PÉCSI TUDOMÁNYEGYETEM Természettudományi Kar Földtudományok Doktori Iskola A Bodai Aleurolit Formáció ciklussztratigráfiai vizsgálata Halász Amadé Doktori értekezés tézisei PÉCS, 2011
A doktori iskola címe: Földtudományok Doktori Iskola A doktori iskola vezetője: Dr. Dövényi Zoltán DSc egyetemi tanár, a földrajztudományok doktora, intézetigazgató PTE TTK Földrajzi Intézet Magyarország Földrajza Tanszék A doktori témacsoport címe: Földtan Vezetője: Dr. Budai Tamás DSc geológus, az MTA doktora, tudományos tanácsadó PTE TTK Környezettudományi Intézet A disszertáció tudományága: Földtan Témavezetője: Dr. Konrád Gyula CSc geológus, a földtudományok kandidátusa, tanszékvezető, egyetemi docens PTE TTK Földrajzi Intézet Földtani Tanszék Dr. Budai Tamás DSc geológus, az MTA doktora, tudományos tanácsadó PTE TTK Környezettudományi Intézet
Bevezetés, kutatási előzmények A nagy aktivitású radioaktív hulladékok egyik potenciális befogadó kőzetének, a Bodai Aleurolitnak és földtani környezetének, a Nyugat- Mecseknek a kutatása több évtizedre nyúlik vissza. A tárolóhelynek alkalmas terület kiválasztásához szükséges a formáció részletes földtani ismerete. A megítélésben fontos szempont a képződmény egyveretűsége, homogenitása. A szakirodalom a nagy vastagságú képződményt egyhangú, homogén felépítésűnek írja le, de részleteiben vizsgálva négy makroszkóposan is elkülöníthető kőzetből épül fel. Ez teremti meg a lehetőségét a ciklussztratigráfiai vizsgálatnak, amelyet eddig még nem végeztek el. Célkitűzések A célkitűzéseim a következők: a képződmény ciklusosságának kis- és nagyléptékű vizsgálata, valamint a jellemző ciklusok, csonkaciklusok, ritmusok definiálása, képződési környezetének leírása; a modális, tipikus és reális ciklusok meghatározása, jellemzése; a litológiai és szedimentológiai típusok meghatározása és azok ciklusokhoz köthetőségének vizsgálata; a színváltozás, a szövet, a szerkezet és a geofizikai tulajdonságok alapján meghatározott ciklusok elemzése; 1
a ciklusok és ritmusok vastagságának statisztikai vizsgálata (a ciklusok és ritmusok vastagságainak változékonysága, átlaga, eloszlása és ezek összefüggése a formáción belüli mélység és távolságközökkel); a homogénnek tekinthető egységek vastagságának meghatározása kisés nagyléptékben. A fenti célok eléréséhez a 2005 után mélyült fúrások és a formációt jól reprezentáló feltárások ciklussztratigráfiai és szedimentológiai vizsgálatát; az archív fúrásdokumentációk átértékelését; valamint a rendelkezésre álló szedimentológiai adatok matematikai és statisztikai elemzését végeztem el. Kutatási módszerek Kiindulási adatok A ciklussztratigráfiai elemzéshez azon fúrások adatait használtam fel, amelyek jelentős vastagságban harántolták a Bodai Aleurolitot: BAT-4, BAT-5, XV. szerkezetkutató, Kt-1, Ib-4, Bo-5 és Bo-6. A fúrások feldolgozásához rendelkezésemre álltak: a Geo-Log Kft. által mért karotázs szelvények, a teljes földtani dokumentáció, a kutatási területen található feltárások korábbi leírásai, dokumentációi, 2
