WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str. 647 654 Ewa KAWALEC-LATAŁA Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków Złoża soli kamiennej z rejonu Sieroszowic na sekcjach pseudoimpedancji akustycznej Streszczenie Podziemne zbiorniki są przedmiotem zainteresowania jako potencjalne obszary składowania pod ziemią odpadów lub magazynowania substancji użytecznych. Złoża soli kamiennej stwarzają doskonałe warunki do lokalizacji takich zbiorników. Podczas badań nad użytecznością złóż dla lokalizacji podziemnego zbiornika ich stopień jednorodności wymaga indywidualnego określenia dla każdego, traktowanego perspektywicznie złoża soli. Opór akustyczny tj. iloczyn gęstości ρ i prędkości fali sprężystej v jest jedną z podstawowych cech charakteryzujących własności fizyczne skał. Wszelkie zmiany typu litologiczno-facjalnego wpływają na zmiany jego wartości. Jest to podstawą idei metody inwersji tras sejsmicznych w kierunku obliczania pseudo-oporu akustycznego. Pseudo-opór akustyczny traktowany jest jako splot rzeczywistego oporu akustycznego z sygnałem sejsmicznym. Wykonano obliczenia syntetycznych sekcji pseudo-oporu akustycznego dla modelu wzorowanego na złożach soli kamiennej z rejonu Sieroszowic na Monoklinie Przedsudeckiej. Załączone sekcje ilustrują jak cechy ważne dla lokalizacji podziemnego zbiornika, takie jak niejednorodności w wykształceniu złoża i jego przestrzennym ułożeniu, odzwierciedlają się na sekcjach pseudooporu akustycznego i dostarczają odpowiedzi o możliwościach uzyskiwania informacji o niejednorodnościach budowy pokładu soli na podstawie ich interpretacji. 1. Wstęp Inspiracją do podjęcia prac związanych z analizą możliwości detekcji zmian w budowie wewnętrznej pokładu soli kamiennej jest stale rosnące zainteresowanie budową podziemnych zbiorników. Złoża soli kamiennej doskonale nadają się do tego celu. Posiadają odpowiednie cechy petro-chemiczne. Jednakże, określenie przydatności złoża solnego do składowania w nim zarówno substancji użytecznych jak i odpadów przemysłowych wymaga szczególnych badań. Konieczne jest zatem ustalenie kryteriów jakie powinny być spełnione, aby złoże mogło być traktowane jako potencjalny zbiornik. Jako szczególnie korzystne w aspekcie budowy podziemnych zbiorników wyróżnia się następujące własności złóż soli kamiennej: dużą miąższość, niską przepuszczalność, obojętność chemiczną wobec magazynowanych substancji, jednorodność w dużych partiach złoża. Wymienione cechy soli kamiennej są podstawowymi własnościami wymagającymi określenia podczas badań nad przydatnością złóż solnych do magazynowania w nich substancji. Prezentowana praca koncentruje się na znalezieniu metody umożliwiającej określenie niejednorodności w budowie złoża i jego przestrzennym ułożeniu. Ośrodki geologiczne, w których występują pokładowe złoża soli kamiennej, charakteryzują się wysoką niejednorodnością sejsmogeologiczną. Duże współczynniki odbicia wynikają ze 647
E. KAWALEC-LATAŁA Złoża soli kamiennej z rejonu Sieroszowic na sekcjach... znacznego kontrastu własności sprężystych soli w stosunku do skał otaczających oraz dużych różnic własności sprężystych w obrębie utworów samego cechsztynu. Niejednorodności w sensie geometrycznym, wiążą się ze zmianami miąższości, wyklinowaniami, soczewkami, itp. Zmiany typu geometrycznego związane są zarówno z przebiegiem procesów sedymentacyjnych (zmienna miąższość soli siarczanowych anhydrytów w stosunku do soli chlorkowych soli kamiennych) jak i późniejszymi