Ewa KAWALEC-LATAŁA Petrologiczne zmiany w pokładach soli

Ewa KAWALEC-LATAŁA Petrologiczne zmiany w pokładach soli

WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
Materiały Warsztatów str. 247–253
Ewa KAWALEC-LATAŁA
Akademia Górniczo-Hutnicza,Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, Zakład Geofizyki, Kraków
Petrologiczne zmiany w pokładach soli kamiennej odwzorowane
na syntetycznych sekcjach w rejonie planowanej budowy zbiornika
w NW części LGOM
Streszczenie
Rejon NW części LGOM uznawany jest jako perspektywiczny dla budowy podziemnego
magazynu zlokalizowanego w złożu soli kamiennej. Złoża soli kamiennej ze względu na swoje
cechy petrochemiczne doskonale nadają się do tego celu. Określenie przydatności złoża solnego do składowania w nim substancji użytecznych oraz odpadów przemysłowych wymaga
szczególnych badań. Poszerzenie więc badań o metody sejsmiczne, w szczególności o interpretację sekcji pseudoimpedancji akustycznej jest w pełni uzasadnione.
Przedstawione modelowania stanowią test na użyteczność metody inwersji sekcji sejsmicznych w kierunku obliczania sekcji pseudoimpedancji akustycznej dla rozpoznawania zmian
petrologicznych w rejonie Środkowego Nadodrza.
1. Wstęp
W rejonie pomiędzy Głogowem a Bytomiem Odrzańskim (NW część LGOM) wyznaczono
dwa obszary złożowe o łącznej powierzchni 14 km2, gdzie szacunkowe zasoby geologiczne
wynoszą kilkanaście mln ton soli. Skłoniło to do podjęcia prac mających na celu uruchomienie
eksploatacji soli kamiennej metodą ługowania otworami z powierzchni terenu oraz wykorzystania powstałych kawern jako sezonowych magazynów gazu ziemnego na potrzeby lokalne.
Pierwszy obszar potencjalnej lokalizacji kawernowego magazynu położony jest w NW
części LGOM w udokumentowanym obszarze złoża rud miedzi „Bytom Odrzański”, gdzie
spąg cechsztynu położony jest na głębokości od ok. 1480 m ppm (otwór wiertniczy S-456) do
ok. –1627 m ppm (otwór wiertniczy S-475) – kierunek upadu na NE. Powyżej zalega do 10 m
wapienia podstawowego. Natomiast nad serią węglanową Ca1 występuje anhydryt dolny (A1d)
o miąższości 15 m (otwór wiertniczy S-456) i 58,4 m (otwór wiertniczy S-475), przypuszczalnie zwiększonej tektonicznie.
Niewystarczające rozpoznanie strukturalne górotworu powinno być uszczegółowione przez
nowe otwory powierzchniowe i profilowania sejsmiczne
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.
247
E. KAWALEC-LATAŁA – Petrologiczne zmiany w pokładach soli kamiennej odwzorowane …
Odpowiednie własności fizyczne pozwalają na ługowanie dużych i statecznych zbiorników bez
dodatkowych zabiegów wzmacniających Prezentowana praca koncentruje się na znalezieniu
metody umożliwiającej określenie niejednorodności w budowie złoża ze szczególnym
uwzględnieniem soli wtórnie przeobrażonych.
Według przyjętych standardów, miąższość soli kamiennej, która uzasadnia budowę
podziemnego zbiornika powinna wynosić co najmniej 150 metrów. W tym aspekcie pokład
w NW LGON spełnia warunki. Jednakże, problemem pozostaje jakość soli i to zarówno
z punktu widzenia konstrukcji zbiornika, jego wytrzymałości i możliwości pozyskiwania soli
metodą ługowania z powierzchni. Zmiany petrologiczne polegające na wtórnych przeobrażeniach powinny być szczegółowo rozpoznane. W omawianym rejonie, w otworach S-456
i S-457 nawiercono znaczne nagromadzenie soli wtórnych. Analiza wykształcenia petrograficznego soli w omawianym rejonie wykazuje występowanie w otworze wiertniczym S-475
partii ok. 110 m epigenetycznych wielkokrystalicznych soli, natomiast w otworze wiertniczym
S-456 stwierdzono przewagę zdeformowanej soli bezbarwnej, różnokrystalicznej, miejscami
szarej o „rozmytej” laminacji (Markiewicz, Banaszak 2005).
