Większość procesów geologicznych zachodzi setki lub czasem tysiące metrów pod powierzchnią terenu. Aby poznać budowę geologiczną Ziemi, geolodzy muszą sięgać w głąb skał. Najcenniejszym źródłem informacji są rdzenie wiertnicze, czyli cylindryczne fragmenty skał wydobywane podczas wierceń. Pozwalają one nie tylko odtworzyć historię geologiczną danego obszaru, lecz także zweryfikować wyniki badań geofizycznych, rozpoznawać złoża surowców i oceniać potencjał wykorzystania struktur podziemnych.
Każdy wydobyty rdzeń stanowi unikatowy zapis warunków panujących w przeszłości, dlatego jego właściwe udokumentowanie i przechowywanie ma znaczenie wykraczające daleko poza cel pojedynczego odwiertu. Rozpoznanie budowy geologicznej pod powierzchnią terenu odbywa się za pomocą metod bezpośrednich i pośrednich.
Fragment rdzenia wiertniczego
Metody bezpośrednie polegają na pozyskiwaniu materiału skalnego do badań z odkrywkowych i podziemnych wyrobisk górniczych lub z otworów wiertniczych. Do metod pośrednich zaliczane są wszelkie pomiary geofizyczne (m. in. sejsmiczne, grawimetryczne, magnetyczne) umożliwiające bezinwazyjne obrazowanie wnętrza skorupy ziemskiej w oparciu o właściwości fizyczne skał.
W procesie rozpoznawania struktur geologicznych kluczowe są metody bezpośrednie, które pozwalają na wszechstronnie badanie różnych odmian skał. O ile wyniki uzyskane za pomocą metod pośrednich przybliżają nam obraz skorupy na różnych głębokościach i na znacznym obszarze, to wymagają one weryfikacji poprzez zastosowanie metod bezpośrednich. Z tego powodu badania rdzeni wiertniczych są bardzo istotne. Pozwalają nie tylko poznać profil geologiczny podłoża i pozyskać oryginalny materiał badawczy niedostępny na powierzchni ziemi, lecz także zweryfikować interpretacje obrazowań geofizycznych lub modele będące założeniami koncepcyjnymi wynikającymi z interpretacji układu struktur np. w oparciu o dane terenowe.
Rdzeń wiertniczy
Należy przy tym pamiętać, że możliwości metod bezpośrednich w penetrowaniu skał są ograniczone dostępnymi technologiami wiertniczymi. Współczesne wiercenia sięgają nawet kilku tysięcy metrów. Najgłębszy otwór wiertniczy wykonany do tej pory – SG-3 Supergłęboki Odwiert Kolski ma głębokość 12 262 metrów . Pod tym względem przewagę mają metody geofizyczne, pozwalające obrazować badać wnętrze ziemi na głębokości setek kilometrów – badania głębokich struktur płaszcza Ziemi.
Z punktu widzenia gospodarki szczególne znaczenie mają badania prowadzone do głębokości umożliwiającej eksploatację surowców. Węglowodory mogą być pozyskiwane metodą otworową z głębokości kilku tysięcy metrów. Z kolei pozyskiwanie cennych złóż metali, pierwiastków ziem rzadkich, węgla, czy np. diamentów możliwe jest do maksimum 4 000 m, choć są to przypadki wyjątkowe. W Polsce najgłębsze czynne kopalnie prowadzą eksploatację rud metali i węgla do głębokości 1 290 m w KWK Budryk i 1 348 m w ZG Polkowice-Sieroszowice. Niewątpliwie w przyszłości konieczne będzie sięgniecie po złoża zalegające głębiej.
Wyciąganie rdzenia z otworu wiertniczego
W tym celu konieczne jest ich wcześniejsze rozpoznanie i udokumentowanie. Odbywa się to poprzez weryfikację modeli budowy geologicznej za pomocą głębokich wierceń i pozyskiwania rdzeni wiertniczych do badań. Podmiot prowadzący poszukiwania i dokumentowanie złóż zobowiązany jest zachować należytą staranność w dokumentowaniu rdzeni, w ich zabezpieczaniu oraz poborze próbek do badań specjalistycznych, a następnie przekazania do Centralnego Archiwum Geologicznego (CAG). Obowiązki te wynikają z ustawy Prawo geologiczne i górnicze, a szczegółowe zasady dotyczące zakresu, formy i trybu przekazywania próbek określa Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 9 czerwca 2015 r.
Pierwsze badanie rdzeni po wyjęciu z otworu
Rdzenie określane mianem rdzeni trwałego przechowywania i podlegają wieczystemu zachowaniu. Z tego względu podlegają ściśle określonym procedurom. Mają one wyjątkowe znaczenie dokumentacyjne dla badań stratygrafii oraz budowy geologicznej Polski. Wiele z tych, które zgromadzone są w CAG dokumentuje głęboką budowę geologiczną kraju i pochodzi z głębokości przekraczających 7 km.
Przekazaniu podlegają próbki okruchowe stanowiące co najmniej połowę objętości próbki, rdzenie wiertnicze nie mniejsze niż połowa rdzenia przeciętego zgodnie z płaszczyzną równoległą do osi walca oraz wszystkie pozostałe po badaniach rdzeniki boczne. Próbki okruchowe oraz rdzeniki boczne dostarczane są w zamykanych opakowaniach plastikowych, metalowych lub drewnianych, natomiast rdzenie wiertnicze przekazywane są w drewnianych skrzynkach umożliwiających przechowywanie rdzenia o długości 1 metra. Każde opakowanie musi być trwale i czytelnie oznakowane zgodnie z wymaganiami określonymi w przepisach.
