Robert SKRZYPCZAK Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energi¹ Polska Akademia Nauk Zak³ad Energii Odnawialnej ul.wybickiego7,31-261kraków Technika Poszukiwañ Geologicznych Geotermia, Zrównowa ony Rozwój nr 1 2/2010 PRZEGL D POZASUDECKICH MASYWÓW KRYSTALICZNYCH W POLSCE (W POSZUKIWANIU STRUKTUR DLA TECHNOLOGII GOR CYCH SUCHYCH SKA HDR) STRESZCZENIE Poszukiwanie struktur geologicznych przydatnych dla zastosowania technologii gor¹cych suchych ska³ (HDR Hot Dry Rock) sk³oni³o do dokonania przegl¹du kompleksów ska³ krystalicznych wystêpuj¹cych w Polsce, w aspekcie wykorzystania zakumulowanej w nich energii cieplnej. Artyku³ jest przegl¹dem informacji na ten temat w odniesieniu do masywów pozasudeckich, przy czym skoncentrowano uwagê g³ównie na ich przestrzennym umiejscowieniu. Analiza sugeruje, e w obszarze tym interesuj¹cy dla technologii HDR region to ewentualnie obszar elewacji utworów krystalicznych wzd³u orientacyjnej linii Miêdzyrzec Leszno oraz ich s¹siedztwo na pograniczu litosfer dwóch typów: PP (platformy paleozoicznej) i TESZ (transeuropejskiej strefy szwu). S OWA KLUCZOWE Gor¹ce suche ska³y, krystalinik Polski, termika wybranych struktur krystalicznych * * * WPROWADZENIE Technologia gor¹cych suchych ska³ (HDR), okreœlana ostatnio jako Enhanced Geothermal Systems (EGS), wykorzystuje utwory geologiczne kumuluj¹ce ciep³o, pozbawione stref silnego spêkania i izolowane od kr¹ enia wód podziemnych. W klasycznym systemie takie ska³y wystêpuj¹ zazwyczaj na g³êbokoœciach 3 5 tys. m. Dodatkowe ciep³o jest tam generowane przez pierwiastki promieniotwórcze zawarte w niektórych minera³ach ska³otwórczych (Górecki 2006). Recenzowa³ dr hab. in. Antoni Barbacki Artyku³ wp³yn¹³ do Redakcji 15.11.2010 r., zaakceptowano do druku 24.11.2010 r. 91
Technologia geotermalna HDR polega na odzysku ciep³a z suchych ska³ (np. krystalicznych), tj. z zamkniêtych systemów geotermicznych umo liwiaj¹cych produkcjê energii elektrycznej. Istotne znaczenie w perspektywie poszukiwania takich struktur wydaj¹ siê mieæ niektóre masywy ska³ krystalicznych z terenu Polski. Nazwa ska³y krystaliczne obejmuje krystaliczne ska³y magmowe (produkty magmatyzmu i wulkanizmu) oraz zwi¹zane z nimi krystaliczne ska³y metamorficzne. Wskazówk¹ w identyfikacji ska³ przydatnych dla okreœlonych powy ej celów s¹ informacje o obecnej pozycji przestrzennej jednostek strukturalnych, ich przesz³oœci geologicznej, w tym zw³aszcza termicznej, a tak e niektóre informacje petrograficzne i petrologiczne. Ska³y magmowe kolejnych rozwijaj¹cych siê w Polsce g³ównych cykli orogenicznych (Bolewski, Parachoniak 1974) to: prekambryjskie ska³y magmowe (pod³o e NE Polski, Sudety, Polska po³udniowa), ska³y staropaleozoicznej epoki magmowej (Sudety, pod³o e Karpat, NE Polska, Góry Œwiêtokrzyskie), ska³y m³odopaleozoicznej epoki magmowej: ska³y magmatyzmu pocz¹tkowego (Sudety Wschodnie i blok przedsudecki), ska³y magmatyzmu g³ównego (Sudety, Tatry, pod³o e Karpat, obszar œl¹sko-krakowski), ska³y wulkanizmu nastêpczego i koñcowego (Sudety i Przedgórze Sudeckie, obszar œl¹sko-krakowski, okolice Zawiercia oraz niecka miechowska i Góry Œwiêtokrzyskie), ska³y wulkanizmu platformy paleozoicznej (monoklina przedsudecka, NW Polska, obszar lubelski); ska³y mezo-kenozoicznej epoki magmowej (Tatry, Karpaty, pieniñski pas ska³kowy, œrodkowa Polska i zapadlisko przedkarpackie w osadach wieku kredowego i m³odszych, dolnoœl¹ska formacja bazaltowa). Ska³y krystaliczne ods³aniaj¹ siê w Polsce w Sudetach i Tatrach (rys. 1). Zajmuj¹ tam powierzchnie niewielkie wobec powierzchni kraju. Inne kompleksy ska³ krystalicznych, wystêpuj¹ce czasem na rozleg³ych powierzchniach (np. prekambryjskie ska³y magmowe pod³o a NE Polski), ukryte s¹ w naszym kraju pod m³odszymi utworami osadowymi (na ogó³ na du ych g³êbokoœciach). 