Sejsmiczna ocena stanu górotworu na terenie wysadu solnego Inowrocław

WARSZTATY 23 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str. 517 528 Zenon PILECKI*, Zbigniew SZCZERBOWSKI**, Jerzy KŁOSIŃSKI*, Mariusz KOSTER* *Polska Akademia Nauk IGSMiE, **Akademia Górniczo-Hutnicza Sejsmiczna ocena stanu górotworu na terenie wysadu solnego Inowrocław Streszczenie W pracy omówiono wyniki badań sejsmicznych wykonanych w celu oceny stanu górotworu na terenie zapadliskowym w bezpośrednim sąsiedztwie budynku kościoła w Inowrocławiu. Na podstawie wykonanych profilowań refrakcyjnych i refleksyjnych, w specjalnie zaprojektowanym schemacie, uzyskano informacje o położeniu stref osłabienia i przypowierzchniowej budowie ośrodka. Na podstawie wyników badań sformułowano spostrzeżenia dotyczące przyczyn występujących spękań w budynku kościoła. 1. Wprowadzenie Północny rejon kopalni soli Solno nad wysadem solnym Inowrocław, ze względu na występujące na tym terenie zapadliska, jest przedmiotem licznych prac badawczych. Zapadliska te związane są z rozwojem procesów krasowych zintensyfikowanym zakończoną kilkanaście lat temu eksploatacją wysadu solnego. Jeden z zagrożonych zapadliskami rejonów znajduje się w bezpośrednim sąsiedztwie XIX wiecznego kościoła Zwiastowania NMP*. Obecnie budynek kościoła posiada liczne spękania (fot. 1.1, 1.2 i 1.3). Na terenie nad wysadem solnym wykonano liczne pomiary grawimetryczne i geodezyjne. Bliższe dane dotyczące archiwalnych badań grawimetrycznych wykonanych latach 1968 i 198 jak i aktualnie planowanych przedstawiono w pracy Szczerbowskiego (22). Pomiary sejsmiczne omówione w tej pracy wykonano w końcu 22 roku. Pomiary te miały na celu rozpoznanie stanu górotworu, a zwłaszcza występowania stref osłabienia w warstwach przypowierzchniowych oraz położenia granic fizycznych w ośrodku skalnym. * Parafia pw. Zwiastowania Najświętszej Maryi Panny została ustanowiona w 1929 r. Pod koniec XIX w. Inowrocław posiadał jedną parafię. W kontekście gwałtownego rozwoju demograficznego miasta konieczne się stało powołanie drugiego ośrodka duszpasterskiego. Starania o zmianę tego stanu rzeczy rozpoczął w 189 r. ks. Antoni Laubitz późniejszy biskup. Budowę kościoła zakończono w 191 r. i w tym też roku został on konsekrowany. Zaprojektowany przez berlińskiego architekta, prof. A. Rincklakea kościół ma postać trójnawowej bazyliki w stylu neorornańskim. Głównym elementem wystroju jest złota mozaika niosąca w scenach figuralnych przesłanie religijne i narodowe. Równie ważnym elementem są ołtarze boczne. W wyniku szkód górniczych, w 198 r. część kościoła uległa zawaleniu. Ponowna konsekracja odbudowanej świątyni nastąpiła w 1929 r. (ze strony internetowej Inowrocławia) 517

Z. PILECKI, Z. SZCZERBOWSKI, J. KŁOSIŃSKI, M. KOSTER Sejsmiczna ocena stanu... Fot. 1.1. Widok ogólny fasady kościoła Fot. 1.1. General view of the church in Inowrocław Fot. 1.2. Spękania nad portalem głównym Fot. 1.2. Fractures over main portal 518