Skrzynki z rdzeniami wiertniczymi
Przed włączeniem do zasobu CAG, próbki podlegają ocenie merytorycznej prowadzonej przez upoważniony zespół geologów. Sprawdzana jest zgodność przekazanego materiału z obowiązującymi wymaganiami dotyczącymi oznaczania, kompletności oraz sposobu przekazywania próbek. Po przyjęciu do magazynu metadane dotyczące próbek, w tym informacje o lokalizacji, głębokości, stanie zachowania oraz rodzaju materiału, są wprowadzane do Centralnej Bazy Danych Geologicznych (CBDG), co umożliwia ich sprawną identyfikację i wyszukiwanie.
Skrzynki z rdzeniami
Wszystkie skrzynki służące do przechowywania rdzeni wiertniczych są oznaczone kodami kreskowymi. Dzięki wykorzystaniu kolektorów danych możliwe jest szybkie uzyskanie dostępu do informacji zgromadzonych w aplikacji CBDG „Otwory wiertnicze”, w tym m.in. opisów litologicznych i stratygraficznych oraz wyników analiz wykonanych dla danego rdzenia. Obecnie w zasobach CAG znajduje się materiał z 10 077 wierceń o łącznej długości przekraczającej 900 tys. metrów. Najstarsze z nich pochodzą z otworów wykonanych jeszcze przed II wojną światową.
Centralny Magazyn Próbek Geologiczny PIG-PIB w Leszczach koło Kłodawy – jeden z najnowocześniejszych w Europie
Przechowywanie rdzeni jest znacznie tańsze niż ponowne wykonanie odwiertów w celu pozyskania nowych rdzeni. Koszty wierceń są bardzo wysokie, a sama realizacja wymaga uzyskania licznych pozwoleń i spełienia wielu wymagań formalnych i technicznych. Ponadto w niektórych miejscach nie da się już pozyskać rdzeni, bo teren jest obecnie zurbanizowany lub niedostępny z innego powodu.
Argumentem za przechowywaniem rdzeni jest również ich potencjał badawczy. Perspektywy badań jakie można wykonać w przyszłości są bardzo szerokie, a spektrum potrzeb i celów analiz skał pochodzących z głębokich struktur może być różne. Ma to znaczeni zwłaszcza w dobie intensywnego rozwoju metod badawczych i analitycznych. Za kilkanaście lub kilkadziesiąt lat mogą pojawić się metody dziś nieznane, a umożliwiające znacznie głębsze poznanie cech i właściwości skał.
Badanie rdzeni wiertniczych
Współcześnie rdzenie wiertnicze podlegają udokumentowaniu ich obrazu w chwili pozyskania. Robi się to w celu zachowania pierwotnego wyglądu skał i ich struktury, co może być istotne np. dla wnioskowania o parametrach geomechanicznych masywu skalnego pod kątem oceny możliwości budowy szybów, czy chodników wydobywczych. Jest to ważne ponieważ po wydobyciu na powierzchnię, skały pobrane ze znacznych głębokości i znajdujące się pod wpływem ciśnienia panującego wewnątrz górotworu ulegają z czasem rozprężeniu, które w przypadku skał spękanych może doprowadzić do utraty przez nie spójności i w przyszłości zafałszowywać prawdziwe ich cechy. Ponadto po wykonaniu badań bezinwazyjnych na rdzeniach wiertniczych, dokonuje się jego cięcia i poboru próbek do badań specjalistycznych. W zależności od typu skał i celu wiercenia obejmują one w szczególności: badania mineralogiczne, petrograficzne, geochemiczne, geofizyczne, stratygraficzne i paleontologiczne.
Bsdanie rdzeni wiertniczych
Z powyższego względu po utrwaleniu obrazu rdzeni dokonuje się profilowań, których celem jest wykonanie podstawowego opisu litologicznego, stratygraficznego i strukturalnego (tektonicznego) nawierconych utworów skalnych. Dopiero po tym możliwe jest pobieranie próbek do dalszych analiz.
Otwór wiertniczy, z którego pobrano rdzeń dokumentuje profil wgłębny, a na mapie widnieje jako punkt. Gdy otworów jest wiele, możliwa jest korelacja poszczególnych wydzieleni lito-stratygraficznych. Podstawą do niej są wyniki profilowań i badań pobranych próbek. W dalszym postępowaniu zestawienie profili otworów pozwala na konstruowanie map i przekrojów ukazujących wgłębną budowę geologiczną. Zajmuje się tym kartografia geologiczna wgłębna, która wymaga umiejętności zestawiania danych i prowadzenia analiz przestrzennych i geometrycznych. Dzięki niej dowiadujemy się historii Ziemi, stopniu złożoności struktur geologicznych, a pośrednio możliwości ich wykorzystania m. in. w poszukiwaniach i eksploatacji surowców, w geotermii, magazynowaniu węglowodorów, odpadów radioaktywnych, czy składowaniu CO2. Wiedza ta ma również duże znaczenie w rozpoznawaniu stref aktywności sejsmicznej i prognozowaniu zagrożeń geologicznych.
Niezależnie od celu wierceń, uzyskany materiał skalny w postaci rdzeni wiertniczych do unikatowe, bogate archiwum danych geologicznych mające wysoki potencjał badawczy. Przechowywanie ich w archiwach rdzeni pozwala zachować je dla przyszłych pokoleń w celu ponownego zbadania przy użyciu nowych metod, a tym samym lepszego poznania właściwości skał i racjonalnego wykorzystywania zasobów geologicznych.
Tekst: Rafał Sikora, Artur Baranowski
Fot. Archiwum PIG-PIB
