Barbara CZERWIÑSKA Technika Poszukiwañ Geologicznych Ligia BOROWSKA Geotermia, Zrównowa ony Rozwój nr 1 2/2011 Geofizyka Kraków Sp. z o.o. barbara.czerwinska@gk.com.pl; ligia.borowska@gk.com.pl MINIMALIZACJA RYZYKA GEOLOGICZNEGO W WYKRYWALNOŒCI Z Ó GEOTERMALNYCH BADANIAMI SEJSMICZNYMI NA PRZYK ADZIE REJONU KOMPINY STRESZCZENIE W referacie przedstawiono wyniki badañ sejsmicznych wykonanych na zlecenie Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energi¹ PAN w Krakowie w ramach Projektu Integrated Geophysical Exploration Technologies for deep fractured geothermal systems I-GET (6 PR UE Kontrakt nr 518378 SES6). G³ówn¹ przyczyn¹ ci¹gle niewielkiej iloœci zak³adów geotermalnych w Polsce s¹ wysokie koszty inwestycyjne oraz wysokie ryzyko geologiczne przy sytuowaniu otworów geotermalnych. W tej sytuacji niezwykle istotne staje siê rozpoznanie budowy geologicznej, okreœlenie warunków hydrogeologicznych jak równie potencjalnej temperatury wód z³o owych przed lokalizacj¹ wierceñ. Powierzchniowe metody geofizyczne s¹ podstawowym narzêdziem w takich badaniach. Poprawa wykrywalnoœci z³ó geotermalnych metodami geofizycznymi jeszcze przed odwierceniem otworów wiertniczych by³a g³ównym celem wykonanych badañ sejsmicznych. Opracowano i zastosowano nowoczesn¹ metodykê prac sejsmicznych (prac polowych i przetwarzania danych) dla rozpoznawania z³ó geotermalnych o niskiej i œredniej entalpii, wystêpuj¹cych w ska³ach osadowych kredy, jury, triasu i permu. Wykonane badania sejsmiczne o specyficznej metodyce prac polowych (2D-3D), których dane przetworzono w rozwiniêtej sekwencji processingu, umo liwi³y uszczegó³owienie budowy rejonu Kompiny, przede wszystkim w ujêciu strukturalnym. S OWA KLUCZOWE Badania sejsmiczne 2D-3D, odwzorowanie budowy tektonicznej, minimalizacja ryzyka geologicznego * * * Recenzowa³ dr hab. in. Antoni Barbacki Artyku³ wp³yn¹³ do Redakcji 20.05.2011 r., zaakceptowano do druku 06.06.2011 r. 309
WPROWADZENIE W latach 2007 i 2008 na zlecenie Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energi¹ PAN w Krakowie w rejonie Skierniewice-Kompina wykonano komplet badañ geofizycznych, obejmuj¹cy badania sejsmiczne 2D-3D i badania magnetotelluryczne o specjalnie dobranej metodyce prac polowych i przetwarzania danych. Prace te wykonane by³y w ramach Projektu Integrated Geophysical Exploration Technologies for deep fractured geothermal systems I-GET (6 PR UE Kontrakt nr 518378 SES6), który by³ wspó³realizowany przez jedenaœcie oœrodków badawczych z siedmiu krajów europejskich, w tym IGSMiE PAN. Przedmiotem Projektu I-GET by³ m.in. pakiet zadaniowy 3 pn. Geofizyczne prace polowe, przetwarzanie danych (WP3 Geophysical measurements and data processing). Celem badawczym wykonanych zadañ by³o opracowanie i zastosowanie innowacyjnej kompleksowej metodyki badañ systemów i z³ó geotermalnych dla poprawy wykrywalnoœci z³ó geotermalnych jeszcze przed wykonaniem otworów wiertniczych. Celem geologicznym wykonanych badañ geofizycznych by³o rozpoznanie budowy geologiczno-strukturalnej rejonu otworu Kompina-2, w aspekcie szczegó³owego rozpoznania tektoniki i stref potencjalnej migracji p³ynów, a tym samym wskazania kierunku rozwoju stref zaburzonych tektonicznie, spêkanych i przepuszczalnych. Dla zrealizowania