WARSZTATY 23 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Fot. 1.3. Spękania wieży od strony fasady wschodniej kościoła Fot. 1.3. Fractures of the tower from the eastern front of the church 2. Warunki geologiczne w rejonie badań Wysad solny Inowrocław przebijając się w okresie permskim poprzez nadległe młodsze wiekowo warstwy triasu, jury, kredy i trzeciorzędu, przyjął formę wydłużonego słupa w kierunku z północy na południe. W czasie wypiętrzania wykorzystał on prawdopodobnie istniejącą już tu nieciągłość tektoniczną o kierunku południkowym (Budryk 1933). Prace wiertniczych oraz badania geofizyczne grawimetryczne i sejsmiczne, prowadzone zarówno na powierzchni jak i w samej kopalni pozwoliły na uzyskanie dużej wiedzy o budowie wysadu. Podstawowy celem tych badań było okonturowanie granic wysadu. Zapoczątkowane jeszcze w latach 4-tych XX w. przez J. Poborskiego, a następnie kontynuowane w latach 6-tych, prace z zakresu sejsmiki wykazały dużą ich użyteczność w rozpoznaniu geologicznym złoża (Łąka i in. 198). Nie prowadzono jednak pomiarów umożliwiających scharakteryzowanie górnej partii złoża oraz jego nadkładu pod kątem zachodzących w tej części górotworu procesów niszczenia górotworu (Poborska-Młynarska 1984). Północna część wysadu solnego została dobrze rozpoznana pod kątem geologicznym dzięki prowadzonym tu pracom wiertniczym. Rejon charakteryzuje się silną zmiennością stratygraficzną. Permskie sole, najstarsze rozpoznane tu utwory, występują na głębokości od około 13 m do około 15 m. Duża zmienność głębokości zalegania zwierciadła soli na niewielkiej powierzchni świadczy o bogatej morfologii powierzchni stropu złoża oraz dużej intensywności zachodzących tu procesów geodynamicznych. Utwory czapy gipsowej charakteryzują się także zmiennościami litologicznymi (gips z iłem, gips krystaliczny, gips szary, ił z gipsem itp.) oraz grubości sięgającej od kilkunastu do około 14 m. Wyżej leżące iły, piaskowce, wapienie i dolomity, reprezentujące utwory jurajskie, wykazują również dużą zmienność w zakresie od kilku do kilkudziesięciu metrów. W utworach nadkładu, w czapie gipsowo-iłowo-anhydrytowej oraz w stropowej części złoża soli, gdzie kiedyś prowadzono eksploatację górniczą, występują złożone stosunki wodne. Głębokość występowania wód gruntowych wynosi od 2,5 do kilkunastu metrów. Zasilanie tego 519

Z. PILECKI, Z. SZCZERBOWSKI, J. KŁOSIŃSKI, M. KOSTER Sejsmiczna ocena stanu... poziomu odbywa się w drodze infiltracji wód opadowych. Kontakt hydrauliczny istnieje prawdopodobnie między utworami czwartorzędowymi a czapą. Ilość nagromadzonej wody w rejonie czapy, gdzie przeważają gipsy jest wielokrotnie większa niż w rejonie, gdzie przeważają iły. Ilość wody nagromadzonej w pustkach powstałych na skutek rozwiniętego krasu bądź w miejscach wyługowanej soli powyżej złoża solnego może wynosić 13 15 mln m 3 (Program... 1978). H - 1 H - 3 H - 8 H - 9 H - 5 H - 7 H - 2 STROP UTWORÓW JURY H - 11-9 -15 35 3 25 2-12 15 1 5-12 -14-16 -18 5-12 -16 1-14 15 2 H - 4 25 STROP UTWORÓW PERMU -11-12 -13-14 -15-16 -17-18 -19-2 -6 35 3 25 2 15 1 5-6 5 1 15 2 25 STROP WYSADU SOLNEGO -7-8 -9-11 -12-132 -136-14 -144-148 -152-156 -16-164 Rys. 2.1. Powierzchnie geologiczne w rejonie kościoła nad wysadem solnym Inowrocław Fig. 2.1. Geological surface below the church and over salt dome Inowrocław 52

