WARUNKI GEOTERMALNE REJONU NYSY WED UG BADAÑ MAGNETOTELLURYCZNYCH ORAZ TERMICZNYCH

Antoni P. BARBACKI Technika Poszukiwañ Geologicznych Wies³aw BUJAKOWSKI Geotermia, Zrównowa ony Rozwój nr 1 2/2011 Zak³ad Odnawialnych róde³ Energii i Badañ Œrodowiskowych Pracownia Odnawialnych róde³ Energii Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energi¹ PAN 31-261 Kraków, ul. Wybickiego 7 wbujakowski@min-pan.krakow.pl barbacki@min-pan.krakow.pl WARUNKI GEOTERMALNE REJONU NYSY WED UG BADAÑ MAGNETOTELLURYCZNYCH ORAZ TERMICZNYCH STRESZCZENIE Przedstawiono wyniki zintegrowanych badañ termiki powierzchniowej oraz badañ magnetotellurycznych w rejonie miasta Nysa dla okreœlenia optymalnej lokalizacji otworu geotermalnego. Za³o ono, e zastosowane metody umo liwi¹ wskazanie przebiegu zawodnionych stref szczelinowych (uskokowych) w prekambryjskich ska³ach krystalicznych poprzez lokalizacjê anomalii geotermicznych i geofizycznych.. Wykonano 5 profili magnetotellurycznych o ³¹cznej d³ugoœci 5 km oraz 73 p³ytkie otwory wiertnicze o g³êbokoœci 1,2 m dla pomiarów termicznych. ¹czny obszar badañ obj¹³ powierzchniê oko³o 1 km 2. Badania da³y zbie ne dla obu metod wyniki, wskazuj¹c lokaln¹ strefê o najni szych opornoœciach i jednoczeœnie najwy szych temperaturach przypowierzchniowych, która zosta³a uznana za optymaln¹ dla planowanego wiercenia. S OWA KLUCZOWE Geotermia, termika powierzchniowa, magnetotelluryka, Sudety, Nysa * * * WPROWADZENIE Miasto Nysa le y na granicy Sudetów i Niziny Œl¹skiej a od po³udniowo-zachodniej strony graniczy z jeziorem Nyskim, znanym w regionie miejscem rekreacyjnym (rys. 1). W³adze miasta s¹ zainteresowane wykorzystaniem w strefie jeziora lokalnych zasobów geotermalnych. Recenzowa³ dr hab. in. Micha³ Stefaniuk Artyku³ wp³yn¹³ do Redakcji 01.06.2011 r., zaakceptowano do druku 21.07.2011 r. 109

niecka pó³nocno-sudecka Góry Izerskie Cieplice K arkonos ze Góry Kaczawskie SUDETY blok przeds udecki masyw strzegomski sudecki uskok brze ny Góry S owie masyw S trzelina WROC AW monoklina przedsudecka niecka œl¹sko-opolska niecka œródsudecka CZ E CH Y B2 NY S A B3 Gr abin POLSKA WARS ZAWA WROC AW NY S A 0 5 10 15 km B1 Kudowa uskoki granice jednostek geologicznych otwory geologiczne Duszniki metamorfik L¹dka i Œnie nika Paczków L¹dek Zdrój rzeka Nysa je zioro B1 Sudety Wschodnie Rys. 1. Szkicowa mapa regionu sudeckiego z otworami ze stwierdzonymi przyp³ywami wód termalnych Fig. 1. Geological map of the Sudetes Mountains in Poland with the locations of geothermal boreholes Badania wykonane w 2004 roku przez IGSMiE Polskiej Akademii Nauk w Krakowie (Barbacki, Bujakowski, Paj¹k 2005) pozwoli³y na okreœlenie perspektywicznych stref dla pozyskania energii geotermalnej w krystalicznych, spêkanych ska³ach prekambru. Stwierdzono, e najbardziej perspektywiczna strefa na tym obszarze zwi¹zana jest z uskokiem rzeki Nysy biegn¹cym wzd³u rzeki pomiêdzy Paczkowem i Nys¹ i dalej w kierunku wschodnim. Mo liwoœci pozyskania wód termalnych w rejonie miasta s¹ potwierdzone m.in. przez fakt nawiercenia wód termalnych w niedalekiej miejscowoœci Grabin, gdzie na g³êbokoœci oko³o 545 m pod osadami kredy uzyskano wodê termaln¹ o temperaturze 31,4 C (Dowgia³³o 2001). Wody termalne w Sudetach wystêpuj¹ równie w rejonie Cieplic, L¹dka Zdroju, Dusznik i Kudowy. 1. DOTYCHCZASOWE BADANIA OTWOROWE W otworze Œwidna IG1 (B1 na rys. 1) na g³êbokoœci 799 m stwierdzono samowyp³yw ponad 2,0 m 3 /h wody s³odkiej o mineralizacji 0,3 g/l z krystalicznych utworów prekambryjskich. W otworze NiedŸwiedŸ IG2 (B2 na rys. 1) stwierdzono znaczne ucieczki p³uczki na g³êbokoœci oko³o 1500 m, zwi¹zane z silnym skawernowaniem amfibolitów nasyconych wodami z³o owymi. 110