1. PREKAMBRYJSKI KRYSTALINIK POD O A NE POLSKI Kompleks prekambryjskich ska³ krystalicznych platformy wschodnioeuropejskiej obejmuje tereny NE Polski o powierzchni oko³o 50 tys. km 2, lecz gruboœæ przykrywaj¹cych je m³odszych osadów wynosi od 450 m w Wisznicach na NE do 2500 m na SW (Bolewski, Parachoniak 1974). Krystaliczne pod³o e tworz¹ tam (Ryka 1974): podlaski metamorficzny kompleks suprakrustalny z metamorficznymi seriami: bia³owiesk¹, wojnowsk¹, krynkowsk¹, Czarnej Hañczy i ³ukowsk¹, mazowiecki metamorficzny kompleks suprakrustalny z metamorficzn¹ seri¹ jadowsk¹ i granitoidami: Bia³ki, wisznickimi i centralnymi, 92
formacja intruzywna z: suwalsk¹ intruzj¹ anortozytowo-norytow¹, œniardwiañsk¹ intruzj¹ gabrow¹, e³ck¹ intruzj¹ sjenitow¹ i alkaliczno-zasadow¹ intruzj¹ Tajna, mazurski metamorficzny kompleks suprakrustalny z granitoidami pó³nocnymi, kompleks jotnicki z kwarcytami, diabazami i porfirami. Wed³ug Mazura i Jarosiñskiego (2004) w strefie akrecji terranów, tj. w szerokim rozumieniu strefy TESZ (Trans European Seture Zone), utwory te buduj¹ litosferê typu EEC kratonu wschodnioeuropejskiego (brzegu Baltiki na rys. 2 zaznaczon¹ jako Platforma Wschodnioeuropejska), a genetycznie zwi¹zana jest z nim litosfera typu TTZ bloków przylegaj¹cych bezpoœrednio do tego kratonu i siêgaj¹cych po SW granicê strefy TT (Teisseyre a-tornquista rys. 3; w w¹skim rozumieniu uto samiana jest ze stref¹ TESZ). 2. PREKAMBRYJSKI KRYSTALINIK BLOKU GÓRNOŒL SKIEGO I MA OPOLSKIEGO ORAZ GÓRNOKARBOÑSKA INTRUZJA NA ICH KONTAKCIE Krystaliczne pod³o e relatywnie ma³ych bloków (terranów) górnoœl¹skiego i ma³opolskiego tworz¹ utwory przykryte warstw¹ ska³ osadowych (rys. 1). Strop gnejsów i fyllitów w pod³o u bloku górnoœl¹skiego stwierdzono na g³êbokoœciach od 1500 m na obrze ach do 4000 m w czêœci centralnej. Osady dolnokambryjskie w bloku ma³opolskim siêgaj¹ z kolei co najmniej na g³êbokoœæ 4000 5000 m (Mapa geologiczna Polski i krajów oœciennych... 1984). Wed³ug aby (1999) brze n¹, zachodni¹ czêœæ wendyjsko-dolnokambryjskiego metasedymentu (przypuszczalnie tworz¹cego siê od wendu) przebija górnokarboñska intruzja granitoidów, przykryta m³odszymi osadami zmetamorfizowanymi przez ni¹ kontaktowo. Jej powstanie autor ten ³¹czy z ruchami przesuwczymi (prawoskrêtna transpresja i transtensja w karbonie górnym) na kontakcie obu bloków wstrefie uskokowej Kraków Lubliniec o szerokoœci 0,5 km i o za³o eniach proterozoicznych; prawdopodobnie stanowi¹cej segment transkontynentalnej linii tektonicznej Hamburg-Kraków. 3. KALEDOÑSKI KRYSTALINIK PRA-KARPAT I INTRUZJE PÓ NOKALEDOÑSKIE W GÓRACH ŒWIÊTOKRZYSKICH W pod³o u Karpat, na g³êbokoœci oko³o 2000 m, pod utworami fliszowymi i paleozoicznymi natrafiono na granitoidy staropaleozoicznej epoki magmowej i inne œlady kaledonidów pra-karpat. Z kolei efektem posttektonicznej dzia³alnoœci magmy w strefie tworzenia siê gór fa³dowych u schy³ku orogenezy kaledoñskiej s¹ intruzje diabazów i lamprofirów w Górach Œwiêtokrzyskich (Bolewski, Parachoniak 1974; rys. 1). 93