Ługowanie kawern i późniejsze ich wykorzystanie magazynowe powinno być wykonywane
jedynie w partiach złoża soli o jednorodnej wewnętrznej strukturze i poziomym lub prawie
poziomym warstwowaniu. Występujące nieregularnie strefy z brekcjami anhydrytowymi oraz
partiami soli porowatych i kawernistych wypełnionych m.in. solami wielkokrystalicznymi
w poważnym stopniu mogą ograniczyć szansę powodzenia tego wariantu zagospodarowania
soli (Markiewicz 2003, 2006, 2007). Powinno wykonać się dodatkowe, bardziej szczegółowe
rozpoznanie geologiczne NW części LGOM w rejonach potencjalnej lokalizacji kawern.
Poszerzenie badań o metody sejsmiczne, w szczególności o interpretację sekcji pseudoimpedancji akustycznej wspomoże odwzorować budowę geologiczną.
Niestosowaną do tej pory metodą rozpoznawania złóż soli dla określenia lokalizacji podziemnych zbiorników jest interpretacja sekcji pseudoimpedancji akustycznej (Kawalec-Latała,
1991, 1998, 2003, 2006). Sekcje te otrzymuje się w wyniku inwersji sekcji sejsmicznych. Informacja, jaka zawarta jest w sekcjach pseudoimpedancji akustycznej najogólniej odpowiada
informacji zawartej w profilowaniu akustycznym otworów wiertniczych, po filtracji do zakresu
częstotliwości sejsmicznych. Metoda interpretacji sekcji pseudoimpedancji akustycznych
powszechnie stosowana jest w rozpoznawaniu złóż węglowodorów ze względu na dużą czułość oporu akustycznego na zmiany litologiczno-facjalne. Zmiany facji i litologii typowe dla
cechsztyńskich złóż soli kamiennej w pełni uzasadniają zastosowanie tej metody do rozpoznawania wewnętrznej budowy pokładowych złóż soli.
Modelowania prezentowane w niniejszej pracy są rodzajem testu na efektywność odwzorowywania się zmian petrologicznych na sekcjach pseudoimpedancji akustycznej.
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.
Zmiany związane z występowaniem anhydrytów, niezwykle ważne w kontekście budowy
zbiornika, wyraźnie odzwierciedlają się na sekcjach pseudoimpedancji akustycznej. Modele
sejsmogeologiczne, uwzględniające anhydryty towarzyszące pokładowi soli kamiennej
(Kawalec-Latała, Markiewicz 2007), rozbudowane są o obecność soli wtórnych.
248
WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
2. Modelowania syntetycznych sekcji
Dotychczasowe rozpoznanie budowy geologicznej w przedstawionym rejonie stało się
podstawą konstrukcji modeli sejsmogeologicznych w celu modelowań syntetycznych sekcji
pseudoimpedancji akustycznej. Do obliczeń syntetycznych sekcji pseudooporu akustycznego
wykorzystano system informatyczny o roboczej nazwie INWERS opracowywany w ramach
projektu badawczego nr 4 T12B 040 27 pt. „Informatyczny system modelowania sekcji pseudo-impedancji akustycznej w celu optymalizacji interpretacji w rejonach perspektywicznych dla
lokalizacji podziemnych zbiorników”, kierowanego przez autorkę w latach 2004–2007.
System INWERS służy do modelowania syntetycznych sekcji pseudooporu akustycznego.