Otwór Odra 5/I w Grabinie (B3 na rys. 1) odwiercono w silnie zdyslokowanej strefie, w pobli u wschodniej granicy Bloku Przedsudeckiego i niecki œl¹sko-opolskiej. W roku 1983 w otworze tym na g³êbokoœci 545 m pod utworami górnej kredy po przewierceniu 60 m krystalicznych paragnejsów prekambru nast¹pi³ samowyp³yw 200 m 3 /h solanki o mineralizacji 10,0 g/l i temperaturze 31,4 C. Spadek nasycenia CO 2 spowodowa³ jednak po kilku latach obni enie samowyp³ywu do 157,5 m 3 /h (Dowgia³³o, Fistek 2003) Ciœnienie g³owicowe wynosi³o 1,2 MPa. S¹ to wody typu HCO 3 -Na-Mg+Ca+CO 2 +SiO 2 z du ¹ zawartoœci¹ dwutlenku wêgla, sodu i magnezu. Dane te wskazuj¹, e na obszarze Bloku Przedudeckiego w rejonie Nysy wody termalne mog¹ zalegaæ na niewielkich g³êbokoœciach w szczelinach spêkanych utworów prekambru pod przykryciem osadów trzeciorzêdowych. Obszar badañ wytypowano w uzgodnieniu z w³adzami miasta zainteresowanymi wykorzystaniem energii geotermalnej dla celów ciep³owniczych i/lub rekreacji. Jest to obszar zachodni miasta w rejonie jeziora Nyskiego (rys. 2). 2. POWIERZCHNIOWE BADANIE GEOTERMICZNE Badania geofizyczne obejmowa³y p³ytkootworowe badania termiczne prowadzone w celu identyfikacji powierzchniowych anomalii termicznych oraz badania magnetotelluryczne w celu korelacji stwierdzonych anomalii powierzchniowych ze strefami wg³êbnymi. Za³o ono, e strefy anomalii powierzchniowych s¹ zwi¹zane z systemem szczelin w ska- ³ach prekambryjskich prowadz¹cych wody termalne z du ych g³êbokoœci ku powierzchni bezpoœrednio do sp¹gu trzeciorzêdu. Badania termiczne wykonano w siatce o boku oko³o 75 m na obszarze 1 km 2 (rys. 2). Nadk³ad utworów trzeciorzêdowych wynosz¹cy œrednio 100 m wskazywa³ na mo liwoœæ zlokalizowania anomalii termicznych za pomoc¹ otworów pomiarowych o g³êbokoœci oko³o 1,0 1,5 m. Obecnoœæ stref uskokowych oraz stref spêkañ i szczelin prowadz¹cych wody termalne ku powierzchni mo e mieæ bowiem odzwierciedlenie w przypowierzchniowym rozk³adzie temperatury (Erkan i in. 2008; Hersir, Bjornson 1991). Na obszarze tym wykonano 73 otwory do g³êbokoœci 1,2 m. Po odwierceniu otworów i odczekaniu niezbêdnego czasu stabilizacji termicznej (ok. 24 h) wykonano pomiary temperatury z dok³adnoœci¹ do 0,1 C. Na podstawie danych z otworów wykonano mapê przedstawiaj¹c¹ charakterystykê termiczn¹ strefy przypowierzchniowej (rys. 3). Mapa pokazuje wystêpowanie wyraÿnego trendu podwy szonej temperatury o przebiegu NW-SE oraz lokalnych, cieplejszych obszarów le ¹cych na zachód od linii trendu. Anomalia termiczna w strefie trendu jest wyraÿna i mo e wskazywaæ na istnienie w utworach krystalicznych strefy uskokowej lub strefy o podwy szonej przepuszczalnoœci pionowej. Prawdopodobnie podchodzi ona pod utwory trzeciorzêdu na g³êbokoœci oko³o 100 m. 111