a fúrómagok ImaGeo magszkennerrel készült nagyfelbontású képei, valamint a fúrómagok és minták LIPS mérései. Módszerek A fúrások és feltárások szöveges földtani dokumentációjából olyan adatbázist építettem, amely alkalmas szoftveres feldolgozásra. Ehhez elvégeztem az értelmezésre alkalmas hat fúrásban (Ib-4, BAT-4, BAT-5, XV. szerkezetkutató, Bo-5, Bo-6) dokumentált kőzettípusok statisztikai elemzését, amely a ciklussztratigráfia vizsgálathoz elengedhetetlen volt. A hat fúrásban és a három felszíni feltárásban kilenc fő kőzettípust különítettem el. Ehhez feldolgoztam több mint 400 méter fúrási maganyagot és szkennelt képet, valamint további majdnem 2000 méter fúrásról szóló elektronikus és nyomtatott dokumentációt. A szöveges földtani dokumentáció alapján meghatároztam azokat a tulajdonságokat, amelyek alkalmasak lehetnek ciklusok (esetleg ritmusok) kimutatására. A meglévő táblázatokat kiegészítettem néhány, a formáció jellemzése szempontjából fontos tulajdonsággal (dolomit/márga/ típusa, vastagsága, jellege stb.). A fúrási rétegsorokat a Strater szoftverrel jelenítettem meg, a szöveges földtani dokumentációjukból előállított adatbázis alapján. Ezt az adatbázist és a geofizikai méréseket elemeztem még a Grapher és a Past nevű programmal is. A ciklusok leírásánál a következő fogalmakat használtam: 1. Valóságos (reális) ciklus: megfigyelés során rögzített, minden réteget (elemet) tartalmazó ciklus. 3
2. Tipikus vagy modális ciklus: a rétegsor leggyakoribb, de nem feltétlenül minden elemet tartalmazó ciklusa. 3. Ideális vagy modell-ciklus: a rétegsor ciklusainak elemzése alapján felállított elméleti ciklus, amely a ciklusos folyamat egészét leírja. 4. Csonkaciklus: az előbbi ciklus-típusok (1-3) azon változata, amelynek egy vagy több ciklustagja hiányzik (pl. erózió következtében), de minimum 2-3 tagból áll. 5. Ritmus: 2 rétegtag váltakozásából épül fel (nem minden esetben lehet elkülöníteni a csonkaciklustól). A ciklusok vizsgálata során kis- és nagyléptékű elemzést is végeztem. A nagyléptékű elemzés során a teljes rétegsort több ciklust vagy cikluscsoportot magába foglaló nagyobb szakaszokra igyekeztem bontani. A felosztás szempontja volt például egy-egy, az adott szakaszra jellemző réteg (dolomitos-, homokköves-betelepülések) megjelenése vagy eltűnése. A ciklicitás statisztikai vizsgálatához Markov-analízist és idősor-analízist használtam fel. Eredmények Dolgozatomban elsősorban a képződmény általános ciklussztratigráfiai elemzését adom, emellett definiálom és jellemzem a rétegsort felépítő ciklusokat. Mindezek alapján pontosítom a képződmény homogenitásáról kialakult képet. A nagyobb léptékben történő vizsgálat a fúrások közötti korrelációt (horizontális elterjedés, homogenitás) segíti elő, mivel az ideális rétegsorban a hasonló litosztratigráfiai szakaszokra azonos ciklikus felépítés jellemző. A kisléptékű elemzés az üledékképződési folyamatokra, azok ciklikus változásaira ad magyarázatot. 1. Kidolgoztam a Bodai Aleurolit Formáció ciklussztratigráfiai elemzésének módszer együttesét, amelynek főbb elemei a nagy- és kisléptékű elemzés, a színvizsgálat, a spektrum- és a Markov-analízis. 4