Góry Œwiêtokrzyskie Sudety blok przedsudecki masyw górnoœl¹ski Tatry masyw ma³opolski obszar lubelski Rys. 1. Krystalinik Polski po³udniowej na tle mapy geologicznej Polski bez utworów kenozoicznych (Dadlez i in. 2000) Fig. 1. Cristalinic southern Poland an the background of the geological map of Poland without Cenozoic (Dadlez et al. 2000) 94
4. KRYSTALINIK PLATFORMY PALEOZOICZNEJ W OBRÊBIE LITOSFERY TYPU TESZ Wed³ug Mazura i Jarosiñskiego (2004) w szerokiej strefie akrecji terranów doœæ szczególn¹ pozycjê zajmuje litosfera typu TESZ skorupy szwu transeuropejskiego pomiêdzy SW granic¹ strefy TT (Teisseyre a-tornquista) a stref¹ tektoniczn¹ Dolska (rys. 2). Stanowi ona osobny blok pod³o a, który wywodzi siê z terranu Awalonii lub ze spokrewnionego z ni¹ terranu przy³¹czonego do brzegu kratonu Baltiki we wczesnym paleozoiku. Litosfera ta oddziela kraton wschodnioeuropejski (na NE) od orogenu waryscyjskiego (na SW) tworz¹c waryscyjski basen przedgórski. Charakteryzuje j¹ m.in. wysoka produkcja ciep³a radiogenicznego. Elewacjê utworów krystalicznych tworz¹ tam gnejsy, amfibolity oraz granity, a w czêœci stropowej utwory niskometamorficzne (Cymerman 2004). Trójwarstwowa struktura sejsmiczna tej skorupy jest prawdopodobnie wypadkow¹ szeregu czynników, takich jak m.in. wczesnopaleozoiczne podklejanie dolnej skorupy przez magmy wytapiane z subdukowanej p³yty oceanu Tornquista, nasuwanie kaledoñskiej pryzmy akrecyjnej, czy m³odsze Rys. 2. Hipotetyczna rekonstrukcja pokazuj¹ca rozmieszczenie g³ównych paleozoicznych terranów w strefie TESZ na obszarze Polski (Mazur, Jarosiñski 2004) CDF front deformacji kaledoñskiej, MHCD g³ówna dyslokacja Œwiêtokrzyska, TT strefa Teisseyre a-tornquista, WLH wyniesienie Leszna-Wolsztyna Fig. 2. Hypothetical reconstruction showing the distribution of main Paleozoic terranes within the Polish segment of the Trans European Suture Zone (Mazur, Jarosiñski 2004) 95
przemieszczenia wzd³u wielokrotnie reaktywowanych stref przesuwczych (Mazur, Jarosiñski 2004). 5. KRYSTALINIK LITOSFER OROGENU WARYSCYJSKIEGO POD O A NW POLSKI Wed³ug Mazura i Jarosiñskiego (2004) w obszarze NW Polski stanowi¹cym czêœæ wspomnianej szerokiej strefy akrecji terranów i przylegaj¹cym do transeuropejskiej strefy szwu (TESZ) struktury krystaliczne wystêpuj¹ do g³êbokoœci oko³o 30 km (rys. 2). Obejmuj¹ one rozleg³e powierzchnie siêgaj¹ce po w¹sk¹ strefê TT: (1) waryscyjskich eksternidów (litosfera typu PP platformy paleozoicznej pomiêdzy stref¹ tektoniczn¹ Dolska a uskokiem œrodkowej Odry) i (2) waryscyjskiego basenu przedgórskiego w przedpolu Masywu Czeskiego wywodz¹cego siê z terranu Armoryki (litosfera typu VP niskich prêdkoœci sejsmicznych, na po³udnie od uskoku œrodkowej Odry). S¹ to obszary, których struktura sejsmiczna zosta³a przebudowana w efekcie gruboskórkowej tektoniki waryscyjskiej, analogicznie jak litosfera Masywu Czeskiego. Litosfera typu PP charakteryzuje siê m.in. wysok¹ produkcj¹ ciep³a radiogenicznego. W jej obrêbie, wzd³u orientacyjnej linii Miêdzyrzec Leszno, a tak e na jej pograniczu z litosfer¹ typu TESZ, utwory krystaliczne wystêpuj¹ najp³ycej w litosferze typu PP ich strop stwierdzono na g³êbokoœci oko³o 4000 m (Mapa geologiczna Polski i krajów oœciennych... 