne podłoże WKC jest przedmiotem badań magnetometrycznych od lat 3-tych ubiegłego wieku. Pierwsze, regionalne badania magnetometryczne przeprowadzane były dla celów rozpoznania obrazu anomalii magnetycznych WKC. Następnie, na obszarach stwierdzonych anomalii, wykonywane były badania szczegółowe i półszczegółowe (KALINOWSKI 1933, PAWŁOWSKI 1947, DĄBROWSKI i KARACZUN 1958). Realizowane w kolejnych latach powierzchniowe badania geofizyczne, wraz z którymi wykonywane były wiercenia geologiczne, koncentrowały się na wyjaśnieniu budowy geologicznej podłoża oraz interpretacji anomalii magnetycznych dla celów poszukiwań złóż metali (DĄBROWSKI 196, ZNOSKO 1964, KURBIEL 1978, CIEŚLA i in. 1984). Prowadzone w Polsce w ostatnich latach badania magnetometryczne z zastosowaniem nowoczesnych magnetometrów protonowych oraz najnowszych metod interpretacji anomalii całkowitego pola magnetycznego Ziemi mają na celu uaktualnienie i uszczegółowienie mapy magnetycznej Polski, stworzenie komputerowej bazy danych magnetycznych (KOSOBUDZKA i PAPROCKI 1998) oraz rozpoznanie budowy geologicznej (GRABOWSKA 25). Cechą charakterystyczną obrazu anomalii WKC jest jego dwudzielność (Ryc. 9; ZNOSKO 1964, KURBIEL 1978, CIEŚLA i in. 1984, GRABOWSKA 25). W części południowej, na obszarze Płaskowyżu Ojcowskiego i Grzbietu Tenczyńskiego, dominują pojedyncze anomalie dodatnie o charakterze trójwymiarowym i wielkości do 4 nt. Są to anomalie: Bębła, Dębnika, Rybnej-Zalasu, Niedźwiedziej Góry, Miękini i Mnikowa. W części północnej Wyżyny Krakowskiej i na Wyżynie Częstochowskiej dominują dodatnie anomalie dwuwymiarowe o rozciągłości NW-SE, które tworzą większą, wydłużoną strefę anomalną. Najsilniejsze anomalie znajdują się na obszarze: Chrząstowic- Krzywopłotów-Ogrodzieńca i Myszkowa-Mrzygłodu, a słabsze na obszarze: Pilicy- Kotowic-Żarek, Wolbromia-Skały oraz Olsztyna (Ryc. 9). Kraków 27 28

29 Ryc. 9. Mapa anomalii magnetycznych T Wyżyny Krakowsko-Częstochowskiej (grid 5 m; mapa została skonstruowana w programie SURFER 8. na podstawie danych udostępnionych przez Centralne Archiwum Geologiczne Polskiego Instytutu Geologicznego). Obecność anomalii magnetycznych na obszarze WKC wiąże się ze SUKL oraz stowarzyszonymi z nią licznymi intruzjami skał magmowych (GRABOWSKA 25). Część anomalii była już przedmiotem szczegółowych badań, np. anomalie w okolicach Krakowa: Nieporaz-Brodła, Miękinia, Zalas i Bębło (SKORUPA 1953, HANCZKE i in. 1978). Na podstawie badań petrofizycznych przeprowadzonych przez Przedsiębiorstwo Poszukiwań Geofizycznych w latach: , 1965 i 1974 wynika, że najwyższymi wartościami podatności magnetycznej cechują się: zmetamorfizowane łupki:,25 5,7 1-2, diabazy: 3,8 4,8 1-2 i porfiry:,5 1,6 1-2 [SI] (KURBIEL 1978). Jednak wymienione powyżej wartości podatności magnetycznej nie są wystarczające, aby stanowić źródło tak silnych anomalii i wielu badaczy upatruje źródeł anomalii w większych ciałach magmowych, które muszą występować w znacznie głębszym podłożu (SKORUPA 1953, DĄBROWSKI i KARACZUN 1958, KURBIEL 1978). Kraków 27 29