tak sformu³owanego celu badañ wykonano: 6 profili sejsmicznych o ³¹cznej d³ugoœci 40,56 km, z zastosowaniem nieeksplozyjnej generacji fal sejsmicznych, 6 profili magnetotellurycznych o ³¹cznej d³ugoœci 36 km (linie profili magnetotellurycznych pokrywa³y siê z liniami profili sejsmicznych). Wyniki badañ magnetotellurycznych oraz kompleksowa interpretacja danych sejsmicznych z danymi magnetotellurycznymi, w powi¹zaniu z danymi z otworu Kompina, s¹ przedmiotem innych referatów. W Polsce obszar wytypowany do eksperymentu obejmowa³ tzw. pole badawcze Skierniewice, w którym zlokalizowany jest otwór Kompina-2. Otworem Kompina-2 stwierdzono z³o e geotermalne, które tworz¹ trzy horyzonty zbiornikowe: kredy dolnej, jury dolnej i triasu dolnego. Dwa pierwsze horyzonty reprezentuj¹ zbiorniki wód termalnych o temperaturze poni ej 100 C, natomiast zbiornik triasowy, zalegaj¹cy poni ej 4000 m, charakteryzuje siê temperatur¹ powy ej 100 C. Stwierdzenie w otworze Kompina-2 na g³êbokoœci 4110 4115 m, w piaskowcowym poziomie pstrego piaskowca œrodkowego samowyp³ywu solanki chlorkowo-wapiennej o oszacowanej temperaturze p³ynu z³o owego oko³o 110 C oraz obecnoœæ zak³adu geotermalnego w Mszczonowie, zainteresowanego wykorzystaniem energii geotermalnej do produkcji energii elektrycznej, stanowi³y g³ówn¹ przes³ankê wyboru tego obszaru, jako pola doœwiadczalnego z wyraÿnym ukierunkowaniem badañ na wysokotemperaturowy zbiornik triasowy. 310
1. CHARAKTERYSTYKA GEOLOGICZNA REJONU BADAÑ Wykonane prace geofizyczne usytuowane by³y w po³udniowo-zachodniej czêœci niecki warszawskiej, w strefie wyznaczonej przez miasta: owicz Nieborów Kocierzew Po³udniowy. Niecka warszawska posiada najbardziej kompletny, w ca³ej niecce brze nej, profil osadów permsko-mezozoicznych, zalegaj¹cych niezgodnie na starszych ska³ach paleozoicznych (rozpoznanych punktowo w s¹siedztwie rejonu badañ). Pod³o e paleozoiku pozostaje poza zasiêgiem rozpoznania wiertniczego. Z danych otworowych (Mszczonów IG-2, Nadarzyn IG-1, Maciejowice IG-1 i Izdebno IG-1) mo na wnosiæ, e pod koniec syluru pod³o e niecki by³o obszarem platformowym. Obszar ten na prze³omie syluru i dewonu by³ sp³ycaj¹cym siê zbiornikiem, który w koñcu dewonu dolnego uleg³ wynurzeniu i podlega³ erozji. Ponownie sedymentacja mia³a tu miejsce dopiero w karbonie górnym. Najlepiej rozpoznanym piêtrem strukturalnym w niecce brze nej w aspekcie tektonicznym jest osadowa pokrywa permsko-mezozoiczna. W tektonice pokrywy permo-mezozoicznej mo emy wyró niæ kilka subkompleksów strukturalnych: dolnopermski, cechsztyñski, pstrego piaskowca, reto-kajprowy, retycki, liasowo-dolnobatoñski, górno-batoñsko-portlandzki i kredowo-paleoceñski. Tektonika kompleksu permsko-mezozoicznego stanowi wypadkow¹ planów tektonicznych permu i triasu powsta³ych w SE obramowaniu obni enia œrodkowopolskiego oraz tektoniki utworów m³odszych, podporz¹dkowanych kierunkom zwi¹zanym z rozwojem bruzdy duñsko-polskiej. Jest to wyra one zró nicowanym zasiêgiem osadów poszczególnych piêter i stopniem zaburzeñ tektonicznych. W m³odszych subkompleksach tektonika jest ubo sza i dominuj¹ tu ruchy pionowe. Ogólnie s³abo zafa³dowane utwory permu i mezozoiku miejscami wykazuj¹ znaczne zaburzenia tektoniczne: fa³dy, fleksury i uskoki, którym