2. A fúrások és feltárások alapján definiáltam a képződményre jellemző ciklusokat és ritmusokat. Az Ib-4 sz. fúrásnál az összes, a többi fúrás és feltárás esetében pedig a fő kőzettípusok úgymint homokkő (A), aleurolit (B), agyagkő (C) és dolomit (D) váltakozása alapján végeztem az elemzést. Megállapítottam, hogy a leggyakoribb és várható ciklusok a következők: AB, ABC, ABD, AC, ACD, BD, BDB, BCD, CD. 3. A teljes képződményre jellemző kilenc ciklustípust kiegészítettem az Ib-4 sz. fúrás kilenc kőzettípusából felépülő ciklusokkal, ahol a szemcseméret-tartományok finomabb beosztásával részletesebben tagoltam a képződményt. Ez alapján kimutattam a kőzetlisztes agyagkő kőzetlisztes homokkő agyagos aleurolit, homokkő agyagos aleurolit, agyagos dolomit kőzetlisztes agyagkő és az agyagos dolomit agyagos aleurolit kőzetlisztes homokkő tagokból felépülő ciklusokat. 4. Definiáltam a formációra jellemző valóságos, tipikus és ideális ciklusokat. A képződmény valóságos ciklusát az Ib-4 sz. fúrás rétegsora alapján határoztam meg, amely a durvaszemű homokkőtől az agyagkőig terjedő teljes szemcseméret tartományt foglalja magában, dolomittal záródva. Megállapítottam, hogy a tipikus- vagy modális ciklusok az AB, ABC, CD és BD kifejlődések. Az Őrházi-Tagozatban kimutattam a homokkő szemcseméretén alapuló ciklicitást. 5. Az elvégzett nagyléptékű vizsgálat alapján a képződményt új szempontok szerint osztottam rétegcsoportokra. Ezeket egy-egy markáns, üledékképződési szempontból jelentős kőzettípus megjelenése vagy eltűnése alapján jelöltem ki. A homokkő- és a dolomitos betelepülések adták ezeknek a rétegcsoportoknak a határát. 5
Ennek alapján a képződményt 80-150 méteres hasonló kifejlődésű egységekre különítettem el. 6. A kisléptékű elemzés során meghatároztam az egyes rétegcsoportokra jellemző tipikus, vagy modális ciklusokat. Ezek szerint a dolomitos betelepüléseket nem tartalmazó egységek jellemző ciklusai az AB, ABC, AC, BC. Az összes képződményt tartalmazó összletekben az előbbieken kívül megjelenhet a BD, BCD, CD, BDB. A rétegsor homokkőmentes részein pedig a CD, CDC ciklusok dominálnak, néhol kiegészülve egy-egy BD(B) és BCD ciklussal. 7. A Markov-analízis segítségével meghatároztam és igazoltam a többi fúrásban és feltárásban definiált ciklusokat. 8. A képződmény színváltozásai alapján ciklicitást nem sikerült kimutatni. A térinformatikai módszerek azonban jól használhatóak az egymáshoz hasonló színek mint például az igen jellemző barnásvörös és vörösesbarna közötti átmenetek megkülönböztetésére. A kidolgozott színelemzési eljárás a ciklussztratigráfiában alkalmazható lesz, ha a szkennelés során az általam megadott kritériumokat is figyelembe veszik, mivel a program tanítható és a kőzetkategóriák felismerésére részben már alkalmas. 9. Elvégeztem a ciklusvastagság és -eloszlás statisztikai elemzését. A rétegsort túlnyomó részét alkotó AB ciklusok átlagos vastagsága 0,5 m, az ABC ciklusoké 1,0 m, a BD ciklusoké 1,2 m, a CD ciklusoké pedig 2,0 m. Ez utóbbi típusnál leírtam egy mm nagyságrendű váltakozást is. 10. A lyukgeofizikai vizsgálatokkal sikerült igazolni a többi módszerrel kimutatott jellemző ciklusos egységek létét és az azokat felépítő ciklusok vastagságát. A képződmény agyagtartalmában is sikerült kimutatnom ciklicitást. A természetes gamma- és elektromos ellenállásértékek alapján meghatároztam eddig nem ismert olyan 6