Na obszarze badañ temperatura gruntu na g³êbokoœci 1,2 m waha³a siê w zakresie od 12 C do 15 C, co mo na uznaæ za wyraÿn¹ zmiennoœæ, bior¹c pod uwagê niewielk¹ powierzchniê terenu badañ. 3. BADANIA MAGNETOTELLURYCZNE Badania magnetotelluryczne mia³y na celu wg³êbn¹ ekstrapolacjê powierzchniowych anomalii termicznych poprzez skorelowanie ich z rejestrowanymi, wg³êbnymi strefami obni- onej opornoœci. Niskie wartoœci opornoœci mog¹ bowiem wskazywaæ strefy zawodnione o podwy szonej w stosunku do otoczenia temperaturze. Prace magnetotelluryczne mia³y charakter badawczy, a ich celem by³o wg³êbne rozpoznanie opornoœciowe oœrodka geologicznego w rejonie miasta (rys. 2, 4). Do prac w omawianym rejonie wstêpnie wykorzystano metodê audio-magnetotelluryczn¹ ze sztucznym Ÿród³em fali oraz wykonano dodatkowo pomiary naturalnego pola magnetotellurycznego w wersji sondowañ AMT (Stefaniuk, Wojdy³a, Figu³a 2010). Badania magnetotelluryczne mia³y na celu okreœlenie rozk³adu opornoœci oraz interpretacjê stref tektonicznych wzd³u piêciu profili o ³¹cznej d³ugoœci 5000 m (rys. 2). Najwa niejszym rezultatem badañ s¹ przekroje opornoœci opracowane wzd³u profili pomiarowych i mapy opornoœci w ciêciach g³êbokoœciowych. Wyniki uzyskane z zastosowania metody magnetotellurycznej przedstawiaj¹ spójny obraz rozk³adu opornoœci z g³êbokoœci¹. Sp¹g kompleksu niskooporowego (kenozoicznego) zalega z nieznacznymi deniwelacjami na g³êbokoœci œrednio 120 m p.p.m. Poni ej tego kompleksu zalegaj¹ utwory wysokooporowe o opornoœciach rzêdu kilkaset i wiêcej omometrów. W kompleksie wysokooporowym zaznaczaj¹ siê jednak strefy anomalnych obni eñ opornoœci, szczególnie dobrze zobrazowane na przekrojach odnosz¹cych siê do profili zorientowanych w kierunkach SW-NE (rys. 4, 5). Obecnoœæ stref obni eñ opornoœci w pod³o u podtrzeciorzêdowym (krystalicznym) widoczna jest równie na przekroju przedstawionym na rysunku 6. 4. ZINTEGROWANA INTERPRETACJA POMIARÓW TEMPERATUROWYCH I MAGNETOTELLURYCZNYCH Wed³ug wyników badañ termiki warstw przypowierzchniowych strefy przebiegaj¹ce w kierunku NW-SE oraz SW-NE w centralnej czêœci obszaru wykazuj¹ podwy szon¹ temperaturê wzglêdem stref s¹siednich. Wyniki badañ magnetotellurycznych równie wskaza³y na istnienie zawodnionych stref dyslokacji (uskok, strefa zeszczelinowana) w tych samych lokalizacjach. Strefy takie mog¹ stanowiæ drogê migracji wysokotemperaturowych p³ynów termalnych ze stref wg³êbnych ku powierzchni. 112