przewa nie towarzysz¹ diapiry i inne formy halotektoniczne. Generalnie wyró nia siê tu trzy typy struktur: halotektoniczne, dysjunktywne i fa³dowe. Za³o enia strukturalno-tektoniczne niecki brze nej powsta³y po ruchach orogenezy waryscyjskiej. W triasie, na skutek nacisku p³yty wschodnioeuropejskiej na pofa³dowany obszar Europy zachodniej i po³udniowej, nast¹pi³o wygiêcie pod³o a na przedpolu p³yty. Powsta³a wtedy depresja o ³agodnym SW brzegu, oddzielona od p³yty licznymi dyslokacjami. Depresja szybko zape³nia³a siê osadami, a sta³y nacisk p³yty powodowa³ zwê anie i tym samym sfa³dowanie osadów ogromnej mi¹ szoœci, co doprowadzi³o do powstania antyklinorium œrodkowopolskiego. Wypiêtrzenie antyklinorium by³o jednoczesne ze sta³ym pogr¹ aniem pod³o a depresji i tektonik¹ salinarn¹. Nasilenie subsydencji przypad³o na trzy okresy póÿny perm, póÿna jura i szczególnie intensywne m³odsza kreda. Niecka brze na powsta³a jako basen sedymentacyjny miêdzy Górami Œwiêtokrzyskimi a p³yt¹. Podczas ruchów laramijskich ostatecznie wydÿwigniêty i sfa³dowany zosta³ obszar ca³ego przedpola p³yty rosyjskiej z wyj¹tkiem niecki brze nej, w której powsta³ krótkotrwa³y (mastrycht, dan i paleocen) zbiornik sedymentacyjny, którego osady czêœciowo wkracza³y na p³ytê. Z koñcem mezozoiku ruchy tektoniczne fazy laramijskiej spowodowa³y ca³kowite odizolowanie niecki brze nej od 311
innych jednostek mezozoicznych. Po fazach subsydencji basen œrodkowopolski objê³y ruchy fazy laramijskiej. By³ to okres kompresji o kierunku NE-SW, która spowodowa³a, e uskoki normalne powsta³e w czasie tensji uleg³y przebudowie i na ich miejscu utworzy³y siê liczne uskoki odwrócone o kierunku NW-SE, a nad nimi, w pokrywie osadowej, powsta³y antykliny lub brachyantykliny. Poza tym powsta³y uskoki przesuwcze, o kierunku zbli onym do W-E, manifestuj¹ce siê w pokrywie osadowej w postaci kulisowo rozmieszczonych antyklin. 2. PRACE POLOWE Zgodnie z projektem wykonano 8 profili sejsmicznych krzy uj¹cych siê w siatce o boku 1 km, przy czym wzbudzanie mia³o odbywaæ siê wzd³u 6 profili, a rejestracja jednoczeœnie na 8 profilach; 4 linie odbioru krzy owa³y siê na otworze Kompina-2. ¹czna d³ugoœæ wykonanych linii odbioru wynosi³a 54,08 km, a linii wzbudzania 29,52 km (po 42 punkty wzbudzania na profil, razem 252 punkty wzbudzania). Przyjêta metodyka pozwala na dwutorowe opracowanie uzyskanych wyników: 6 krzy uj¹cych siê profili sejsmicznych 2D oraz linii binów le ¹cych w po³owie odleg³oœci pomiêdzy profilami, jako danych 3D uzyskanych w centralnym obszarze zdjêcia (rys. 1). Rys. 1. Rozk³ad pozycji punktów wzbudzenia i odbioru Fig. 1. Distribution of source and receiver points 312
3. PRZETWARZANIE DANYCH SEJSMICZNYCH Przetwarzanie tego zdjêcia sejsmicznego wymaga³o wiêkszej uwagi i starañ w porównaniu do processingu klasycznego zdjêcia realizowanego w technologii 3D. Wynika to z nierównomiernej dystrybucji offsetów krotnoœci profilowania wewn¹trz binów. Niemniej jednak koñcowa sekcja migracji charakteryzuje siê dobr¹ jakoœci¹ (uzyskano znaczn¹ poprawê jakoœci danych w stosunku do zdjêcia 2D reprocessowanego w 2006 roku), niewiele ustêpuj¹c¹ wynikom przetwarzania standardowego zdjêcia 3D. Uwzglêdniaj¹c mniejsze koszty akwizycji danych (w porównaniu