ciklusokat, amelyek jellemző vastagsága 7 m és 12 m. Ezt a homogénnek tekintett szakaszokra tudtam alkalmazni, tehát a természetes gamma értékek alkalmasak a formáció ciklussztratigráfiai elemzésére. Megállapítottam, hogy a számított albittartalom alapján ciklusvizsgálatot nem érdemes folytatni a további kutatások során, mivel nem ad plusz információt a többi módszerhez képest. 11. Megállapítottam, hogy a ciklussztratigráfiai vizsgálatok segítségével információt kaphatunk a képződmény homogenitásáról. Bizonyítottam, hogy a Bodai Aleurolit 80-150 m vastag az izolációs tulajdonságokat tekintve homogén szakaszokból épül fel. 12. Az üledékképződést meghatározó paleoklimatológiai tényezők elemzése alapján pontosítottam a Mecseki-egység középső-perm ősföldrajzi helyzetét. Az eredmények hasznosításának lehetőségei és a további kutatási irányok A potenciális radioaktív hulladéktároló kiválasztása során elsődleges szempont a befogadó képződmény vertikális és horizontális homogenitása. A Bodai Aleurolit nem tekinthető teljesen homogénnek, azon belül három, egymástól jól elkülöníthető egységre tagolható: az Őrházi Tagozatra és két, egyenként 350-450 méter vastag összletre. Az Őrházi Tagozat kifejlődése miatt nem tekinthető alkalmasnak a tároló befogadására. A homogenitás laterális változásának meghatározásához a vizsgált fúrások túl messze helyezkednek el egymástól, ezért a kutatás jelen állásánál csak a vertikális változási tendenciák jellemezhetők. A belső inhomogenitások ellenére földtani léptékben (vagy a tároló létesítése szempontjából) a formáció három 7
szakasza külön-külön vertikálisan homogénnek tekinthető, a horizontális homogenitás megítéléséhez azonban további kutatások szükségesek. A kutatás a homogenitás vizsgálatán kívül igen sok résztémát foglal magában, ezért a további irányai is meglehetősen szerteágazók. Ezek közül fontosnak tartom: a korábban dolomitosnak leírt betelepülések felülvizsgálatát, mivel azok több esetben kőzetlisztes alapanyagú rétegeknek bizonyultak; a további fúrások lyukgeofizikai szelvényeinek elemzését. Ezzel pontosabb képet kaphatunk a képződmény ciklusainak horizontális követhetőségéről a tágabb korreláció érdekében. Az albit mennyiségét meghatározó lyukgeofizikai módszerek pontosítását. Ezzel új ciklussztratigráfiai ismereteket nyerhetünk és a kőzettest homogenitásáról is pontosabb képünk lesz. 8
Publikációk jegyzéke Az értekezés témakörében megjelent publikációk Könyv, könyvrészlet, cikk 1. HALÁSZ A. 2008: A Jakabhegyi Homokkő Formáció korrelációs lehetőségei a mecseki uránérc bánya III. és IV. üzemi fúrások szemcseeloszlási adatai alapján. Modern Geográfia 2008/3. szám, http://www.moderngeografia.hu/tanulmanyok/foldtan/halasz_amade_2008_3.pdf 2. HALÁSZ, A. KONRÁD, GY. SEBE, K. SZEDERKÉNYI, T.: 2008: Geological environment of a possible waste repository site in SE Transdanubia (Hungary), In: LÓCZY, D. TÓTH, J. TRÓCSÁNYI, A. (ed.): Progress in Geography in the European Capital of Culture 2010. Geographia Pannonica Nova 3. Imedias Publisher, Kozármisleny, pp. 271-282. 