3D szerkezetmodellezés geofizikai szelvények alapján Máza-Dél Váralja-Dél területén térinformatikai szoftverekkel Kovács Zsolt 1 - Kovács Zoltán 2 1 II. Geográfus (MSc) hallgató, DE-TTK Ásvány- és Földtani Tanszék, kovaku@gmail.com; 2 II. Geográfus (MSc) hallgató, DE-TTK Ásvány- és Földtani Tanszék, kovacszoli88.geo@gmail.com Abstract: This article presents 3D vector-geometric modelling of a structurally complicated area with the help of GIS software. It introduces the data preparation process and the difficulty of the adjusting different measurement units (TWT-meter) and then it outlines a reasonable modelling process. The most important reconstructed structural elements are the primary formed anticline with N-S axis and southward dipping and the four subsequently formed north verged thrust ups. Based on laboratory experiments the oldest thrust up is the most elevated and the younger and deeper thrust ups are the results of subsequent compression forces. The structural development is dated back to Cretaceous-Paleogen, although the thrust ups might have been partially renewed in the Miocene. The formed model cannot been use for mine planning, because a scale velocity model is needed for the TWT/meter transformation. Bevezetés A Kelet-Mecsek északi részének földtani kutatása, amelyek célja elsősorban a Mecseki Kőszén Formáció települési és szerkezeti viszonyainak, valamint készleteinek a megismerése, közel 150 éves múltra tekint vissza (1. ábra). A kutatások egyik fő színtere a Máza és Váralja területétől délre elhelyezkedő Máza-Dél Váralja-Dél szénkutatási terület. A terület több szakaszban került megkutatásra (WEIN GY. 1962, NÉMEDI- VARGA Z. et al. 1979, SZILÁGYI T. et al. 1985), az eredmények végső összefoglalását és az adatok újraértékelését a Debreceni Egyetem Ásvány- és Földtani Tanszéke végezte. Az újraértékelés egységes digitális adatbázisba rendezett mélyfúrási adatokon (litológia, paleontológia, laboratóriumi adatok, mélyfúrási geofizika) ezek szeizmikus szelvényekkel történő illesztésén, valamint nagyfelbontású karotázskorreláción alapult. A területen tervezett mélyművelés műszaki lehetőségeinek megítélése indokolja a további kutatást, az eddigi ismeretek pontosítását, s a 3D modellezési technika lehetőségeinek integrálását a földtani kutatásba. E modellezési folyamat első lépése egy koherens szerkezeti kép kialakítása, amely a továbbiakban készülő rétegtani modell keretéül szolgál. Egy szerkezetileg bonyolult felépítésű terület 3D modellezéséhez vektorgeometriai alapú 3D térinformatikai szoftver szükséges. Ennek az elvárásnak kiválóan megfelel a Gocad, melynek egyik európai oktatási
referenciahelye a németországi Freibergi Bányászati Akadémia, ahol a szerzőknek az Erasmus program támogatásával lehetősége volt a modellezési technika elsajátítására, valamint a modell megépítésére. 1.ábra Kelet-Mecsek földtani térképe a kutatási területtel A terület modellezési szempontból releváns rétegtani és szerkezeti adottságai A területet felépítését több kutatási fázisban ismerték meg, amelyek során összesen mintegy 60 mélyfúrás és számos más geofizikai mérés mellett 20 szeizmikus szelvény készült (2. ábra). Az újraértékelés során a Mecseki Kőszén Formációt négy üledékes ciklusra, ún.. szeizmikusan térképezhető szekvenciára osztottuk. E szekvenciák alsó szakaszát szénbetelepülésekkel jellemezhető transzgressziós aleurolit sorozat alkotja, felső részét a rendszerint gyors ütemű progradációhoz kapcsolódó homokkő teszi ki. A transzgressziós szakaszok elemi ciklusait (paraszekvenciáit) széntelep zárják, a területen összesen 24 rétegtanilag elkülöníthető telepet azonosítottunk. A szerkezeti felépítést illetően már a kutatások kezdetén nyilvánvalóvá vált a terület bonyolult felépítése (WEIN GY. 1962). A területen elhelyezkedő alsójura (Hettangi) Mecseki Kőszén Formáció széntelepes összletet, valamint a feküt alkotó felsőtriász Karolinavölgyi Formáció és a fedőben települő jura Vasasi Márga rétegsorát erős szerkezeti
