To, co mamy pod stopami – litosfera – jest szczególnie cenna w różnorodnych aspektach utylitarnych, jak pozyskiwanie surowców mineralnych, wykorzystanie ciepła Ziemi, czy też lokowanie w strukturach geologicznych magazynów węglowodorów. Warunkiem zrównoważonego wykorzystania tych zasobów jest szczegółowe rozpoznanie budowy geologicznej i jej precyzyjne odwzorowanie.
Dwuwymiarowe mapy i przekroje geologiczne są coraz częściej niewystarczające w analizie oraz interpretacji danych. Możliwości zaawansowanych technik komputerowych sprawiają, że geolodzy coraz częściej sięgają po trójwymiarowe modele. Naszpikowany danymi model 3D można obracać, zmieniać przewyższenie pionowe, pokazywać wybrane warstwy, tworzyć przekroje geologiczne, mapy ścięcia, a nawet wiercić w nim wirtualne otwory. Dociekliwi mogą zajrzeć pod wybraną warstwę geologiczną – unieść ją na ekranie komputera wraz z wszystkim, co znajduje się ponad nią. Najważniejszą jednak zaletą jest to, że modele 3D pozwalają skuteczniej analizować dane, odkrywać trudno zauważalne przy tradycyjnym podejściu zjawiska, prowadzić błyskawiczne obliczenia i oczywiście lepiej rozumieć procesy i zdarzenia geologiczne.
Państwowy Instytut Geologiczny od prawie 20 lat tworzy mapy i modeluje w 3D. Wśród wykonanych dotychczas 15 modeli 3D znajdują się zarówno wielkoskalowe, modele poszczególnych jednostek strukturalnych, jak i mniejsze modele lokalne, takie jak na przykład model płytkiego podłoża Stadionu Narodowego.
Ostatnim z zakończonych przez Instytut zadań jest trójwymiarowy, cyfrowy model pokrywy osadowej północnej części monokliny przedsudeckiej, czyli tzw. bloku Gorzowa – ważnego z punku widzenia gospodarki rejonu Polski. Z kierowniczką zadania dr Ewą Szynkaruk i głównym wykonawcą modelu dr Zbigniewem Małolepszym rozmawia Anna Bagińska, kierownik Biura Promocji i Komunikacji Państwowego Instytutu Geologicznego-PIB.
Dlaczego akurat blok Gorzowa? Co zdecydowało o wyborze tej jednostki do opracowania modelu geologicznego 3D?
Ewa Szynkaruk: Blok Gorzowa ma szczególne znaczenie gospodarcze. Badania geologiczne były tu prowadzone już w latach 50. XX wieku ze względu na występujące w utworach cechsztyńskich liczne złoża ropy naftowej i gazu ziemnego, w tym największe z odkrytych dotychczas – złoże Barnówko–Mostno–Buszewo. Intensyfikacja badań geologicznych wzrosła w ostatnim 20-leciu i pojawiła się potrzeba dogłębnej analizy rozwoju geologicznego tego rejonu, wykraczającej poza zasięg pojedynczych złóż. Założyliśmy, że wykonując model 3D będziemy wspierać procesy decyzyjne dotyczące optymalnego wykorzystania zasobów, zarówno złożowych, jak też innych, odnoszących się do przestrzeni podziemnej, umożliwiając np. wykorzystanie ciepła Ziemi lub magazynowanie gazu ziemnego i innych nośników energii. Obszar ten charakteryzuje się podwyższoną w skali regionalnej temperaturą wgłębną. Potencjalnie jest zatem atrakcyjny także pod względem wykorzystania zasobów geotermicznych metodą HDR (Hot Dry Rock – w dosłownym tłumaczeniu gorące, suche skały – przyp. red.).
Model geologiczny został wykonany dla pokrywy osadowej bloku. Co dokładnie przedstawia?
Ewa Szynkaruk: Model 3D bloku Gorzowa przedstawia budowę geologiczną obszaru od powierzchni terenu do głębokości około 5000 metrów pod poziomem morza – czyli od czwartorzędu do karbonu – podłoża basenu sedymentacyjnego. Obszar badań to niemal 1,6 tys. km2, a sam model obejmuje nieco ponad 1 tys. km2. Pokazaliśmy architekturę sedymentacyjno-tektoniczną bloku i podstawowe parametry np. litologię, środowiska sedymentacji, czy gęstość skał budujących osadowe wypełnienie basenu w tym rejonie.
Konstrukcja modeli geologicznych 3D jest oparta przede wszystkim na analizie danych geologicznych. Jakie informacje były niezbędne do opracowania modelu bloku Gorzowa?