do 3D), mo na powiedzieæ, e jest to rozs¹dne podejœcie dla badania niewielkich celów geologicznych, które dotychczas zosta³y rozpoznane jedynie profilami 2D. Jakoœæ uzyskanych danych 3D jest dobra w centralnej czêœci zdjêcia w obszarze o jednorodnej krotnoœci profilowania. Na pozosta³ym obszarze ulega pogorszeniu, co jest zwi¹zane ze znacznym spadkiem krotnoœci profilowania. Dobra dynamika zapisu i ci¹g³oœæ œledzenia refleksów pochodz¹cych od utworów kredy, jury, triasu œrodkowego i dolnego umo liwia dobre odwzorowanie budowy geologicznej tej czêœci obszaru badañ. Granice sejsmiczne z utworów triasu górnego charakteryzuj¹ siê nieco s³absz¹ jakoœci¹, ale pozwalaj¹ na doœæ pewn¹ ich interpretacjê i korelacjê. 4. WYNIKI PRAC INTERPRETACYJNYCH Prace interpretacyjne wykonano na stacjach roboczych W2100Z i SUN ULTRA 20 w zintegrowanym systemie OpenWorks firmy Halliburton Digital & Consulting Solutions Landmark, wykorzystuj¹c aplikacje najnowszego (wówczas) oprogramowania (wersja R 2003.12). Dla zrealizowania postawionego celu geologicznego skorelowano osiem granic sejsmicznych, które dowi¹zano do granic stratygraficznych, opieraj¹c siê na danych geologicznych oraz pomiarach Vœr i PA wykonanych w otworze Kompina-2. By³y to nastêpuj¹ce granice (rys. 2): K1_str strop kredy dolnej, Jo_str strop oksfordu, J2a granica sejsmiczna zwi¹zana ze stropem aalenu dolnego, TRe granica sejsmiczna od utworów retyku, Tk granica sejsmiczna od utworów kajpru, T2 granica sejsmiczna od utworów triasu œrodkowego, Tp3_str strop pstrego piaskowca górnego (granica sejsmiczna rejestrowana na kontakcie wysokoprêdkoœciowych utworów wapienia muszlowego T2 i utworów i³owcowo- -mu³owcowo-piaskowcowych kompleksu Tp3), Tp2 granica sejsmiczna od utworów pstrego piaskowca œrodkowego (dowi¹zana do poziomu wystêpuj¹cego na g³êbokoœci 4142 m do 4145 m, jako piaskowce bardzo twarde, zbite). 313
Rys. 2. Czasowy przekrój sejsmiczny L191 w wersji migracji Fig. 2. Seismic time section L191 in migration version W wyniku wykonanej interpretacji i transformacji czasowo-g³êbokoœciowej wolumenu sejsmicznego i korelowanych granic sejsmicznych, otrzymano mapy strukturalne czasowe i g³êbokoœciowe powierzchni granic: K1_str, Jo_str, J2a, TRe, Tk, T2, Tp3_str, Tp2. Mapy te wraz z przekrojami sejsmicznymi (równie w wersji czasowej i g³êbokoœciowej) przedstawiaj¹ przestrzennie budowê geologiczno strukturaln¹ obszaru badañ. Dokumentuj¹ one w budowie geologicznej tego niewielkiego obszaru trzy wyraÿnie zaznaczaj¹ce siê piêtra strukturalne, charakteryzuj¹ce siê zró nicowanym charakterem zapisu sejsmicznego: karboñsko-dolnopermskie o doœæ mocnym zapisie, nieco zburzonym, cechsztyñsko-triasowo-liasowe o dobrej jakoœci zapisie wskazuj¹cym znaczn¹ mobilnoœæ dna morskiego, skutkuj¹c¹ mi¹ szymi osadami triasu i bardzo zaanga owan¹ tektonik¹, czêœciowo bêd¹c¹ efektem halokinezy, doggersko-malmo-kredowe o jednoznacznej i wyraÿnej dynamice zapisu sejsmicznego, wskazuj¹cej na spokojn¹ tektonikê i doœæ intensywn¹ subsydencjê w okresie kredy. Uzyskane materia³y potwierdzaj¹, e obszar ten nale y do rejonów o skomplikowanej budowie geologiczno-strukturalnej spowodowanej zarówno ruchami poszczególnych bloków, jak i intensywn¹ tektonik¹ soln¹ (rys. 3 4). Powierzchnie korelowanych granic sejsmicznych w poszczególnych piêtrach maj¹ zgodne plany strukturalne, przy czym w utworach cechsztyñsko-triasowych generalnie zapadaj¹ ku SW, a w utworach malmo-kredowych ku NE. 314