30 Na omawianym obszarze, równolegle z badaniami magnetometrycznymi prowadzone były badania grawimetryczne, jako wzajemnie uzupełniające. Porównanie lokalizacji grawimetrycznych anomalii ujemnych, odpowiadających niewielkim granitoidowym batolitom w podmezozoicznym podłożu WKC, z lokalizacją dodatnich anomalii magnetycznych, sugeruje, że anomalie magnetyczne mogą mieć związek również z metamorficzną aureolą wokół ciał granitoidowych oraz związaną z nią mineralizacją skał osadowych (ZNOSKO 1964, BUKOWY i ŚLÓSARZ 1968, GÓRECKA 197, 1972, CIEŚLA i in. 1984, BEDNAREK i in a). Mineralizacja ta powstała w wyniku działania procesów hydrotermalnych, które towarzyszyły ruchom tektonicznym (BEDNAREK i in a). Interpretacja anomalii magnetycznych na obszarze WKC dla celów rozważań nad zróżnicowaniem facjalnym osadów górnej jury nie została, jak dotąd w pełni przeprowadzona. Wykonano jedynie wstępną interpretację jakościową, z której wynika, że istnieje związek pomiędzy lokalizacją intruzji a rozmieszczeniem facji wapieni na WKC (JĘDRYS i in. 24). Rozmieszczenie głównych grup skałek górnojurajskich na WKC, reprezentujących fragmenty kompleksów budowli węglanowych, odpowiada lokalizacji głównych stref anomalnych. Poszczególne pasma skałek podścielone są intruzjami: Pasmo Olsztyńsko-Mirowskie kompleksem granitoidowym Myszków- Mrzygłód, Pasmo Zborowsko-Ogrodzienieckie magmowym kompleksem Zawiercia, Pasmo Smoleńsko-Niegowonickie magmowym kompleksem Pilicy, a Płaskowyż Ojcowski kompleksem granitoidowym Doliny Będkowskiej. Relacje te pozwalają przypuszczać, że powstanie i rozwój kompleksów budowli węglanowych były uwarunkowane m. in. obecnością intruzji w podmezozoicznym podłożu WKC. Szczegółowa interpretacja wybranych anomalii całkowitego pola magnetycznego Ziemi T na obszarze WKC przedstawiona w niniejszej pracy pozwoliła na sprawdzenie tej hipotezy. Do przeprowadzenia szczegółowej interpretacji wybrano anomalię Bębła, znajdującą się na obszarze Płaskowyżu Ojcowskiego oraz strefę anomalną południowej części Wyżyny Częstochowskiej, znaną również jako anomalia Krzywopłotów, która znajduje się na obszarze Pasma Smoleńsko-Niegowonickiego i Zborowsko- Ogrodzienieckiego (Ryc. 1, 8). Kraków 27 3

31 Anomalie te spełniają następujące warunki: - na obszarze ich występowania znajdują się otwory wiertnicze, dla których istnieje pełna dokumentacja (m. in.: BEDNAREK i in a, HARAŃCZYK i PREIDL 199, PREIDL i MADEJ 1992, HARAŃCZYK i in. 1995, UNRUG i in. 1999, ŻABA 1999, BUŁA 2), - na obszarach występowania anomalii znajdują się pasma wzgórz zbudowanych z wapieni skalistych, które odpowiadają zachowanym fragmentom kompleksów budowli węglanowych, - w skałach osadowych paleozoiku, stwierdzono obecność skał magmowych (m. in.: BUKOWY 1964, BUKOWY i CEBULAK 1971, EKIERT 1971, KURBIEL 1978, HARAŃCZYK i in. 1995, ŻABA 1999, BUŁA 2). Ponadto, przeprowadzono lokalne pomiary magnetometryczne, które następnie zinterpretowano pod względem jakościowym. Pomiary zostały wykonane w miejscowości Bębło, na Płaskowyżu Ojcowskim, gdzie znajduje się odsłonięcie wapieni skalistych w postaci niewielkiej grupy skalnej Skały Żytniej. Obszar ten spełnia wszystkie omówione powyżej warunki. Celem badań było zbadanie płytkiego podłoża starszego paleozoiku pod kątem występowania w nim intruzji skał magmowych i sprawdzenie ewentualnej korelacji pomiędzy wykształceniem podmezozoicznego podłoża a występowaniem ostańców górnojurajskich. Kraków 27 31