hatások érték. A szerkezetet plasztikus deformáció és töréses tektonika egyaránt jellemzi. A Mecseki Kőszén Formáció lerakódását követő kréta szerkezeti mozgások déli irányban dőlő periantiklinális szerkezetet hoztak létre, majd É-ÉK-i irányban pikkelytakaró szerűen többszörösen egymásra is tolták a rétegsort. A feltolódásokkal (forethrust) egyidejűleg kialakult az ellenkező irányú visszapikkelyeződések (backthrust) rendszere is, melyek feltolódásai gyakoribbak, ugyanakkor kisebb kiterjedésűek és a feltolódások mértéke is alárendelt. A területen normálvetők és a kompressziós térre utaló feltolódások ugyancsak kialakultak. 2. ábra A terület fúrási és szeizmikus szelvényei A modellezés alapjául szolgáló adatok Az újraértékelés során, az addig papíralapú fúrási adatbázis digitalizálásra került. A mélyfúrási adatbázist Microsoft Access adatbázisban tároltuk, amiben szerepelt a fúrások koordinátája, litológiai, karotázs adatai, rétegtani beosztása, valamint a harántolt széntelepek valamennyi laboratóriumi vizsgálati eredménye. A szeizmikus szelvények egy része raszteres képfájlok, más része SEG-Y típusú fájlok formájában állt rendelkezésünkre. A szeizmikus szelvényeket létrehozó szeizmikus mérések, a földrengéshullámok terjedésén és visszaverődésén alapulnak. A mesterségesen keltett rengéshullámok, a kőzetre jellemző sebességgel terjednek lefelé a földtani közegben. Az eltérő terjedési sebességű kőzetek határára érve e hullámok megtörnek, ill. a Snellius-Decartes törvénynek megfelelően visszaverődnek. A visszaverődő hullám érkezését rögzítik és az indulásától eltelt időt regisztrálják. A szeizmikus reflexiókat bemutató
szelvények függőleges tengelye ennek megfelelően nem a reflektáló felületek méterben megadott mélységét ábrázolja, hanem az indulás és beérkezés között eltelt behatolási és visszaérkezési idő együttesét az ún. kétutas időt (Two-Way-Traveltime TWT). Megfigyeléseink szerint az általunk vizsgált szeizmikus szelvényeken a széntelepes rétegsor négy üledékes ciklusának homokkő-aleurolit határa kellően nagy minőségi változást jelent ahhoz, hogy erős és folyamatos reflexióként jelennek meg a szelvényen. A szerkezeti elemek azonosítása ennél nehezebb, hiszen ezek nem jelennek meg reflexióként, hanem éppen azok tendenciózus megszakadását okozzák. E zavarok, és velük társuló, a frikciós anyag jelenlétére utaló, rendszerint jelszegény zónák jelzik a szerkezeti elemek helyét. A feldolgozás menete Munkánk során az első feladatunk az adatok illesztésének megoldása volt, mivel a fent leírtaknak megfelelően a mélyfúrási adatok méterben, a szeizmikus szelvények reflexiós adatai TWT milliszekundumban álltak rendelkezésre. A TWT átszámítása méterbe feltételezi a hullámterjedési sebesség ismeretét a földtani közeg mindenegyes pontján, ami természetesen nem lehetséges. A terjedési sebesség nem irható le lineáris összefüggéssel, hiszen elsősorban a kőzet sűrűségtől függ, amely a kőzet típusa és települési mélysége szerint egyaránt változik. Jóllehet létezik a szeizmikus szelvények algoritmizált geofizikai mélységtranszformációs eljárása, a földtani megismerés kezdeti szakaszában, költséghatékonysági megfontolásokból rendszerint a mélyfúrások méterben megadott adatainak TWT-be történő átszámítása révén végzik az illesztéseket. Ezt a gyakorlatot követve a mi modellünk z tengelyén is TWT szerepel. A fúrások mélységének átszámításához a szeizmikus szelvényeken megadott idő/sebesség összefüggést használtuk. Ezekre az adatokra Microsoft Excel segítségével görbét illesztettünk, ami alapján megkaptunk a fúrásokhoz rendelhető elméleti sebességfüggvényt. Ezt a sebességfüggvényt minden a modellbe beillesztett fúrásra elkészítettük. Microsoft Access szoftverrel az adatbázisban lekérdezések segítségével a sebességfüggvények alapján kifejeztük a mélység adatokat TWT-ben. A mélyfúrások TWT-ben kifejezett szekvenciabeosztását Geoplot szoftverrel rajzoltattuk ki Integraph SmartSketch szoftverben. Szerkesztések után az elkészült fúrásokat képfájlként exportáltuk. A szeizmikus szelvények adatait CorelDraw szoftverben jelenítettük meg, s illesztettük rájuk a már elkészült fúrásokat. Minden olyan fúrást szelvénybe vetítetünk, ami a szelvény csapásvonalának 100 m-es körzetébe