Na rysunku 7 przedstawiono zintegrowan¹ (kompleksow¹) interpretacjê wyników obu metod, tzn. metody termicznej i magnetotellurycznej, w postaci mapy rozk³adu temperatur strefy przypowierzchniowej (mapa pierwsza górna) oraz map rozk³adu opornoœci pozornej (metoda magnetotelluryczna) dla piêciu poziomów g³êbokoœciowych. Na mapach magnetotellurycznych zaznacza siê system potencjalnych, zawodnionych uskoków stref anomalnych obni eñ wartoœci opornoœci o kierunku NNW-SSE. Nie mo na te wykluczyæ tu obecnoœci strefy uskokowej o kierunku SW-NE we wschodniej czêœci obszaru badañ. Prawdopodobnie jest to równie strefa wystêpowania wód termalnych w szczelinach masywu krystalicznego. Analiza obrazu geofizycznego wskazuje, e strefy podwy szonych temperatur (kolor czerwony) koreluj¹ ze strefami niskich opornoœci na mapach magnetotellurycznych (kolor niebieski), przy czym korelacja ta zanika sukcesywnie wraz ze wzrostem g³êbokoœci. Zak³adaj¹c zatem, e rejony podwy szonych temperatur przypowierzchniowych wskazuj¹ miejsca przep³ywu wód termalnych pod utworami trzeciorzêdu, które na mapach magnetotellurycznych zaznaczaj¹ siê w postaci wg³êbnych obszarów o niskiej opornoœci g³ówny interwa³ g³êbokoœciowy wystêpowania stref zawodnionych znajdowa³by siê w przedziale g³êbokoœci 300 1000 m p.p.t. z tendencj¹ zanikaj¹c¹ poni ej g³êbokoœci 1500 m p.p.t. W celu przestrzennego przedstawienia zmian opornoœci oœrodka geologicznego gdzie niskie opornoœci (barwy niebiesko-zielone) uto samiono ze szczelinowymi strefami zawodnionymi, zawieraj¹cymi przypuszczalnie wody termalne wykonano szereg przekrojów i obrazów 3D umo liwiaj¹cych wgl¹d w przestrzenny rozk³ad tych stref, a tym samym ocenê ich zasiêgu g³êbokoœciowego i powierzchniowego (rys. 8 i 9, gdzie granatowa linia na szkicu topograficznym figur oznacza lokalizacjê prezentowanego przekroju). Widoczna jest strefa wyraÿnie obni onej opornoœci w naro u NW obszaru, która koreluje ze wspomnian¹ stref¹ podwy szonych temperatur warstw przypowierzchniowych. W celu przestrzennego zobrazowania stref niskich opornoœci interpretowanych jako potencjalne strefy infiltracji wód termalnych przyjêto, e wskaÿnikiem przestrzennego usytuowania tych stref bêdzie obraz ukszta³towania powierzchni o anomalnie niskich opornoœciach wynosz¹cych 200 omów (rys. 10 12). Krystaliczne ska³y prekambru zbite i suche posiadaj¹ na tym obszarze opornoœci powy ej 1000 omów. Przestrzenny obraz niskich opornoœci wskazuje, e wystêpuj¹ one na ca³ym obszarze badañ, jednak na ró nych g³êbokoœciach. W interwale 100 200 m p.p.t.(+100 0 m n.p.m.) jest to strefa lokalna zwi¹zana przypuszczalnie z wodami ch³odnymi widoczna wyraÿnie w górnym fragmencie figur na rysunkach 11 i 12. Strefa bardziej rozbudowana, dominuj¹ca w obrazie niskich opornoœci, wystêpuje natomiast w interwale g³êbokoœci 400 950 m p.p.t [( 200) ( 750) m n.p.m.], a jej forma i zró - nicowanie g³êbokoœciowe wskazuj¹ na mo liwoœæ jej kontynuacji poza obszarem badañ przy rosn¹cej w kierunku NW g³êbokoœci. Widoczna jest tutaj strefa dyslokacji (rys. 10) o kierunku NW-SE, biegn¹ca od g³êbokoœci oko³o 900 m p.p.t. (700 m p.p.m.) w strefie NW na g³êbokoœæ oko³o 600 m p.p.t. w strefie SE (rys. 11). 113