Składa się z dwóch zasadniczych części: części modelującej trasy syntetyczne oraz z części
przeznaczonej do graficznego przedstawienia wyników modelowania.
Część pierwsza systemu modelowań oparta jest na rekurencyjnej metodzie inwersji
sejsmicznej (Kawalec-Latała 2006). Modele utworzono tak, aby ocenić efektywność interpretacji w przedstawionym rejonie.
Model sejsmogeologiczny utworzono poprzez interpolację danych z dwóch otworów wiertniczych S-456, S-475. Założono hipotetyczne zmiany miąższości soli wtórnych, polegające na
ich wyklinowywaniu się w środkowej części profilu.
Prędkości propagacji fal sejsmicznych ustalono w oparciu o wyniki profilowań geofizycznych w otworach kontrolno-pomiarowych w rejonie projektowanego szybu SW-4 (Zwierzchowski i in. 2005).
Graficzna prezentacja modelu przedstawiona jest na rysunku 2.1.
Sejsmogeologiczny model.
Anhydryty
Sól kamienna
Sole wtórne
Rys. 2.1. Model budowy sejsmogeologicznej ośrodka
Fig. 2.1. Seismogeological model
249
E. KAWALEC-LATAŁA – Petrologiczne zmiany w pokładach soli kamiennej odwzorowane …
Syntetyczna sekcja pseudoimpedancji akustycznej generowana dla sygnału o częstotliwości
dominującej 60 Hz przedstawiona jest na rys. 2.2.
Rys. 2.2. Sejsmiczna sekcja syntetyczna generowana dla częstotliwości sygnału 60 Hz
Fig. 2.2. Seismic synthetic section calculated for signal frequency 60 Hz
Odpowiedni obraz budowy pokładu soli Na1 na syntetycznej sekcji pseudoimpedancji akustycznej przedstawiony jest na rys. 2.3.
Sól kamienna
Sole wtórne
Rys. 2.3. Syntetyczna sekcja pseudoimpedancji akustycznej – uzupełniona o wykresy uproszczonego
modelu sejsmogeologicznego v odpowiadającego ostatniej trasie i przeliczonego na skalę czasową – a,
sejsmogramu impulsowego – b oraz sygnału sejsmicznego – c (f – częstotliwość dominująca sygnału
60 Hz) stosowanego do konstrukcji sejsmogramu syntetycznego
Fig. 2.3. Synthetic pseudo-impedance acoustic section with reflection coefficients, simplified
seismological model v for one trace and recalculated for time scale and seismic signal
(f – signal frequency 60 Hz) applied to construction of synthetic seismogram
250
WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
Syntetyczna sekcja pseudoimpedancji akustycznej generowana dla sygnału o częstotliwości
dominującej 80 Hz przedstawiona jest na rys. 2.4.
Rys. 2.4. Sejsmiczna sekcja syntetyczna generowana dla częstotliwości sygnału 80 Hz
Fig. 2.4. Seismic synthetic section calculated for signal frequency 80 Hz
Odpowiedni obraz budowy pokładu soli Na1 na syntetycznej sekcji pseudoimpedancji akustycznej przedstawiony jest na rys. 2.5.
Sól kamienna
Sole wtórne
Rys. 2.5. Syntetyczna sekcja pseudoimpedancji akustycznej – uzupełniona o wykresy uproszczonego
modelu sejsmogeologicznego v odpowiadającego ostatniej trasie i przeliczonego na skalę czasową – a,
sejsmogramu impulsowego – b oraz sygnału sejsmicznego – c (f – częstotliwość dominująca sygnału
80 Hz) stosowanego do konstrukcji sejsmogramu syntetycznego
Fig. 2.5. Synthetic pseudo-impedance acoustic section with reflection coefficients, simplified
seismological model v for one trace and recalculated for time scale and seismic signal
(f – signal frequency 80 Hz) applied to construction of synthetic seismogram
251
E. KAWALEC-LATAŁA – Petrologiczne zmiany w pokładach soli kamiennej odwzorowane …
Parametry sygnału stosowane do modelowań syntetycznych sekcji narzucają dość wysokie
wymagania dotyczące metodyki prac terenowych. Wyraźnie widać, że na syntetycznej sekcji
pseudoimpedancji akustycznej modelowanej dla częstotliwości dominującej sygnału 80 Hz,
(rys. 2.5) zaznacza się wzrost prędkości w obszarze soli wtórnych. Zmiana ta jest niewidoczna,
jeżeli częstotliwość sygnału wynosi 60 Hz (rys. 2.3).