esett, de a meredek rétegdőlések következtében a vetítés eredményessége erősen függ a vetítés irányától is. Csapásirányú vetítés esetén kisebb eltérések várhatók, mint dőlésirányú vetítés esetén, ahol a meredek dőlések miatt gyorsan változik a szerkezet. A bevetített fúrások szekvencia adatai meggyőzően illeszkedtek a szeizmikus szelvények reflexióihoz, az Mecseki Kőszén Formációban átlagosan 4-5 szeizmikus reflexió jelentkezik. Az formáció reflexiói erősek, de intenzitásukban nem különülnek el a fekü és fedő formációkétól, így a szelvények értelmezéséhez elengedhetetlen volt a fúrások bevetítése. 3. ábra A Si-8 csapásirányú szeizmikus szelvény eredeti és értelmezet képe
A szelvények földtani értelmezését a dőlésirányú szelvényeken kezdtük, majd a csapásirányú szelvényekkel folytattuk. Elsőként azonosítottuk a szerkezeti elemeket, majd egyeztettük a szelvénykereszteződésnél. Ezt követte a formáció- és szekvenciahatárok azonosítása (3. ábra). Az értelmezett szelvényeket képformátumban mentettük, ezek jelentették a Gocad bemeneti adatait. Az értelmezett szeizmikus szelvények képeit és szelvények nyomvonalait betöltöttük a Gocad-be. A szeizmikus szelvényeket sarokpontjaik alapján georeferáltuk, majd a szelvénynyomvonalakból készült felületre (amit egy paravánhoz hasonlíthatunk) rávetítettük a szeizmikus szelvények képét. Ezt követően megkezdtük az azonosított szerkezeti elemek vonalainak digitalizálását 3D-ben. A létrejött vonal objektumokra a Gocad DSI interpolációs eljárása segítségével illesztettünk felületeket (4. ábra). Az elkészült elemeket a földtani fejlődéstörténet logikai ismeretében, a szerkezeti elemek sorrendiségének megfelelően metszettük el egymással. Végül a teljes szerkezeti modellt lefejeztük a diszkordánsan települő miocén fedő feküfelszínével (letarolási felszín). Eredmények A kialakított modell legfontosabb szerkezeti elemei között a legkorábban létrejött gyűrt elem az É-D i tengelyű, dél felé dőlő antiklinális szerkezet (5. ábra), az ezt követő töréses tektonikai elemek közül legszembetűnőbb négy északi vergenciájú feltolódás. A meglévő kísérleti modellek alapján (ELLIS et al. 2004) legidősebb feltolódásnak a legfelsőbb helyzetű tekinthető, ezt követően a további kompresszió során jöttek létre az alsóbb helyzetű feltolódások. 4. ábra A georeferált szeizmikus szelvények és az elkészült szerkezeti elemek
A szerkezetfejlődés kora mind a gyűrt, mind a töréses feltolódásokat illetően feltehetően kréta paleogén, noha a feltolódások miocén szerkezetalakuláshoz köthető, legalább részleges felújulására lehet számítani. 5. ábra A szeizmikus szelvények alapján kialakult triász antiklinális felszín Tovább lépési célok A elkészült szerkezetei modellünk jól bemutatja a terület szerkezetföldtani felépítést, de műszaki tervezésre nem használható, amíg nem megoldott a TWT/méter transzformáció. Ehhez a transzformációhoz szükséges egy egész területre kiterjedő sebességmodell elkészítése, amely modellezet tér minden pontjához egy egyedi hullámterjedési sebességet rendel. A másik nagy kihívás a modellezés során, hogy az adatbázis műveleteken kívül, minden más munkafázist 3D-ben tudjunk elvégezni. Ezzel a módszerváltással egyszerűbb és hatékonyabb válna a munkák, leegyszerűsödnének az utólagos javítási műveletek. Irodalom ELLIS, S., SCHREURS, G., PANIEN, M., (2004). Comparison between analogue and numerical models of thrust wedge development. Journ. of Structural Gology 26., 1659-1675. NÉMEDI VARGA, Z. et al., (1979). Máza-Dél Váralja-Dél -i feketekőszénterület földtani kutatási jelentése NME Földtan-Teleptani Tsz., Szm. 263-V- 20/1978. sz. kutatási-fejlesztési munka. I-VIII kötet. Miskolc, KFH Adattár
SZILÁGYI, T. et al., (1985). Összefoglaló jelentés a Máza-Dél Váralja-Dél feketekőszén terület felderítő fázisú kutatásáról és készletszámításáról WEIN, GY., (1962). A Máza-déli feketekőszénterület (Mecsek-hegység) földtani felépítése Bányászati Lapok 10. pp. 655-662.