Przypuszczalnie jest to g³ówna strefa dyslokacji na obszarze badañ, stanowi¹ca jednoczeœnie drogê migracji wód podziemnych o podwy szonych temperaturach ku strefom przypowierzchniowym. WNIOSKI Metoda zintegrowana badañ termiczno-magnetotellurycznych, maj¹ca na celu okreœlenie potencjalnie korzystnych stref eksploatacji wód termalnych da³a spójne wyniki. Na podstawie interpretacji danych magnetotellurycznych wyznaczono potencjalne systemy dyslokacji oraz okreœlono interwa³y g³êbokoœciowe i zasiêg przestrzenny stref niskooporowych, które s¹ interpretowane jako systemy szczelin wype³nionych prawdopodobnie wod¹ termaln¹. Pomiary termiczne pozwoli³y na okreœlenie stref, gdzie dodatnie anomalie temperaturowe s¹ prawdopodobnie wynikiem konwekcyjnego transportu masy i ciep³a ku strefom przypowierzchniowym, zaznaczaj¹c swoj¹ obecnoœæ w przypowierzchniowym rozk³adzie temperatury. Zintegrowana analiza wyników obu metod pozwoli³a na wysuniêcie nastêpuj¹cych wniosków: 1. Stwierdzono trzy strefy o podwy szonych temperaturach powierzchniowych, z jedn¹ stref¹ o wyraÿnej ci¹g³oœci i regularnoœci. 2. Strefa ta koreluje z stref¹ anomalnie niskich opornoœci pozornych, któr¹ stwierdzono podczas badañ magnetotellurycznych. 3. Omawiana strefa podwy szonych temperatur i niskich opornoœci jest przypuszczalnie zwi¹zana z wg³êbn¹ cyrkulacj¹ wód termalnych w obrêbie wystêpuj¹cych tu dyslokacji lub stref szczelinowych. 4. G³ówna strefa perspektywiczna zosta³a zlokalizowana w SSW czêœci obszaru badañ w interwale g³êbokoœci do oko³o 1500 m p.p.t.(najwyraÿniej zaznacza siê w interwale g³êbokoœci 400 950 m p.p.t), przy czym jej zapadanie kontynuuje siê nadal w kierunku NW, ju poza obszarem badañ. 5. Strefa ta zwi¹zana jest z powierzchni¹ uskokow¹ i mo e jednoczeœnie stanowiæ potencjaln¹ drogê migracji wód termalnych ze stref wysokotemperaturowych ku powierzchni. 6. Wed³ug danych magnetotellurycznych wyraÿny zanik tej strefy w obrêbie obszaru badañ nastêpuje poni ej g³êbokoœci 1500 m p.p.t. 114

LITERATURA BARBACKI A., BUJAKOWSKI W., PAJ K L., 2005 Mo liwoœæ pozyskania i zagospodarowania wód termalnych w rejonie Nysy. Technika Poszukiwañ Geologicznych, Geotermia, Zrównowa ony Rozwój nr 6/2005, Kraków. DOWGIA O J., 2001 The Sudetic geothermal region of Poland. Geothermics 31, pp. 343 359. DOWGIA O J., FISTEK J., 2003 New findings in the Walbrzych Klodzko geothermal subregion (Sudetes, Poland). Geothermics 32, pp. 689 699. ERKAN K., HOLDMAN G., BENOIT W., BLACKWELL D., 2008 Understanding the Chena Hot Springs, Alaska, geothermal system using temperature and pressure data from exploration boreholes. Geothermics 37, pp. 565 585. HERSIR G, P., BJORNSSON A., 1991 Geophysical exploration for geothermal resources (principles and application). UNU Geothermal Training Programme. Reykjavik, Iceland. STEFANIUK M., WOJDY A M., FIGU A J., 2010 Ocena warunków geotermalnych na podstawie badañ geofizycznych magnetotellurycznych oraz termiki pod³o a w wyznaczonym rejonie badañ na terenie miasta Nysa. Archiwum IGSMiE PAN, Kraków. GEOTHERMAL CONDITIONS IN NYSA REGION AFTER MAGNETOTELLURIC AND THERMIC SURVEYS Abstract The article presents the results obtained through integrated surface measurements of temperature in soil and magnetotelluric surveys within the town of Nysa (SW Poland) in order to determine the optimum location for a geothermal well. It was assumed that the geophysical methods used would make it possible to establish the location of water-filled fissure (fault) zones in Precambrian crystalline rocks and the associated geothermal anomalies. Five magnetotelluric profiles were obtained with a total length of 5 km and 73 shallow boreholes (1.2 m deep) were drilled for thermal measurement purposes. The study area was small, amounting to ca. 1 square kilometre in total. Both survey methods yielded correlated results, indicating a local zone with the lowest resistivity and highest near-surface temperatures as the optimum location for the drilling activities planned. Key words Geothermal, surface temperatures, magnetotelluric survey, Sudetes, Nysa city