1984), a w litosferze typu TESZ na g³êbokoœci oko³o 5000 m (Puziewicz 2004). Równoczeœnie jest to obszar dodatniej anomalii termicznej o wartoœci 200 o C na g³êbokoœci oko³o 6 km i 400 o C na g³êbokoœci 15 km w litosferze typu TESZ, podczas gdy w obrêbie kompleksu ska³ krystalicznych platformy wschodnioeuropejskiej odpowiednie izotermy na po³udnie od Olszyna wystêpuj¹ na g³êbokoœciach 11 i 29 km (Jarosiñski, D¹browski 2004). 6. WARYSCYJSKI KRYSTALINIK TATR Krystaliczne karboñskie j¹dro Tatr (efekt waryscyjskiego magmatyzmu g³ównego), a lokalnie tak e bia³e granity aplitowe ich pod³o a (przypuszczalnie prekambryjskie, znane z Dolin Koœcieliskiej i Starorobociañskiej oraz Ornaku), znajduj¹ siê obecnie w ca³oœci w obrêbie Tatrzañskiego Parku Narodowego. Waryscyjski trzon krystaliczny obejmuje obszar od Szerokiej Jaworzyñskiej i Zielonych Czubów po rejon Krywania. Zastyg³ on w warunkach powolnego spadku temperatury. Wraz z granitow¹ os³on¹ obrze enia pociêty jest pegmatytami i y³ami hydrotermalnymi. Krystaliczny trzon Tatr zawiera granitoidy ró nych typów genetycznych magmowe, metamorficzne i mieszane powsta³e w ró nych stadiach oddzia³ywania intruduj¹cej magmy, w tym skrystalizowane podczas selektywnego up³ynniania siê starszych ska³ (Bolewski, Parachoniak 1974; rys. 1). 96
WNIOSKI 1. Z punktu widzenia poszukiwañ struktur geologicznych przydatnych dla technologii HDR, relatywnie najkorzystniejsze warunki w obrêbie krystaliniku pozasudeckiego wystêpuj¹ w elewacji utworów krystalicznych na pograniczu litosfery typu TESZ (skorupy szwu transeuropejskiego pomiêdzy SW granic¹ strefy Teisseyre a-tornquista [TT] a stref¹ tektoniczn¹ Dolska) i litosfery typu PP (platformy paleozoicznej pomiêdzy stref¹ tektoniczn¹ Dolska a uskokiem œrodkowej Odry). Dodatnia anomalia termiczna zwi¹zana jest tam przypuszczalnie z wysok¹ produkcj¹ ciep³a radiogenicznego. W obrêbie litosfery typu TESZ izoterma 200 o C wystêpuje na g³êbokoœci oko³o 6 km. Podobnych, a nawet nieco korzystniejszych warunków, mo na siê spodziewaæ w elewacji w obrêbie litosfery typu PP, na orientacyjnej linii Miêdzyrzec Leszno. 2. W krystaliniku pozasudeckim, obszary p³ytszego wystêpowania struktur geologicznych potencjalnie przydatne dla technologii HDR mog¹ siê wi¹zaæ ze ska³ami m³odopaleozoicznej epoki magmowej, szczególnie powsta³ymi w fazie magmatyzmu g³ównego i ewentualnie ze ska³ami ich os³ony metamorficznej. Takie serie skalne ods³aniaj¹ siê na powierzchni w Tatrach. Uwagê zwracaj¹ tak e ska³y m³odopaleozoicznego magmatyzmu g³ównego zalegaj¹ce p³ytko pod m³odszymi osadami w obszarze œl¹sko-krakowskim. W obu obszarach utwory magmowe tworz¹ zwarte kompleksy; w Tatrach relatywnie du e i ze œladami po m³odszej, mezo-kenozoicznej epoce magmowej, a w obszarze œl¹sko-krakowskim ze œladami m³odopaleozoicznego wulkanizmu nastêpczego i koñcowego. LITERATURA BOLEWSKI A., PARACHONIAK W., 1974 Petrografia. Wyd. Geol. CYMERMAN Z., 2004 Interpretacja geologiczna wyników g³êbokich sondowañ sejsmicznych eksperymentu POLONAISE 97 dla obszaru platformy prekambryjskiej. [W:] Budowa litosfery centralnej i pó³nocnej Polski (obszar projektu POLONAISE) na podstawie zintegrowanej analizy danych geofizycznych i geologicznych (proj. bad. nr 