Zbigniew Małolepszy: Zaznaczę od razu, że poziom szczegółowości modeli geologicznych zależy od liczby i jakości dostępnych danych. Przy budowie naszego modelu wykorzystaliśmy aż 23 zdjęcia sejsmiczne 3D o łącznej powierzchni ponad 5,5 tys. km2 i ponad tysiąc linii sejsmicznych 2D, jak również wyniki profilowań geofizycznych z 300 głębokich – na ponad 500 metrów – otworów wiertniczych z tego obszaru. To naprawdę ogromna liczba informacji! Pomocniczo wykorzystaliśmy również istniejące kartograficzne dane geologiczne oraz grawimetryczne. Zdjęcia sejsmiczne były scalane i interpretowane w domenie czasu, a następnie przekształciliśmy je do domeny głębokości za pomocą jednego modelu prędkości dla całego bloku. Oczywiście bazowaliśmy w znacznej mierze na danych zgromadzonych w Centralnej Bazie Danych Geologicznych, ale realizacja modelu nie byłaby możliwa bez udostępnienia przez PGNiG SA i Geofizykę Toruń danych cyfrowych: profilowań geofizyki wiertniczej i sejsmiki.
Blok Gorzowa kontynuuje się poza granicami Polski. Czy przy realizacji modelu 3D korzystano także z danych pozyskanych od niemieckiej służby geologicznej?
Ewa Szynkaruk: Dzięki dobrym kontaktom ze służbami geologicznymi Brandenburgii i Meklemburgii – Pomorza Przedniego dysponowaliśmy również danymi z odwiertów badawczych oraz interpretacjami horyzontów i uskoków po drugiej stronie granicy. W istotny sposób poprawiło to nasze możliwości określenia geometrii warstw w modelu, choć bardziej szczegółowe interpretacje możliwe były jedynie po stronie polskiej.
Analiza tak ogromnej liczby danych geologicznych z pewnością nie była łatwa. Jakiego typu problemy były najczęstsze i najtrudniejsze do pokonania?
Zbigniew Małolepszy: Założeniem projektu było użycie możliwie jak największej liczby danych do konstrukcji modelu. Przed ich wykorzystaniem musieliśmy je najpierw zintegrować czyli zidentyfikować i pousuwać nieuniknione błędy, które zdarzają się w każdym zestawie danych. Następnie osadziliśmy dane w jednolitym układzie odniesienia ponieważ pochodziły z wielu różnych źródeł i były zlokalizowane w różnych układach współrzędnych. Nie wszystko udało się wyczyścić za jednym razem i w trakcie modelowania co jakiś czas napotykaliśmy mocno ukryte błędy w danych. W ten sposób w kolejnych iteracjach poprawialiśmy jakość tej ogromnej liczby danych. Trzeba tu podkreślić, że praca nad wsadem do modelu geologicznego zajmuje nawet więcej niż połowę czasu przeznaczonego na wykonanie takiego projektu.
Jakie są główne etapy opracowania modelu 3D?
Zbigniew Małolepszy: Zgodnie ze standardem budowy modeli geologicznych w pierwszym kroku został skonstruowany model strukturalny (rys. 1), składający się z horyzontów, czyli spągów i stropów wydzieleń oraz rozcinających je powierzchni uskoków.
Następnie utworzyliśmy siatkę 3D,tzw. grid, odwzorowującą specyfikę układu warstw, a tym samym procesów sedymentacyjnych je kształtujących, w poszczególnych wydzieleniach. Grid ten został wypełniony informacją o rozkładzie przestrzennym własności skał, tj. o litologii, litofacjach, środowiskach sedymentacji i systemach depozycyjnych (rys. 2, 3). Na podstawie profilowań geofizyki otworowej i ich petrofizycznej interpretacji w wybranych poziomach określiliśmy również rozkład gęstości objętościowej i porowatości skał. Należy podkreślić, że treść którą wypełniliśmy model została opracowana w tym zadaniu przez reinterpretację dotychczasowego stanu rozpoznania budowy geologicznej przez szeroki zespół specjalistów.
Model dla kenozoiku, z racji niemożności śledzenia płytkich horyzontów w dostępnej sejsmice 3D i 2D, został oparty na licznych płytkich wierceniach oraz danych kartograficznych do Atlasu południowego basenu permskiego i Szczegółowej Mapy Geologicznej Polski w skali 1:50 000, a także autorskich opracowaniach linii intersekcyjnych.