przeobrażeniami w obrębie złóż soli kamiennej, które prowadzą do powstawania soli wtórnych descendentnych. Sole wtórne charakteryzują się kawernistością, szczelinowatością, wtórną krystalizacją, zmiennym zasileniem. Sole kamienne są przedmiotem zainteresowania jako potencjalne obszary magazynowe (Charysz i in. 1979; Kłeczek i in. 1994). Sekcje pseudo-impedancji akustycznej otrzymuje się metodą inwersji trasy sejsmicznej. Teoretycznym podstawom inwersji trasy sejsmicznej w kierunku obliczania pseudo-oporu akustycznego poświęcona jest bogata literatura. Trudności pojawiają się w momencie jej praktycznego zastosowania (Becquey i in. 1979; Berteusse i in. 1983; Kawalec-Latała i in. 1991, 1995; Oldenburg i in. 1983). Wynika to między innymi z niespełnienia ściśle przez ośrodek geologiczny założeń teoretycznych i ograniczenia zakresu częstotliwości sygnału sejsmicznego. Ilustracją stopnia i sposobu odzwierciedlania się na sekcjach pseudo-oporu akustycznego, niejednorodności w budowie pokładu soli są policzone syntetyczne sekcje. Modelowania te przebiegały w dwóch etapach, analogicznie jak dla złóż soli kamiennej z rejonu Bytomia Odrzańskiego (Kawalec-Latała 2003). Parametry sprężyste typowe dla cechsztynu, dostępne są w literaturze fachowej dotyczącej tego tematu (Grad 1987; Krynicki 1980). Konfiguracja geologiczna modelu inspirowana jest budową geologiczną z rejonu Sieroszowic. 2. Złoże soli kamiennej Sieroszowice Cechsztyńskie sole kamienne Monokliny Przedsudeckiej zostały najlepiej rozpoznane w granicach Legnicko-Głogowskiego Okręgu Miedziowego, na obszarze wyznaczonym następującymi granicami: od południa granicą obecnego zasięgu cechsztyńskiej facji chlorkowej, przebiegającej w odległości 6 7 km od bloku przedsudeckiego (Kłeczek i in. 1994), od północy w przybliżeniu linią o kierunku NW-SE poprowadzoną nieco na północ od Głogowa, na odcinku od południka Ścinawy na wschodzie, poprzez Głogów, po południk Bytomia Odrzańskiego na zachodzie. Na obszarze tym o powierzchni około 170 km 2 (Kijewski i in. 1978) zostały rozpoznane złoża soli kamiennych, a część z nich udokumentowano jako złoża kopaliny towarzyszącej złożom rud miedzi. W roku 1990 udokumentowano złoże soli kamiennej Sieroszowice (Preidl 1990), następnie złoże Bytom Odrzański, a w roku 1994 szereg kolejnych złóż obszaru LGOM. Złoże soli kamiennej Sieroszowice znajduje się w środkowej części omawianego obszaru. Jego południową granicę stanowi wspomniana wyżej granica zasięgu cechsztyńskiej facji chlorkowej, a pozostałe granice wyznaczone są poprzez zasięg obszaru górniczego zakładów górniczych, eksploatujących rudy miedzi. Złoże to, jako jedyne na terenie LGOM zostało częściowo udostępnione i rozpoznane metodami górniczymi. Stąd też, informacje o jego budowie wewnętrznej są bogatsze w porównaniu z pozostałymi złożami, rozpoznanymi przede wszystkim wiertniczymi robotami poszukiwawczymi. Stanowi więc dobrą podstawę do sporządzenia modeli sejsmogeologicznych. 648
WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Złoża soli kamiennej Sieroszowice, podobnie jak pozostałe złoża obszaru LGOM, utworzone są poprzez jeden i ten sam pokład cechsztyńskich soli kamiennych cyklu PZ1. Na uproszczonym profilu litostratygraficznym cechsztynu, dla obszaru występowania złóż solnych w LGOM, wydziela się cztery cyklotemy solne: PZ1, PZ2, PZ3 i PZ4. Cyklotem najstarszy PZ1 jest najpełniej rozwinięty. Charakteryzuje się kompletnym wykształceniem osadów zalegających w normalnym następstwie oraz największym rozprzestrzenieniem poziomym. W jego obrębie wydziela się w rejonie złoża Sieroszowice następujące ogniwa, podane w kolejności wiekowej: dolomit graniczny (dolomit mikrytowy, warstwa nieciągła, miąższość śr.: 0,15 m), łupek miedzionośny (łupki dolomityczno-ilasto-bitumiczne, warstwa nieciągła, miąższość śr.: 0,3 m), wapień podstawowy (skały węglanowe wapienno-dolomityczne, miąższość śr.: 13 m), anhydryt dolny (anhydryty masywne stanowiące bezpośredni spąg złoża, miąższość śr.: 75 m), najstarsza sól kamienna (złoże soli kamiennej jest uformowane w postaci pokładu o generalnej rozciągłości NW-SE i upadzie w kierunku NE pod kątem 3 6 stopni. Miąższość pokładu zmienia się w zakresie od 0 do 186 m), anhydryt górny (anhydryty stanowiące bezpośredni strop złoża, miąższość śr.: 45 m). Pozostałe cyklotemy cechsztynu występują w złożu Sieroszowice w postaci zredukowanej. Tworzą je skały ilaste, węglanowe i siarczanowe. Ich łączna, średnia miąższość równa jest 95 m. Miąższości poszczególnych osadów są zmienne. Łączne średnie miąższości trzech najniższych ogniw cyklotemu PZ1, na znacznej części omawianego obszaru nie przekraczają zazwyczaj kilkunastu metrów. Przy opracowywaniu modeli sejsmogeologicznych traktowane były jako ostatnia granica odbijająca. Na nich spoczywa zespół warstw anhydrytu o miąższociach zmieniających się w granicach od kilkunastu do około 150 m. Stanowią one bezpośredni spąg złóż solnych. Powyżej zalega najstarsza sól kamienna, która występując w formie pokładu tworzy na Monoklinie Przedsudeckiej omawiane złoża soli kamiennej. Złoże soli kamiennej w rejonie Sieroszowic jest uformowane w postaci pokładu o generalnej rozciągłości NW-SE i upadzie w kierunku NE pod kątem 3 6 o oraz o zmiennej miąższości. Spąg i strop pokładu leżą najpłycej przy południowej granicy obszaru, a najgłębiej w części północnej, odpowiednio na głębokościach: 630 m i 625 m oraz 1230 m i 1100 m. Miąższość pokładu zmienia się w zakresie od 0 do 186 m. Pokład wyklinowuje się w kierunku południowym, a jego miąższość wzrasta generalnie w kierunku północnym, chociaż lokalnie istnieją znaczne odstępstwa od tej reguły. Obszar dużej miąższości pokładu, wskazywany jest w literaturze, jako korzystny dla lokalizacji w złożu solnym podziemnych zbiorników na oleje napędowe i opałowe (Kłeczek i in. 1994). W swojej budowie wewnętrznej pokład jest kompleksem kilku typów litologicznych soli kamiennej (sól czysta grubokrystaliczna, sól anhydrytyczna, sól warstwowana anhydrytem). Obserwuje się obecność soli wtórnych. W obrębie pokładu soli, na całym obszarze złoża występują przerosty anhydrytów. Są one liczniejsze w części południowej obszaru, a rzadsze - w części północnej. Ich obecność uwzględniono w modelach teoretycznych, utworzonych dla celu testowania rozdzielczości sekcji pseudo-oporu akustycznego w aspekcie rozpoznawania występowania tych soli w złożu podstawowym. 649
E. KAWALEC-LATAŁA Złoża soli kamiennej z rejonu Sieroszowic na sekcjach... 