32 4.2. METODA GEORADAROWA CHARAKTERYSTYKA METODY GEORADAROWEJ ORAZ CELOWOŚĆ JEJ ZASTOSOWANIA Metoda georadarowa jest metodą nieinwazyjną, dzięki czemu możliwe było jej zastosowanie na obszarach chronionych, gdzie przeprowadzono badania. Park Skały Twardowskiego znajduje się na terenie Bielańsko-Tynieckiego Parku Krajobrazowego, a Olsztyńskie Skały na terenie Parku Krajobrazowego Orlich Gniazd. Metoda georadarowa należy do grupy metod radiofalowych. W metodzie tej wykorzystywane jest zjawisko rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w ośrodkach różniących się własnościami elektrycznymi. Do najważniejszych własności elektrycznych skały mających wpływ na zjawisko propagacji fali elektromagnetycznej należą: przenikalność dielektryczna i oporność elektryczna. Wartości tych parametrów warunkują prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej i jej tłumienie (DAVIS i ANNAN 1989). Aparatura pomiarowa składa się z dwóch anten: nadawczej i odbiorczej, jednostki centralnej i komputera zewnętrznego (notebooka). Zasada działania georadaru jest następująca: antena nadawcza emituje w głąb ośrodka geologicznego falę elektromagnetyczną w postaci impulsów. Fala rozchodząc się ulega tłumieniu i absorpcji, może też ulec odbiciu i załamaniu. Fala odbita od granicy rozdzielającej ośrodki o różnych własnościach elektrycznych zostaje zarejestrowana przez antenę odbiorczą. Im większy kontrast stałej dielektrycznej obu ośrodków, tym silniej odbijana jest fala elektromagnetyczna (DAVIS i ANNAN 1989). Silny kontrast parametrów elektrycznych istnieje m. in. między powietrzem a dowolnym ośrodkiem geologicznym, stąd bardzo dobre wyniki uzyskuje się w badaniu pustek skalnych. W pomiarach georadarowych najczęściej stosuje się technikę jednokanałowego profilowania refleksyjnego, w której para anten: nadawczej i odbiorczej, przesuwana jest wzdłuż profilu. Standardowo, jako dodatkowe, wykonywane jest profilowanie prędkości WARR (Wide Angle Reflection and Refraction szerokokątne odbicie i refrakcja), na którego podstawie wyznaczana jest prędkość propagacji fali elektromagnetycznej w badanym ośrodku, niezbędna do obliczenia skali głębokościowej dla rejestrowanych echogramów. Kraków 27 32

33 Metodę tę cechuje wysoka rozdzielczość, płytki zasięg głębokościowy oraz nieinwazyjny sposób wykonywania pomiarów. Jakość zarejestrowanego obrazu oraz zasięg głębokościowy zależą głównie od budowy geologicznej ośrodka, parametrów fizyko-chemicznych jego trzech faz, a także od doboru częstotliwości anten i ustawień parametrów pomiarowych. Im niższa częstotliwość anten, tym większa głębokość penetracji. Głównymi przeszkodami w zbadaniu podłoża jest zawilgocenie badanego ośrodka oraz obecność na powierzchni osadów o małej oporności elektrycznej: ilastych, mułowcowych. Czynniki te powodują silne tłumienie fali elektromagnetycznej. Metoda georadarowa doskonale nadaje się do celów rozpoznania zróżnicowania facjalnego płytko zalegających wapieni górnojurajskich, a także rozpoznania przebiegu pustek krasowych i nieciągłych struktur tektonicznych (DAVIS i ANNAN 1989, SIGURDSSON i OVERGAARD 1998, JĘDRYS i in. 22, JĘDRYS i KRAJEWSKI 22, NEAL 24). W stanowiskach wytypowanych do badań, utwory górnej jury znajdują się bardzo płytko pod powierzchnią, na głębokości kilkudziesięciu centymetrów. Wapień górnojurajski cechuje się niską przewodnością elektryczną (rzędu,5-2 ms/m) i bardzo małym zawilgoceniem, co wpływa na słabe tłumienie fali elektromagnetycznej, a przez to większy zasięg penetracji i dobrą czytelność struktur geologicznych na uzyskanych echogramach. Zasięg głębokościowy metody, który przy antenach 2 MHz wynosi do 14 metrów, a przy 5 MHz 25 metrów, oraz jej rozdzielczość, ok. 6 centymetrów z antenami 2 MHz, umożliwiają kartowanie pustek krasowych, uławicenia, uskoków i niektórych systemów ciosu DOTYCHCZASOWY STAN WIEDZY W ostatnich latach wykorzystanie metody georadarowej w badaniach sedymentologicznych staje się coraz bardziej popularne. Jej zastosowanie do rozpoznania architektury facjalnej osadów węglanowych jest równie efektywne, co zastosowanie stratygrafii sekwencyjnej w interpretacji wyników badań sejsmicznych (por. m. in.: SMITH i JOL 1997, NEAL 24). Metoda georadarowa została z powodzeniem zastosowana w badaniach osadów węglanowych dla celów szczegółowego rozpoznania zróżnicowania facji wapieni górnojurajskich w Jurze Szwabskiej (ASPRION i AIGNER 2) i wapieni danu w Danii (SIGURDSSON i OVERGAARD 1998). Stosowano ją również do interpretacji wyników sejsmiki morskiej: w obrazowaniu górnokredowo-dolnopaleoceńskich kopców Kraków 27 33