3. Podsumowanie
W NW części LGOM w rejonach potencjalnej lokalizacji magazynów kawernowych
wskazane jest wykonanie dodatkowych prac badawczych. To szczegółowe rozpoznanie
powinno opierać się na wykonaniu zagęszczających, powierzchniowych otworów wiertniczych
oraz profilowań sejsmicznych 3D (Lipień i in. 2005).Wykonane modelowania syntetycznych
sekcji pseudoimpedancji akustycznej sugerują, że sejsmiczne dane uzyskane metoda
powierzchniowych pomiarów przetransponowanych na pseudoimpedancję akustyczną pozwolą
na odwzorowanie budowy geologicznej przedmiotowego obszaru.
Istotne jest, że sejsmiczne dane uzyskane metodą powierzchniowych pomiarów pozwalają
na ciągłe śledzenie ośrodków skalnych. W oparciu o dane pochodzące z otworów wiertniczych
zjawiska tektoniczne prowadzące do lokalnych zmian w miąższości na przykład wyklinowania
mogą być błędnie zinterpretowane. Dane geologiczne uzyskane na podstawie badań wykonywanych w otworach wiertniczych to dane przestrzenne nieregularne, dyskretne. Wynik otrzymywany metodą interpolacji zależy od lokalizacji otworów wiertniczych.
Możliwość uzyskania ciągłej informacji o budowie ośrodka skalnego, jakiej dostarczają
sejsmiczne dane uzyskane metodą powierzchniowych pomiarów ma ogromne znaczenie
w kontekście budowy podziemnych zbiorników. Dodatkowym atutem są relatywnie niskie
koszty sejsmicznych badań powierzchniowych i ich mała szkodliwość w sensie ekologicznym.
Prowadzenie tego rodzaju badań zawsze, jeśli jest to możliwe, jest w pełni uzasadnione.
Petrologiczne zmiany typowe dla cechsztyńskich złóż soli kamiennej odwzorowują się na
syntetycznej sekcji pseudoimpedancji akustycznej. Stanowi to uzasadnienie zastosowania tej
metody do rozpoznawania wewnętrznej budowy pokładowych złóż soli.
Autorka pragnie podziękować dr. inż. Andrzejowi Markiewiczowi z KGHM CUPRUM sp. z.o.o.
CBR, Wrocław, za konsultację geologiczną dotyczącą budowy badanego regionu.
Zrealizowano w ramach projektu badawczego nr 4 T12B 040 27 (nr um. AGH 18.25.140.210).
Literatura
[1] Becquey M., Lavergne M., Willm C. 1979: Acoustic impedance logs computed from seismic
traces. Geophysics, vol. 44, no. 9.
[2] Berteussen K. A., Ursin B. 1983: Approximate computation of the acoustic impedance from
seismic data. Geophysics, vol. 48, no. 10.
[3] Kawalec-Latała E., Korytowska B. 1991: Inwersja sejsmogramów według algorytmów opartych
na ciągłym i dyskretnym modelu sejsmogeologicznym. Zeszyty Naukowe AGH, Geofizyka Stosowana 8. ##–##.
[4] Kawalec-Latała E. 1998: Metoda inwersji sekcji sejsmicznych w aspekcie rozpoznawania pokładowych złóż soli, projekt badawczy nr 9 T12A 011 09.