3. GY. KONRÁD K. SEBE A. HALÁSZ E. BABINSZKI. 2010: Sedimentology of a Permian Playa Lake: Boda Claystone Formation, Hungary. Geologos Vol. 16, No. 1, Poland, pp. 24-41. 4. KONRÁD GY. SEBE K. HALÁSZ A. HALMAI Á. 2010: A Délkelet-Dunántúl földtani fejlődéstörténete recens analógiák. Földrajzi Közlemények 134. 3. pp. 251-265. 5. HALÁSZ A. 2010: A Cycles and rhythms within the Boda Claystone in the borehole Ib- 4. Central European Geology (in press). Konferencia kiadvány 1. HALÁSZ A. 2006: Mecseki alsó-triász törmelékes képződmények ciklussztratigráfiai vizsgálata. Előadás kivonat. VIII. Székelyföldi Geológus Találkozó. pp. 34-35. 2. HALÁSZ A. 2007: Cyclostratigraphy in the permo-triassic of the Western Mecsek Mountain. 25 th IAS meeting of sedimentology. (Greece). Conference Book. p. 241. 3. HALÁSZ A. 2007: Előzetes eredmények az Ib-4-es fúrás ciklussztratigráfiai vizsgálataiból. MFT-MGE VI. Földtudományi Ankét. 2007. november 27. (Nagykanizsa). 4. p. 4. BERTA, ZS. CSICSÁK, J. HALÁSZ, A. HÁMOS, G. KONRÁD, GY. KOVÁCS, L. MAJOROS, G. MÁTHÉ, Z. VARGA, GY. 2008: Possibility of a geological repository for nuclear wastes in a thick, extensive claystone body: research results from Hungary. 33rd. IGC International Geological Congress - 33igc (Oslo) Conference CD. 2. p. 5. KONRÁD GY. E. BABINSZKI A. HALÁSZ S. KRISZTINA 2008: Sedimentology of a Permian Playa Lake: Boda Siltstone Formation, Hungary. 25 th IAS meeting of sedimentology. (Bochum). Abstract Book, p. 121. 9
Egyéb publikációk Könyv, könyvrészlet, cikk 1. BAYANKHUU B. HALÁSZ A. 2005: International Investment opportunities in the Mongolian Mining industry. Fejlesztés (Development) és (and) Finanszírozás (Finance) 2005 évf. X. szám, pp. 68-75. 2. HALÁSZ A. 2006: A Watt-tenger, mint a Jakabhegyi Homokkő Formáció recens fáciesanalógiája. In: Baranyai G. Tóth J. (szerk.): Földrajzi Tanulmányok a Pécsi Doktoriskolából V., PTE Pécs, pp. 9-25. 3. LÓCZY D. HALÁSZ A. ÁGÓ F. HÁRSAS P. 2009: Kína fejlődésének természeti korlátja: a víz. In: Tóth J. Wilhelm Z. (szerk): Keleti Horizontunk, Publikon Kiadó, Pécs. pp. 46-60. 4. KONRÁD GY. HALÁSZ A. 2009: Földtani szempontok a környezetvédelemben, Baranyai esettanulmányok. In: Szabó-Kovács B. Tóth J. Wilhelm Z. (szerk): Környezetünk Természeti-Társadalmi dimenziói. Publikon Kiadó, Pécs, pp. 61-78. 5. KONRÁD GY. SZEDERKÉNYI T. KOVÁCS J., VARGA GY. HALÁSZ A. 2009: Gondolatok a környezetföldrajz és a környezetföldtan szerepéről és viszonyáról. In: Fábián Sz. Á. Kovács I. P. (szerk): Az édesvízi mészkövektől a sivatag kérgekig. Publikon Kiadó, Pécs, pp. 81-90 6. KOVÁCS J. HALÁSZ A. KONRÁD GY. POZSÁR V. 2010: A mecseki és villányihegységi díszítőkő-előfordulások földtani helyzete és állékonysági tulajdonságai. In: KOVÁCS I. P. TRÓCSÁNYI A. (szerk): Tér Tálentum Tanítványok. Publikon Kiadó, Pécs, pp. 215-227. 7. KONRÁD GY. KOVÁCS J. HALÁSZ A. SEBE K. PÁLFFY H. 2010: Late Quaternary woolly mammoth (Mammuthus primigenius Blum.) remains from southern Transdanubia, Hungary, Comptes rendus Palevol 9: (1-2) pp. 47-54. 10