Rys. 3. Granica sejsmiczna J2a (strop aalenu dolnego) przedstawiona w uk³adzie przestrzennym (wersja g³êbokoœciowa) Fig. 3. Seismic horizon J2a (top of the lower Aalenian) in spatial system (depth version) Rys. 4. Granica sejsmicznatp2 (granica z utworów pstrego piaskowca œrodkowego) przedstawiona w uk³adzie przestrzennym (wersja g³êbokoœciowa) Fig. 4. Seismic horizon Tp2 (middle Bunter Sandstone formation) in spatial system (depth version) 315
W budowie geologicznej rejonu Kompiny szczególnie wa n¹ rolê odgrywa tektonika. W obrazie strukturalnym piêtra cechsztyñsko-triasowo-liasowego zdecydowanie zaznaczaj¹ siê dwie strefy, rozdzielone uskokiem normalnym o kierunku zbli onym do po³udnikowego: zachodnia z nieck¹ o amplitudzie g³êbokoœci od oko³o 50 m do ponad 500 m, wschodnia z bardziej urozmaicon¹ morfologi¹, podkreœlon¹ normalnymi dyslokacjami o kierunku przebiegu generalnie NW-SE. Zarejestrowano tu obni enia (nie rejestrowane w obszarze zdjêcia) ograniczone od SW g³ównym uskokiem. Na mapie powierzchni granicy J2a widoczny jest jeszcze wp³yw tektoniki starokimeryjskiej, ale jej uk³ad strukturalny ju wykazuje zwi¹zek z m³odszym piêtrem malmo- -kredowym, gdzie niecka znacznie wyp³yca siê. Osady œrodkowej i górnej jury zabliÿniaj¹ stare uskoki i spokojnie zapadaj¹ ku NE. Najbardziej interesuj¹cymi w aspekcie poszukiwania obszarów Ÿróde³ energii geotermalnej wydaj¹ siê byæ strefy synklinalne w s¹siedztwie uskoków, gdzie zarówno istnieje du e prawdopodobieñstwo zeszczelinowania utworów i tym samym poprawienia w³asnoœci kolektorskich osadów, jak i mo liwoœæ komunikacji z g³êbszymi partiami oœrodka skalnego i kontaktu ze Ÿród³em egzogenicznego ciep³a. Dla okreœlenia mo liwoœci z³o owych tych stref przeprowadzono analizê litofacjaln¹ z wykorzystaniem atrybutów trasy sygna³u sejsmicznego i impedancji akustycznej. Rejestrowane ma³e wartoœci amplitud w rejonie otworu Kompina-2 oraz w bezpoœrednim s¹siedztwie dyslokacji (liczone dla granic: J2a i Tp2 w interwa³ach czasowych: J2a -20 ms, J2a +20 ms; Tp2-30 ms, Tp2 +10 ms) mog¹ byæ wi¹zane ze zwiêkszon¹ szczelinowatoœci¹ oœrodka skalnego. Strefê tê, w ogólnym ujêciu na NE od otworu Kompina-2, potwierdza tak e anomalny zapis impedancji akustycznej. Wnikliwa analiza zapisu sejsmicznego, przetwarzanie i interpretacja wykonana metod¹ inwersji sejsmicznej, pozwoli³a na przedstawienie zmian litofacjalnych na za³¹czonych mapach atrybutów. Uzyskano wiele nowych informacji, co pozwoli³o na szczegó³owe rozpoznanie budowy geologicznej obszaru, niezwykle istotnej w aspekcie poszukiwañ z³ó geotermalnych. Metoda inwersji sejsmicznej ma na celu otrzymanie ze standardowych tras sejsmicznych trasy impedancji akustycznej. Otrzymany parametr lepiej przybli a model sejsmoakustyczny oœrodka geologicznego, a zmiennoœæ jego mo e byæ przydatna do analiz litologiczno-facjalnych. Wykonano mapy dla trzech poziomów zbiornikowych charakteryzuj¹cych siê zdolnoœci¹ gromadzenia wody. Dwa horyzonty w utworach piaskowcowych: triasu Tp2 (pstry piaskowiec œrodkowy) oraz dolnej partii jury œrodkowej (aalen) i jeden w utworach wêglanowych wapienia oksfordu (jura górna). Interpretacja tras sejsmicznych w wersji impedancji akustycznej pozwala na uszczegó³owienie interpretacji strukturalno-tektonicznej, a mapy zmian impedancji akustycznej odwzorowuj¹ zmiany litologiczno-facjalne dla wydzielonych facji sejsmicznych poprzez zastosowan¹ tu zmiennoœæ kolorów. 316