WARSZTATY 23 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Wykorzystując informacje z 9 otworów badawczych wykreślono metodą krigingu przebieg powierzchni geologicznych stropu utworów jurajskich, stropu utworów permskich oraz stropu wysadu solnego (rys. 2.1). Granica między utworami czwartorzędowymi i jurajskimi w rejonie kościoła stromo zapada w kierunku południowo-wschodnim. Powierzchnia stropu czapy gipsowej wykazuje zdecydowanie mniejsze nachylenie, natomiast powierzchnia stropu wysadu solnego jest w przybliżeniu płaska. Generalnie, na terenie badań utwory czwartorzędowe występują w postaci piasków wapnistych i mikowych z narzutniakami, margli zwałowych, żółtych glin zwałowych miejscami zapiaszczonych oraz przy powierzchni gleby. Miąższość utworów czwartorzędowych zmienia się od 1 m w części zachodniej do 16 m w części wschodniej. Utwory jurajskie występują w postaci piaskowców szarych miejscami z łuskami gipsu w części zachodniej i wapieni żółtawobrązowych w części wschodniej. Strop czapy gipsowej występuje na głębokości około 21 23 m. Utwory czapy gipsowej występują w postaci: w części zachodniej głównie gipsów z iłem i piaskiem, a na głębokości od 82 m do 121,5 m (otwór H-7) prawdopodobnie przebiega szczelina uskokowa wypełniona iłem z fragmentami gipsu, kwarcytu, piaskowca, dolomitu, wapieni i pirytu, w części wschodniej konglomeratów deluwialnych, dolomitów i gipsów, miejscami gipsów z iłem. Badany rejon wg Budryka (1933) przecięty jest strefami uskokowymi, w których procesy krasowe zachodzą bardziej intensywnie. 3. Zakres i metodyka badań 3.1. Metodyka pomiarowa Prace sejsmiczne zostały przeprowadzone dwoma technikami: profilowaniem refleksyjnym i refrakcyjnym według schematu przedstawionego na rysunku 3.1. Wykonano siedem profili sejsmicznych o łącznej długości 383 m. Podstawowe parametry pomiaru przedstawiały się następująco: III' IV' VII' VI' II' V' II I' VII VI I H-11 III H-7 IV V I I' - profil sejsmiczny H - 7 - otwór badawczy N 5 1 m Rys. 3.1. Lokalizacja profili sejsmicznych Fig. 3.1. Location of seismic profiles 521

Z. PILECKI, Z. SZCZERBOWSKI, J. KŁOSIŃSKI, M. KOSTER Sejsmiczna ocena stanu... wzbudzanie fali sejsmicznej za pomocą uderzenia 6 kg młotem, geofony o częstotliwości 14, Hz oraz geofony 3-składowe 4,5 Hz, odstęp między czujnikami: zmienny od 2, do 5, m, w zależności od długości profili, odstęp między punktami wzbudzania fali (PS): zmienny od 2,m do 5,m, krok próbkowania,63 ms, czas zapisu 1, sek, składanie pionowe: 8-krotne. dynamika 144 db. Pokrycie w profilowaniu refleksyjnym było największe na środku każdego z profili: 24-krotne dla profili 115, m i 8-krotne dla 35, m i 24, m. Pomiary sejsmiczne przeprowadzone zostały za pomocą 24. kanałowej aparatury sejsmicznej Geode produkcji USA. Aparatura ta charakteryzuje się dynamiką 144 db i rozdzielczością 24 bitów. Geode-24 był obsługiwany za pomocą programu MGOS (Multiple Geode Operation System) produkcji Geometrics Inc./USA. Dane zapisywano w formacie sejsmicznym SEG-2. 3.2. Metodyka przetwarzania i interpretacji danych sejsmicznych Do przetwarzania danych refrakcyjnych profilowań sejsmicznych zastosowano program PickWin95 (produkcji OYO). Przetwarzanie to polegało na sortowaniu tras, składaniu, filtracji częstotliwościowej 2 Hz 14 Hz, 2 db/oct, i wyznaczeniu czasów pierwszych wstąpień fal refrakcyjnych P i S. Wstępnie opracowane pliki zostały w kolejnym etapie przetworzone w programie interpretacyjnym Plotrefa (produkcji OYO). W programie tym dane sejsmiczne uzupełniono opisem ukształtowania terenu wzdłuż profili sejsmicznych, współrzędnymi X,Y położenia czujników i punktów wzbudzania fali, a następnie obliczono model prędkościowy i głębokościowy za pomocą uogólnionej metody czasu wzajemnego (ang. generalized reciprocal method GRM). Korekty modelu dokonano metodą analizy odwrotnej. Poprzez zmianę położenia granic modelu głębokościowego dopasowano hodografy obliczone do obserwowanych w taki sposób aby średni błąd kwadratowy tego dopasowania był minimalny. Przetworzenie refleksyjnych danych sejsmicznych polegało na: konwersji zapisów polowych do formatu SeisUnix, wprowadzeniu geometrii pomiarowej (współrzędnych x, y, z, punktów PS i odbiorników, morfologii terenu, odległości pomiędzy punktami PS i odległości pomiędzy czujnikami, poziomu odniesienia, prędkości w strefie małych prędkości), filtracji częstotliwościowej w paśmie od 22/25 Hz do 6/75 Hz, edycji tras i eliminacji szumów (muting), filtracji prędkościowej f-k, wprowadzeniu polowych poprawek statycznych na podstawie danych refrakcyjnych, sortowaniu tras względem wspólnego punktu głębokościowego CDP, analizie prędkości (Velocity Analysis) metodą prędkości stałych, wprowadzeniu poprawek kinematycznych (NMO), wprowadzeniu resztkowych powierzchniowo-zgodnych poprawek statycznych, składaniu poziomym, wygładzaniu tras (trace mixing), migracji czasowej za pomocą przesunięcia fazowego (Phase shift migration), konwersji czasowo-głębokościowej. 522