3. Syntetyczne sekcje pseudooporu akustycznego dla modelu wzorowanym na złożu Sieroszowice Geologiczne warunki zalegania złoża w rejonie Sieroszowic stanowią podstawę do utworzenia modelu złoża soli kamiennej, reprezentującego zarówno cechy typowe dla omawianego obszaru Monokliny Przedsudeckiej, jak i obrazujące charakterystyczną odmienność w wykształceniu i sposobie zalegania w złożu Sieroszowice. Model sejsmogeologiczny upraszcza budowę nadkładu cechsztynu, ponieważ nie ma to zasadniczego znaczenia przy ocenie możliwości odwzorowania budowy wewnętrznej samego cechsztynu. Wiernie natomiast, w stopniu na jaki pozwalają aktualne informacje i jaki potrzebny jest do realizacji założonego celu, odwzorowuje budowę cechsztynu w najbliższym otoczeniu złoża soli kamiennej. Poniżej cechsztynu uwzględniono w modelu tylko jedną warstwę w modelowaniach syntetycznych sekcji pseudooporu akustycznego stanowi ona ostatnią granicę odbijającą. Ograniczenie to nie zmienia jakości odwzorowywania się granic cechsztyńskich. Analiza syntetycznych sekcji pseudo-oporu akustycznego, policzonych dla modelu sejsmogeologicznego z rejonu Monokliny Przedsudeckiej, wzorowanym na złożu Sieroszowice, wskazuje na niską tolerancję ich jakości na słabe parametry sygnału sejsmicznego. Wydaje się. że minimalne wymagania w omawianym rejonie to częstotliwość dominująca 60 Hz, przy krótkim czasie trwania sygnału i niskim poziomie szumu. Przy długim sygnale sekcja będzie mało czytelna. Wszystkie załączone syntetyczne sekcje pseudo-oporu akustycznego, poprzedzone są modelem sejsmogeologicznym stanowiącym podstawę modelowań (rys. 3.1). Rys. 3.1. Uproszczony model wzorowany na złożu z rejonu Sieroszowic Fig. 3.1. Simplified seismogeological model described salt deposit in Sieroszowice region 650
WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Sekcje pseudo-oporu akustycznego przedstawione na rysunku 3.2 i 3.4 modelowano bez szumu, natomiast podczas modelowań sekcji pseudo-impedancji akustycznej przedstawionej na rysunku 3.3 uwzględniono obecność szumu. Rys. 3.2. Syntetyczna sekcja pseudoimpedancji akustycznej uzupełniona o wykresy uproszczonego modelu sejsmogeologicznego ρ v odpowiadającego jednej trasie i przeliczonego na skalę czasową: a) sejsmogramu impulsowego; b) oraz sygnału sejsmicznego; c) (f częstotliwość dominująca sygnału) stosowanego do konstrukcji sejsmogramu syntetycznego Fig. 3.2. Synthetic pseudo-impedance acoustic section with simplified seismological model ρ v for one trace and recalculated for time scale: a) reflection coefficients; b) and seismic signal; c) (f signal frequency) applied to construction of synthetic seismogram Wszystkie sekcje pseudo-oporu akustycznego (rys. 3.2, 3.3, 3.4) uzupełniono o wykresy uproszczonego modelu sejsmogeologicznego ρ v (a) odpowiadającego ostatniej trasie i przeliczonego na skalę czasową, sejsmogramu impulsowego (b), oraz sygnału sejsmicznego (c) stosowanego do konstrukcji sejsmogramu syntetycznego. Wykresy przedstawione są w ujednoliconej skali czasowej, zgodnej ze skalą sekcji pseudo-oporu akustycznego. Fakt przeliczenia skali głębokościowej na skalę czasową, trzeba uwzględnić podczas porównywania danych modelu sejsmogeologicznego z sekcjami pseudo-oporu akustycznego i towarzyszącymi im wykresami, dla których skalą pionową jest skala czasowa. Wizualnie przy takiej zmianie skali, zmianom ulega ocena miąższości. Warstwa wydaje się cieńsza, jeżeli prędkość propagacji fali jest większa, i odwrotnie. Załączone sekcje (rys. 3.2, 3.4) ułożone są w kolejności wzrostu częstotliwości dominującej sygnału. Pozwala to łatwo śledzić zmiany implikowane sygnałem sejsmicznym. W tych przypadkach, gdy na syntetyczne trasy sejsmiczne, poddawane inwersji, nałożono szum, odpowiednia informacja umieszczona jest bezpośrednio przy wykresie. 651