Rys. 2. Obszar badañ. Czerwone linie profile magnetotelluryczne; kolorowe punkty lokalizacje i stan wykonanych otworów podczas badañ termicznych. Mapa podk³adowa: http://maps.geoportal.gov.pl/webclient/ Fig. 2. Study area. Red lines magnetotelluric profiles; coloured markings locations and status of the holes drilled during thermal surveys. Background map: http://maps.geoportal.gov.pl/webclient/ Rys. 3. Mapa termiczna modelowanego obszaru poszerzony zakres interpolacji. Mapa t³a: http://maps.geoportal.gov.pl/webclient/ Fig. 3. Thermal map of the area modelled interpolation range extended to include the NW and SE corners. Background map: http://maps.geoportal.gov.pl/webclient/

Rys. 4. Przekrój geoelektryczny 1p (rys. 2) opracowany na podstawie wyników inwersji 1D danych AMT metod¹ Occama Fig. 4. Geoelectrical cross-section 1p (fig. 2) developed on the basis of the results of 1D inversion of AMT data using the Occam method

Rys. 5. Przekrój geoelektryczny 2p (rys. 2) opracowany na podstawie wyników inwersji 1D danych AMT metod¹ Occama Fig. 5. Geoelectrical cross-section 2p (fig. 2) developed on the basis of the results of 1D inversion of AMT data using the Occam method

Rys. 6. Przekrój geoelektryczny 3k (rys. 2) opracowany na podstawie wyników inwersji 1D danych AMT metod¹ Occama Fig. 6. Geoelectrical cross-section 3k (fig. 2) developed on the basis of the results of 1D inversion of AMT data using the Occam method

Rys. 7. Mapa rozk³adu temperatury gruntu na g³êbokoœci 1,2 m oraz mapy rozk³adu opornoœci pozornej na g³êbokoœciach 690, 890, 1090, 1290 i 1490 m p.p.t. (inwersja 1D metod¹ Occama) Fig. 7. Ground temperature distribution map of the depth of 1,2 m and maps of the apparent resistivity distribution of the depth 690, 890, 1090 and 1490 m b.g.l. (1D inverions Occam method)

Rys. 8. Przestrzenny obraz opornoœci (widok w kierunku SE, kierunek patrzenia niebieska strza³ka) Fig. 8. Spatial resistivity distribution (view towards the SE, viewing direction denoted by the blue arrow on the map) Rys. 9. Przekrój SE-NW opornoœci (widok w kierunku SW, kierunek patrzenia niebieska strza³ka) Fig. 9. SE NW resistivity cross-section (view towards the SW, viewing direction denoted by the blue arrow on the map)

Rys. 10. Powierzchnia o opornoœci 200 omów (widok z góry, pocz¹tek uk³adu wspó³rzêdnych: SW naro e obszaru badañ) Fig. 10. Surface with resistivity of 200 om meters (viewed from above, coordinate system origin: SW corner pf the study map)

Rys. 11. Powierzchnia o opornoœci 200 omów (widok w kierunku E, pocz¹tek uk³adu wspó³rzêdnych: SW naro e obszaru badañ) Fig. 11. Surface with a resistivity of 200 om meters (view towards the E, coordinate system origin: SW corner of the study area)

Rys. 12. Powierzchnia o opornoœci 200 omów (widok w kierunku W, pocz¹tek uk³adu wspó³rzêdnych: SW naro e obszaru badañ) Fig. 12. Surface with a resistivity of 200 om meters (view towards the W, coordinate system origin: SW corner of the study area)