[5] Kawalec-Latała E. 2003: Rozpoznawanie niejednorodności pokładowych złóż soli w aspekcie
budowy podziemnych zbiorników. [W:] Materiały Sympozjum Warsztaty Górnicze z cyklu
252
WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
,,Zagrożenia naturalne w górnictwie”, Szklarska Poręba, 26–28 maja 2003, red. nauk. E. Pilecka,
Wyd. IGSMiE PAN, Kraków. ##–##.
Kawalec-Latała E. 2006: Wykrywanie zmian litologicznych w pokładach soli metodami sejsmiki
powierzchniowej. [W:] Geotechnika i budownictwo specjalne, Materiały XXIX Zimowej Szkoły
Mechaniki Górotworu i Geoinżynierii, Wyd. KGBiG AGH, Kraków, 189–194.
Kawalec-Latała E., Markiewicz A. 2007: Zastosowanie syntetycznych sekcji pseudoimpedancji
akustycznej do odwzorowania geologii w rejonie potencjalnej budowy kawernowego magazynu
węglowodorów w soli Na1 NW części LGOM. [W:] Geotechnika i budownictwo specjalne,
Materiały XXX Zimowej Szkoły Mechaniki Górotworu i Geoinżynierii, Wyd. KGBiG AGH, Kraków, 315–324.
Lipień G., Markiewicz A. i Wirth H. 2005: Forma zagospodarowania złoża najstarszej soli
kamiennej (Na1) w N części LGOM (obszary rezerwowe), Górnictwo Odkrywkowe XLVII, nr 2,
22–25.
Markiewicz A. 2003: Tektonika cechsztyńskiej soli kamiennej w LGOM i jej znaczenie dla działalności gospodarczej, AGH, Kraków, ss. 144, (praca doktorska).
Markiewicz A., Banaszak A. 2005: Dotychczasowe rozpoznanie budowy geologicznej złoża najstarszej soli kamiennej „Kazimierzów” (obszar górniczy Sieroszowice). Górnictwo Odkrywkowe
XLVII, nr 2, 15–21.
Markiewicz A. 2006: Naskórkowa struktura południowej części monokliny przedsudeckiej a zagospodarowanie soli Na1. [W:] Materiały XI Międzynarodowego Sympozjum Solnego „Quo
Vadis Sal”, Szklarska Poręba, 9–10 listopada 2006 r., Polskie Stowarzyszenie Górnictwa Solnego,
Kraków, 55–58.
Markiewicz A. 2007: Naskórkowa struktura południowej części monokliny przedsudeckiej a zagospodarowanie utworów najstarszej soli kamiennej (Na1). Gosp. Sur. Min. 23, z. spec., 35–49.
Oldenburg D. M., Shauer T., Levy S. 1983: Recovery of the acoustic impedance from reflection
seismograms. Geophysics, vol. 48, no. 10.
Zwierzchowski W., Mikołajewicz I., Drop K. 2005: Opracowanie badań geofizycznych w otworze
S-373A, Geofizyka Kraków, Baza Geofizyki Wiertniczej, Zielona Góra. ####.
Petrologic variations in salts deposit in the region of perspective
construction of storage in NW LGOM revealed in seismic synthetic
sections
NW LGOM area is perspective for construction of underground storage in salts deposit.
Petro-chemical properties of salts give favorable conditions for construction of such reservoirs.
Careful investigations of inhomogeneities within the salt deposit should be done before the
underground reservoir of hydrocarbons or industrial waste location is fixed. Application of
seismic methods, especially interpretation of pseudo-impedance acoustic sections is very
useful. Presented here modeling synthetic pseudo-impedance acoustic sections are the
verification of effectiveness of seismic inversion method for recognition of petrologic
variations in Środkowe Nadodrze region.
Przekazano: 31 marca 2007 r.
253