WARSZTATY 23 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Do przetwarzania danych refleksyjnych wykorzystano program Visual_SUNT v. 6 Pro, produkcji firmy W_Geosoft. 4. Analiza wyników badań 4.1. Profilowanie refrakcyjne Ze względu na charakter hodografów, na etapie przetwarzania i interpretacji danych sejsmicznych refrakcyjnych przyjęto dwuwarstwowy model ośrodka. Wyniki badań przedstawiono na przykładzie przekroju sejsmicznego I-I na rysunku 4.1. 6 5 4 czas [ms] 3 2 1 55 65 75 85 95 15 115 odległość obserwowane obliczone RMS = 1,67ms E PROFIL I - I od 55-115m W wysokość n.p.m. 1 95 9 85 8 75 41 16 425 margiel glina 163 435 7 55 65 75 85 95 15 115 odległość Rys. 4.1. Refrakcyjny przekrój sejsmiczny profilu I-I Fig. 4.1. Seismic refraction cross-section along I-I profile 523

Z. PILECKI, Z. SZCZERBOWSKI, J. KŁOSIŃSKI, M. KOSTER Sejsmiczna ocena stanu... Na obu profilach I-I i II-II prędkości refrakcyjne V P w warstwie pierwszej zmieniają się od 41 m/s do 435 m/s. Grubość tej warstwy zmienia się od 5, m w części zachodniej do 6, m w części wschodniej. Na podstawie danych otworowych warstwę ta można korelować z warstwami gleby i gliny zwałowej żółtej. W drugiej warstwie prędkości refrakcyjne V P zmieniają się w przedziale od 159 m/s do 163 m/s przy czym wartość 159 m/s występuje w części wschodniej profilu II-II, natomiast wartość 163 m/s występuje części zachodniej profilu I-I. Warstwę ta można korelować z warstwami szarych margli zwałowych. Wyniki pomiarów refrakcyjnych posłużyły do obliczenia poprawek statycznych w procesie przetwarzania refleksyjnego. 4.2. Profilowanie refleksyjne Na rysunku 4.2, 4.3 i 4.4 przedstawiono przekroje głębokościowe wzdłuż profili I-I, II-II, III-III, IV-IV, V-V, VI-VI, VII-VII. Natomiast na rysunku 4.5 przedstawiono wynikowe powierzchnie sejsmiczne stropu utworów jurajskich i stropu czapy gipsowej obliczone metodą krigingu na podstawie informacji sejsmicznej ze wszystkich profili. Rozdzielczość obrazu przekrojów głębokościowych wynosi od około 1 metra w części przypowierzchniowej do około kilkunastu metrów na większych głębokościach. I V - V VI - VI VII -VII IV - IV I -2-6 -7-8 -9-11 -12-13 -14-15 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 65 7 75 8 85 9 95 1 15 11 115 strefa osłabienia strop utworów jury strop czapy gipsowej strop wysadu solnego Rys. 4.2. Przekrój sejsmiczny refleksyjny I-I sekcja głębokościowa Fig. 4.2. Seismic reflection cross-section I-I depth section 524