2.94.0004.00.0). http://www.pgi.gov.pl/post_polonaise/postpol_unpl.html. DADLEZ i in., 2000 Mapa geologiczna Polski bez utworów kenozoicznych. vide Krzywiec P., Jarosiñski M., 2009. GÓRECKI W., 2006 Opis zastosowañ wód i energii geotermalnej. [W:] Atlas zasobów geotermalnych formacji mezozoicznej na Ni u Polskim. Praca zbiorowa pod red. nauk. W. Góreckiego. Ministerstwo Œrodowiska, Narodowy Fundusz Ochrony Œrodowiska i Gospodarki Wodnej, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie Zak³ad Surowców Energetycznych AGH, Pañstwowy Instytut Geologiczny w Warszawie, s. 36 37, Kraków. JAROSIÑSKI M., D BROWSKI M., 2004 Jednowymiarowe modele reologiczne litosfery wzd³u g³êbokich przekrojów sejsmicznych projektu POLONAISE 97, TTZ i LT. [W:] Budowa litosfery centralnej i pó³nocnej Polski (obszar projektu POLONAISE) na podstawie zintegrowanej analizy danych geofizycznych i geologicznych (proj. bad. nr 2.94.0004.00.0). http://www.pgi.gov.pl/post_polonaise/postpol_unpl.html. KRZYWIEC P., JAROSIÑSKI M., 2009 Wstêp. [W:] Budowa litosfery centralnej i pó³nocnej Polski (obszar projektu POLONAISE) na podstawie zintegrowanej analizy danych geofizycznych i geologicznych (proj. bad. nr 2.94.0004.00.0). http://www.pgi.gov.pl/post_polonaise/postpol_unpl.html Mapa geologiczna Polski i krajów oœciennych bez utworów kenozoicznych, mezozoicznych i permskich, 1:1 000 000. Red. nauk.: W. Po aryski, M. Dembowski. IG Warszawa, 1984. 97
MAZUR S., JAROSIÑSKI M., 2004 Budowa geologiczna g³êbokiego pod³o a platformy paleozoicznej SW Polski w œwietle wyników eksperymentu sejsmicznego POLONAISE 97. [W:] Budowa litosfery centralnej i pó³nocnej Polski (obszar projektu POLONAISE) na podstawie zintegrowanej analizy danych geofizycznych i geologicznych (projekt badawczy nr 2.94.0004.00.0). http://www.pgi.gov.pl/post_polonaise/postpol_unpl.html PUZIEWICZ J., 2004 Ska³y dolnej skorupy i najwy szego p³aszcza na obszarze eksperymentu POLO- NAISE 97: modele petrologiczno-sejsmiczne. [W:] Budowa litosfery centralnej i pó³nocnej Polski (obszar projektu POLONAISE) na podstawie zintegrowanej analizy danych geofizycznych i geologicznych (projekt badawczy nr 2.94.0004.00.0). http://www.pgi.gov.pl/post_polonaise/postpol_unpl.html RYKA W., 1974 vide Bolewski A., Parachoniak W., 1974. ABA J., 1999 Ewolucja strukturalna utworów dolnopaleozoicznych w strefie granicznej bloków górnoœl¹skiego i ma³opolskiego. Prace PIG, t. 166. REVIEW OF THE OUTSIDE SUDETES CRYSTALLINE MASSIFS IN POLAND (IN THE SEARCH FOR STRUCTURES FOR HOT DRY ROCK (HDR) TECHNOLOGY) ABSTRACT Search of geological structures suitable for the deployment of hot dry rock technology (HDR) led to a review of complex crystalline rocks occurring in Poland in a view of utilisation of heat accumulated in them. The article is a review of information on this subject in relation to outside Sudetes massifs, with the focus on the spatial location of these structures. The analysis suggests that within this area, interesting for HDR technology region is possibly area of elevated crystalline structures along the guide tracks of Miêdzyrzec Leszno line and their neighborhood on the border between the two types of lithosphere: PP (Paleozoic Platform) and TESZ (Trans-European Suture Zone). KEY WORDS Hot dry rocks, crystalline structures in Poland, thermics of selected crystalline structures