Rys. 1. Model strukturalny 3D budowy geologicznej bloku Gorzowa, widok od SE, przewyższenie x 10. C – karbon; Pcsd – czerwony spągowiec, seria wulkaniczna; Pcsg – czerwony spągowiec, seria osadowa; PZ1 – cyklotem PZ1 (Werra); Ca2-A3 – seria osadowa od dolomitu głównego (PZ2: Strassfurt) do anhydrytu głównego A3 (PZ3: Leine); Na3–PZ4 – seria osadowa od spągu młodszej soli kamiennej Na3 (PZ3: Leine) do stropu utworów solnych cechsztynu; T1 – trias dolny, T2 – trias środkowy; T3 – trias górny; J1 – jura dolna; J2 – jura środkowa; J3 – jura górna; K – kreda; E – eocen; M1-2 – miocen dolny i środkowy; Q – czwartorzęd. Zielono-czerwona strzałka wskazuje kierunek północy. Współrzędne: PL-1992
Rys. 2. Litologia skał jurajskich (diagram płotowy), NE część bloku Gorzowa, widok od NE, przewyższenie x 25. Zielono-czerwona strzałka wskazuje kierunek północy
Rys. 3. Litostratygrafia cechsztynu w centralnej części bloku Gorzowa: seria przekrojów o kierunku N–S, widok perspektywiczny od E, przewyższenie x 10. Wyraźnie widoczne są platformy siarczanowo-węglanowe cyklotemów PZ1 i PZ2 oraz poduszki solne wykształcone przede wszystkim w solach Na2 i Na3. Zielono-czerwona strzałka wskazuje kierunek północy. Współrzędne: PL-1992
Realizując zadanie opracowano nie jeden, ale pięć modeli 3D. Czy skonstruowane modele rzuciły nowe światło na budowę geologiczną regionu?
Zbigniew Małolepszy: Na model bloku Gorzowa składa się pięć modeli: model wykonany dla całego bloku oraz cztery modele szczegółowo prezentujące litostratygrafię, litologię, środowiska sedymentacji i inne parametry skał kredy, jury, triasu i cechsztynu.
Dzięki naszym pracom dotychczasowe rozpoznanie geologiczne, skupiające się przede wszystkim na cechsztyńskich poziomach złożowych ropy naftowej i gazu ziemnego, zostało istotnie wzbogacone o praktycznie nieistniejące do tej pory w takim zakresie szczegółowe rozpoznanie geologii triasu, jury, kredy i kenozoiku. Uzyskaliśmy spójny obraz regionalny, pozwalający na ilościową analizę trendów strukturalnych i sedymentacyjnych w kontekście dużo szerszym, niż zasięg pojedynczych zdjęć, na których się dotychczas opierano.
Uzupełniliśmy także stratygrafię, litostratygrafię i dane litologiczne w otworach wiertniczych zgromadzonych w Centralnej Bazie Danych Geologicznych. Okazało się, że po dziesięcioleciach analiz na potrzeby przemysłu aż jedna trzecia (w cechsztynie, w mezozoiku znacznie więcej) podstawowych informacji stratygraficznych wymykała się obserwacjom, zanim nie przyjrzano się im w ujęciu regionalnym. Co więcej, na potrzeby modelu parametrycznego (rozkład litologii, środowisk sedymentacji itd.) zinterpretowano „od zera” profile wybranych otworów. Wszystkie te wyniki przekazane zostały do Centralnej Bazy Danych Geologicznych i stanowią gotowy do wykorzystania zasób nowej wiedzy o regionie. Mamy nadzieję, że wykonany model geologiczny bloku Gorzowa będzie wsparciem i inspiracją do dalszych prac w tym rejonie.
Rys. 4. Wyliczony względny relief dna basenu cechszyńskiego po depozycji anhydrytu dolnego A1d, przewyższenie x 20, widok od NW (od strony głębszego basenu). Skala barw podkreśla relief płytszych partii basenu, które już na tym etapie układają się w kształt platform siarczanowo-węglanowych, skonsolidowanych ostatecznie w trakcie sedymentacji dolomitu podstawowego Ca2. Zielono-czerwona strzałka wskazuje kierunek północy. Współrzędne: PL-1992
Dla jakich obszarów Polski są obecnie opracowywane w ramach zadań Państwowej Służby Geologicznej kolejne modele geologiczne 3D?
Ewa Szynkaruk: Opracowanie modelu 3D bloku Gorzowa to kolejny duży projekt z serii opracowania modeli geologicznych polskich basenów sedymentacyjnych. Pierwszym z nich był model pokrywy osadowej basenu lubelskiego.