E. KAWALEC-LATAŁA Złoża soli kamiennej z rejonu Sieroszowic na sekcjach... Rys. 3.3. Syntetyczna sekcja pseudoimpedancji akustycznej z szumem uzupełniona o wykresy uproszczonego modelu sejsmogeologicznego ρ v odpowiadającego jednej trasie i przeliczonego na skalę czasową: a) sejsmogramu impulsowego; b) oraz sygnału sejsmicznego; c) (f częstotliwość dominująca sygnału) stosowanego do konstrukcji sejsmogramu syntetycznego Fig. 3.3. Synthetic pseudo-impedance acoustic section with noice with simplified seismological model ρ v for one trace and recalculated for time scale: a) reflection coefficients; b) and seismic signal; c) (f signal frequency) applied to construction of synthetic seismogram Rys. 3.4. Syntetyczna sekcja pseudoimpedancji akustycznej uzupełniona o wykresy uproszczonego modelu sejsmogeologicznego ρ v odpowiadającego jednej trasie i przeliczonego na skalę czasową: a) sejsmogramu impulsowego; b) oraz sygnału sejsmicznego; c) (f częstotliwość dominująca sygnału) stosowanego do konstrukcji sejsmogramu syntetycznego Fig. 3.4. Synthetic pseudo-impedance acoustic section with simplified seismological model ρ v for one trace and recalculated for time scale: a) reflection coefficients; b) and seismic signal; c) (f signal frequency) applied to construction of synthetic seismogram 652
WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Do obliczeń syntetycznych sekcji pseudo-oporu akustycznego wykorzystano pakiet programów stanowiący spójny, interakcyjny system (Kawalec-Latała 1998). Dane wejściowe stanowi sejsmogeologiczny model ośrodka skalnego. 4. Zakończenie Przerosty anhydrytów w pokładach soli kamiennej muszą być rozpoznane przed podjęciem decyzji o lokalizacji podziemnego zbiornika. Metoda inwersji tras sejsmicznych w kierunku obliczania pseudo-oporu akustycznego jest skuteczna w rozpoznawaniu tego typu form. Interpretacja sekcji pseudo-impedancji akustycznej dostarcza ciągłej informacji o budowie pokładu. Problemem pozostaje zawsze rozdzielczość metody dla rozwiązywania tego typu zagadnień. Modelowania syntetycznych sekcji pseudo-oporu akustycznego, wykonane dla danej konfiguracji geologicznej złoża soli z uwzględnieniem wtrąceń anhydrytu dostarczyły pozytywnej odpowiedzi o możliwości detekcji anhydrytu występującego w złożu soli kamiennej. Wykonano modelowania syntetycznych sekcji pseudo-oporu akustycznego, wzorowanych na złożach soli kamiennej z rejonu Sieroszowic na Monoklinie Przedsudeckiej. Prace te dostarczają pozytywnej odpowiedzi o możliwościach uzyskiwania informacji o niejednorodnościach budowy pokładu soli na podstawie interpretacji sekcji pseudo-oporu akustycznego. W szczególności analizowano możliwość detekcji soli siarczanowych anhydrytów. Prezentowane syntetyczne sekcje pseudo-oporu akustycznego dostarczają także, informacji o warunkach jakie muszą być spełnione, aby interpretacja wykonana dla oceny niejednorodności pokładu soli była możliwa i wiarygodna. Dla złóż soli kamiennej z rejonu Monokliny Przedsudeckiej wymagania względem jakości możliwych do interpretacji sekcji pseudo-oporu akustycznego są w pełni realne. Oczywiście jakość interpretacji będzie rosnąć w miarę poprawy jakości materiału sejsmicznego. Możliwość modelowań teoretycznych sekcji pseudo-oporu akustycznego, uwzględniających wszystkie możliwe do przewidzenia dane, dotyczące zarówno ośrodka geologicznego, jak i wiążące się z metodyką prac terenowych, pozwoli oszacować rozdzielczość w aspekcie litologiczno-facjalnym oraz geometrycznym, związanym z przestrzennym ułożeniem warstw. Analiza syntetycznych sekcji pseudo-oporu akustycznego pozwoli na uzyskanie wstępnej informacji o sposobie odzwierciedlania się na