WNIOSKI W wyniku interpretacji danych sejsmicznych 2D/3D, w nawi¹zaniu do danych z g³êbokiego otworu Kompina-2, przedstawiono uszczegó³owiony model budowy geologiczno- -strukturalnej i tektoniki obszaru badawczego Skierniewice. Wydaje siê, e metoda badañ sejsmicznych, sprawdzona w poszukiwaniach wêglowodorów, jest bardzo dobrym narzêdziem ograniczaj¹cym ryzyko poszukiwawcze, tak e w przypadku geotermii. LITERATURA BOROWSKA L., 2006 Opracowanie badañ sejsmicznych z tematu Skierniewice owicz, rejon: Kompina. Archiwum IGSMiE PAN, Kraków. BOROWSKA L., 2008 Opracowanie badañ sejsmicznych z tematu Skierniewice owicz, rejon: Kompina. Archiwum IGSMiE PAN, Kraków. BUJAKOWSKI W. i zespó³, 2007 Projekt Prac Geofizycznych Skierniewice owicz, rejon Kompina. Archiwum IGSMiE PAN, Kraków. CIANCIARA K., 1975 Opracowanie badañ sejsmicznych z rejonu Skierniewice Sochaczew. Archiwum Geofizyki Kraków. CIANCIARA K., PIECH K., 1976 1977 Opracowanie badañ sejsmicznych z rej. Brzeziny owicz Skierniewice. Archiwum Geofizyki, Kraków. Dane otworowe z dokumentacji wynikowych oraz z banku danych PITAKA. LISZKOWSKI J., TOPULOS T., 1996 Kajper czy pstry piaskowiec? Problemy litostratygrafii triasu kujawskiego odcinka wa³u œrodkowopolskiego. Przeg. Geol. Nr 8. STUPNICKA E., 1977 Geologia regionalna Polski. Wyd. UW, Warszawa. MINIMIZATION OF GEOLOGICAL RISK OCCURRENCE IN GEOTHERMAL DESPOSITS DETECTION BY SEISMIC SURVEYS VIEWED ON THE EXAMPLE OF KOMPINA REGION ABSTRACT The paper presents the results of seismic surveys performed upon the order of Mineral and Energy Economy Research Institute of Polish Academy of Sciences in Cracow within the scope of Integrated Geophysical Exploration Technologies for deep fractured geothermal systems I-GET Project (6 PR UE Contract No. 518378 SES6). The main reasons of still rather small number of geothermal divisions in Poland are high investment costs and considerable geological risk at locating geothermal wells. In these circumstances it is essential to make geological structure surveying, and to determine hydrogeological conditions, as well as potential temperature of formation water, yet before drilling location. Surface geophysical methods are rudimental tools in such surveying. 317
The improvement in detecting geothermal deposits by geophysical methods applied still before wells drilling was the main aim of the seismic surveys performed. Modern seismic survey methodology (field works and seismic data processing) was duly developed and applied in order to determine geothermal deposits of low and intermediate enthalpy occurring in sedimentary rocks of the Cretaceous, Jurassic, Triassic and Permian structures. Performed seismic surveys of specific methodology of field works (2D-3D) with their seismic data processed in expanded processing flow, enabled detailing the structure of Kompina region, mainly in its structural image.