WARSZTATY 23 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie II V - V VI - VI VII -VII IV - IV II III - III -2-6 -7-8 -9-11 -12-13 -14-15 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 65 7 75 8 85 9 95 1 15 11 115 strefa osłabienia strop utworów jury strop czapy gipsowej strop wysadu solnego Rys. 4.3. Przekrój sejsmiczny refleksyjny II-II sekcja głębokościowa Fig. 4.3. Seismic reflection cross-section II-II depth section III III 5 1 15 2 25 3 35 IV IV V V 5 1 15 2 25 3 35 5 1 15 2 25 3 35-2 -2-2 VI VI 5 1 15 2 24 VII VII 5 1 15 2 24-2 -2 strop utworów jury strop czapy gipsowej Rys. 4.4. Przekroje sejsmiczne refleksyjne: III-III, IV-IV, V-V, VI-VI, VII-VII sekcje głębokościowe Fig. 4.4. Seismic reflection cross-section: III-III, IV-IV, V-V, VI-VI, VII-VII depth section 525

Z. PILECKI, Z. SZCZERBOWSKI, J. KŁOSIŃSKI, M. KOSTER Sejsmiczna ocena stanu... strop utworów jury H - 7 położenie Kościoła H - 11 położenie Kościoła H - 11 strop czapy gipsowej H - 7 głębokość -12-16 -2-24 -28-32 -36-44 -48-52 -56-6 -64-68 -72-76 -8 - strefa osłabienia Rys. 4.5. Mapa powierzchni sejsmicznych w rejonie badań Fig. 4.5. The map of seismic surface in the investigation site 526