Rozpoczęliśmy realizację kolejnego modelu – niecki szczecińskiej, położonej na północ od bloku Gorzowa. Naszym celem jest sukcesywna budowa wielorozdzielczych modeli geologicznych 3D dla wszystkich dużych jednostek tektonicznych w Polsce. Obecnie powstaje także, bardziej zgeneralizowany, model budowy geologicznej całej Polski, który pozwoli na ujęcie w ramy przestrzenne, i kontekst geologiczny, wszystkich innych modeli i danych zgromadzonych na terenie kraju. Chcemy również modelować w wysokiej rozdzielczości wybrane, strategiczne regiony kraju – na przykład obszary metropolitalne i regiony wysoko uprzemysłowione, aby wspomóc efektywne planowanie przestrzenne, umożliwić świadome zarządzanie ryzykiem i unikanie konfliktów w gospodarowaniu przestrzenią podziemną. Szczególną uwagę zwrócimy na złoża kopalin, surowce energetyczne (w tym geotermalne i węglowodory) oraz struktury geologiczne, które mogą być ważne dla podziemnego magazynowania gazu ziemnego i potencjalnie innych nośników energii.
Kto i w jaki sposób może korzystać z modeli 3D wykonanych przez Państwową Służbę Geologiczną?
Ewa Szynkaruk: Geologia 3D daje możliwość wielu zastosowań i dlatego z trójwymiarowej geologii chętnie korzystają przedsiębiorcy poszukujący złóż surowców, planiści, naukowcy, administracja geologiczna wszystkich szczebli, instytucje zajmujące się edukacją, a także każdy z nas, chcący przekonać się, po czym stąpa.
Obecnie każdy może zapoznać się z efektem naszych prac. Model bloku Gorzowa dostępny jest w przeglądarce internetowej Geo3D na stronie internetowej PIG-PIB (rys. 5-6). Szczegółowe informacje dotyczące wyników projektu, a także cyfrowe wersje modelu w formatach natywnych i pliki pochodne (np. mapy stropów i spągów oraz miąższości) dostępne są w opracowaniu końcowym, w Narodowym Archiwum Geologicznym (Nr CBDG: 1327636 (opracowanie końcowe) i 1327637 (model w formacie Petrel).
Przeglądarka internetowa Geo3D służy do wizualizacji wgłębnych struktur geologicznych. Ma prosty i intuicyjny interfejs, który pozwala zobrazować modele w formie trójwymiarowych blokdiagramów, przekrojów, profili geologicznych oraz wirtualnych otworów wiertniczych dla wybranych struktur wgłębnych. Aby opanować te funkcjonalności wystarczy poświęcić zaledwie kilka minut na poznanie panelu aplikacji. Zapewniam, że nie jest to trudne, a na pewno przyniesie fantastyczne efekty! Mam też nadzieję, że tak przyjazna forma obrazowania efektów modelowania zwiększy zainteresowanie naukami geologicznymi.
Rys. 5. Wykorzystanie funkcji podnoszenia warstw na przykładzie modelu 3D budowy geologicznej bloku Gorzowa
Rys. 6. Przykład wykorzystania funkcji tworzenia wirtualnych otworów oraz przekrojów wzdłuż dowolnej linii. Widok modelu geologicznego bloku Gorzowa z linią przekroju i wirtualnym odwiertem położonym na przekroju
Dr Zbigniew Małolepszy (PIG-PIB) zajmuje się tworzeniem statycznych modeli geologicznych, czyli kartografią wgłębną z wykorzystaniem metod numerycznych. Posiada ponad 20-letnie doświadczenie w kartowaniu wgłębnych struktur geologicznych i parametrów zbiornikowych skał m.in. na Antarktydzie, w Peru, w Nigerii, w USA w stanach Minnesoty i Dakoty Północnej. Jest autorem cyfrowej wersji trójwymiarowego modelu geologicznego Polski (2005). Zajmuje się również modelami dynamicznymi czyli numerycznym modelowaniem przepływu masy i energii w ośrodku skalnym.
Kontakt: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.
Dr Ewa Szynkaruk (PIG-PIB) prowadzi projekty dotyczące modelowania geologicznego 3D, wspomagając i rozwijając w PIG-PIB zastosowanie nowoczesnych metod kartowania i obrazowania struktur geologicznych. Działania te wynikają z zainteresowania tektoniką i geologią strukturalną, w szczególności rozwojem sieci uskokowych, badanych w Karpatach (magisterium) i w Meksyku (doktorat). Jest zaangażowana we współpracę z grupami eksperckimi stowarzyszenia europejskich służb geologicznych EuroGeoSurveys (EGS).
Kontakt: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.
Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej.
Realizacja zadania była możliwa dzięki udostępnieniu przez PGNiG SA danych geofizycznych i geologicznych.
Wywiad został przeprowadzony w ramach projektu: „Współpraca krajowa w zakresie geologii i promocja działań państwowej służby geologicznej w latach 2021 – 2023 (zadanie ciągłe PSG)” i sfinansowany ze środków NFOŚiGW
Zobacz film "Kartografia geologiczna"