rzeczywistych sekcjach spodziewanych w danym rejonie niejednorodności geologicznych. Obliczanie i interpretacja sekcji pseudo-oporu akustycznego pozwala na uzyskiwanie informacji o rozkładzie oporu akustycznego w ośrodku skalnym w sposób ciągły i bez konieczności wykonywania wierceń. Stanowi też wiarygodne uzupełnienie danych pomiędzy otworami wiertniczymi. Literatura [1] Becquey M., Lavergne M., Willm C. 1979: Acoustic impedance logs computed from seismic traces. Geophysics, v. 44, 9. [2] Berteussen K. A., Ursin B. 1983: Approcimate computation of the acoustic impedance from seismic data. Geophysics, v.48, 10. [3] Charysz W., Garlicki A., Ziąbka Z. 1979: Kryteria rozpoznawania i dokumentowania złóż soli dla potrzeb zbiorników podziemnych. Materiały Sympozjum: Zbiorniki podziemne węglowodorów w złożach soli, 26.05.1977., Wyd. Geol., Warszawa. 653
E. KAWALEC-LATAŁA Złoża soli kamiennej z rejonu Sieroszowic na sekcjach... [4] Grad M. 1987: Prędkość fal sejsmicznych w pokrywie osadowej platformy wschodnioeuropejskiej. Kwart. Geol., tom 31. [5] Kawalec-Latała E., Korytowska B. 1991: Inwersja sejsmogramów według algorytmów opartych na ciągłym i dyskretnym modelu sejsmogeologicznym. Zeszyty Naukowe AGH, Geofizyka stosowana, 8. [6] Kawalec-Latała E., Korytowska B. 1995: Czynniki zakłócające trasy pseudoimpedancji akustycznej. Technika Poszukiwań Naftowych, nr 1. [7] Kawalec-Latała E. 1998: Metoda inwersji sekcji sejsmicznych w aspekcie rozpoznawania pokładowych złóż soli. Projekt badawczy Nr 9 T12A 011 09. [8] Kawalec-Latała E. 2003: Rozpoznawanie niejednorodności pokładowych złóż soli w aspekcie budowy podziemnych zbiorników. Warsztaty Górnicze Materiały Sympozjum. [9] Kijewski P., Salski W. 1978: Cechsztyńska sól kamienna cyklotemu PZl w pd.-zach. części Monokliny Przedsudeckiej. Geologia Sudetica, v. XIII. [10] Kłeczek Z., Flisiak D., Radomski A. 1994: Koncepcja zagospodarowania złoża soli Lubińsko- Głogowskiego Okręgu Miedziowego. Prz. Górn., Nr 10. [11] Krynicki T. 1980: Własności sprężyste utworów cechsztyńskich. Kwart. Geol., tom 24, nr 3. [12] Oldenburg D. M., Shauer T., Levy S. 1983: Recovery of the acoustic impedance from reflection seismograms. Geophysics, v.48, 10. [13] Preidl M. 1990: Dokumentacja geologiczna soli kamiennej występującej ponad złożem rud miedzi kopalni Sieroszowice.C1., CAG PIG, Warszawa. Salt deposits on pseudo-impedance acoustic sections in Sieroszowice area Underground reservoirs are very interesting from the point of view of storage waste and hydrocarbons. There are good conditions in salt deposits to build such kind of reservoirs. The inhomogeneities and changes of thickness and lithology of salts deposits before the underground storage location must be predicted. Acoustic impedance is one of the basic factors characterising physical features of rocks. A method of inversion of seismic section aiming at obtaining pseudo-acoustic impedance section gives the possibility to bind very closely the acoustic impedance changes with lithologic and facial changes in subsurface. Pseudo-acoustic impedance is a convolution of real acoustic impedance and seismic wavelet. Modelling of synthetic pseudo-acoustic impedance for salt deposit in Sieroszowice area has been done. These modelled sections show how changes of thickness and lithology can be visible on such transformation. The work gives the positive answer about the possibility of inhomogeneities detection in salt deposits. Przekazano: 25 marca 2004 r. 654