WARSZTATY 23 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Na profilu I-I i II-II (rys. 4.2 i 4.3) zaznaczają się wyraźnie dwie większe strefy osłabienia w części wschodniej wzdłuż profilu poprzecznego V-V oraz w części środkowej wzdłuż profilu poprzecznego VII-VII (rys. 4.4). Efektem występowania tych stref, o silnych właściwościach tłumiących, może być osłabienie rozdzielczości na profilach V-V, VI-VI i VII-VII, na których zaznaczają się jedynie fragmenty granic sejsmicznych. Niewielkie anomalne zmiany obrazu sejsmicznego związane również ze strefami osłabienia zaznaczają się również na profilu I-I w rejonie przecięcia z profilem IV-IV oraz wzdłuż profilu III-III. Generalnie, zaznaczające się strefy osłabienia należy korelować z zapadliska w tym rejonie oraz z rozluźnionym materiałem, który posłużył do ich zasypania. Z danych archiwalnych wynika, że decydujący wpływ na zniszczenie ośrodka miały w rejonie badań procesy krasowe, związane z infiltracja wód i działalnością górniczą. Procesy te najbardziej intensywnie rozwinęły się w strefach zaburzeń tektonicznych. Bardzo prawdopodobnym jest, że rozwijająca się strefa osłabienia wzdłuż profilu VII-VII jest strefą uskokową. Spostrzeżenie to potwierdzają zmienności litologiczne w obrębie czapy wysadu w otworach H-7 i H-11 wykonanych po obu stronach strefy osłabienia. Należy również zwrócić uwagę na zaznaczającą się zmienność morfologii powierzchni stropu utworów jurajskich w rejonie profilu IV-IV (rys. 4.4). Zmienność ta może również wskazywać na strefę tektoniczną. W części zachodniej terenu badań wzdłuż profilu III-III, w miejscu wystąpienia starego zapadliska, obraz sejsmiczny wskazuje na lokalne osłabienie, które jednak zaznacza się słabiej niż pozostałe. Granice sejsmiczne stropu utworów jurajskich i stropu czapy gipsowej zostały skorelowane na podstawie otworów badawczych. Zaznaczają się one w sposób wyraźny z wyjątkiem stref osłabienia. Granica stropu wysadu solnego zaznacza się stosunkowo słabo, prawdopodobnie ze względu na silne właściwości tłumiące warstw konglomeratu gipsowo-iłowego występujących w czapie wysadu. 5. Podsumowanie W rejonie badań powierzchnia stropu utworów jurajskich jest silnie nachylona w kierunku południowo-wschodnim. Znacznie mniejsze nachylenie wykazuje strop czapy wysadu, natomiast strop wysadu solnego jest w przybliżeniu płaski. Stan ośrodka skalnego w rejonie badań, w obrębie utworów jurajskich i czapy wysadu, wskazuje na dużą niejednorodność i zmienność spowodowaną rozwojem procesów krasowych, w szczególności w strefach zaburzeń tektonicznych. W bezpośrednim sąsiedztwie budynku kościoła występują dwie wyraźnie zaznaczające się w obrazie sejsmicznym strefy osłabienia pokazane na rysunkach 4.3 i 4.4. Strefy te mogą być przyczyną nierównomiernego rozkładu obciążeń pochodzących od bryły kościoła i w konsekwencji rozwoju spękań pokazanych na fotografiach od 1.1 1.3. W odległości około 2 m od kościoła w kierunku zachodnim zaznacza się kolejna strefa osłabienia, w postaci zniekształcenia morfologii powierzchni stropu utworów jurajskich (rys. 4.5). Strefę tą można korelować ze starym zapadliskiem, które prawdopodobnie rozwinęło się również w strefie uskokowej. Wyniki badań należałoby skorelować z wynikami jeszcze jednej metody geofizycznej, a w miejscach zgodności stwierdzonych anomalii wykonać kontrolne otwory badawcze. Praca wykonana w ramach projektu badawczego KBN 5 T12E 9 22 527

Z. PILECKI, Z. SZCZERBOWSKI, J. KŁOSIŃSKI, M. KOSTER Sejsmiczna ocena stanu... Literatura [1] Budryk W. 1933: Zapadliska na terenie miasta Inowrocławia, Przegl. Górn.-Hutn. nr 8, Sosnowiec, 1 14. [2] Łąka M. z Zesp. 198: Dokumentacja szczegółowych badań grawimetrycznych. Temat: Wysad solny, Inowrocław, 198 r., Przedsiębiorstwo Badań Geofizycznych, Warszawa 1981 (materiały niepublikowane). [3] Poborska-Młynarska K. 1984: Naturalna degradacja wysadu solnego w Inowrocławiu. Kwartalnik Geologiczny, t. 28, nr 2. [4] Program kompleksowych badań geofizycznych w rejonie wysadu solnego Inowrocław, dokumentacja badań PBG Warszawa, 1978. [5] Szczerbowski Z. 22: Badania geodezyjno-grawimetryczne efektów procesów geodynamicznych zachodzących w naruszonym eksploatacją górotworze solnym, materiały sympozjum Warsztaty 22 z cyklu:,,zagrożenia naturalne w górnictwie'', sesja okolicznościowa: Rozwiązania inżynierskie dla potrzeb ochrony terenów górniczych. Ustroń Śl., 27-29 maja 22, wyd. IGSMiE PAN, 293 32. Seismic estimation of rock mass state over salt dome Inowrocław In the paper results of seismic investigations aimed to determine the rock mass state in sinkhole dangered terrain in the vicinity of the church in Inowrocław have been described. On the basis of reflection and refraction profiling and special measurement geometry, some information about weak zones location and near-surface structure of the rock mass was extracted. Results of investigations let formulate some remarks on the causes of the process of the church fracturing. Przekazano: 8 marca 23 r. 528