FÖLDTANI ÉS HIDRODINAMIKAI MODELLEZÉS ELTÉRŐ SZINTJEINEK LÉTJOGOSULTSÁGA ÉSZAK-KELET MAGYARORSZÁGI RÉGIÓBA ESŐ MINTATERÜLETEK ALAPJÁN GROUNDS OF DIFFERENT LEVELS IN GEOLOGICAL AND HYDRONYNAMIC MODELLING BASED ON RESEARCH AREAS IN THE NORTH-EAST PART OF HUNGARY Bódi Erika 1 Buday Tamás 2 1 PhD hallgató 2 egyetemi tanársegéd Debreceni Egyetem, Ásvány- és Földtani Tanszék 1 bodi.erika@science.unideb.hu Kivonat: A vízkitermelés az Észak-Alföldön alapvetően a pleisztocén és a pannóniai rétegekből történik, melyek a Pannon-tó feltöltődése, majd az alluviális síkság formálódása során rakódtak le a medencebelsőbe n, komplex deltarendszerekben, valamint fluviális, lakusztrikus környezetekben. A fenntartható kitermelés egyik alappillére a gondos tervezés, amelyet törvényileg is előírnak. Az engedélyeztetés során szükséges a földtani viszonyok ismertetése, valamint vízföldtani modell készítése. A hidrodinamikai modellezés alapját a földtani modell képezi, melynek kialakítása jelentős hatással bír a hidrodinamikai modellre. Ugyanakkor arra, hogy miként történjen a rétegsor felosztása (szemléletmód, részletesség) nincsenek előírások. Egy hajdúszoboszlói példán vizsgáltuk meg a három eltérő típusú beosztás geometriáját és az azzal szorosan összefüggő hidrodinamikai modellezés eredményeit, valamint rámutatunk más területeken is a szekvencia-sztratigráfiai szemlélet relevanciájára. Kulcsszavak: földtani modellezés, sztratigráfia, vízkitermelés, vízbázisvédelem Abstract: Water is extracted mainly from Pleistocene and Pannonian aquifers which sediments were deposited in great delta systems during the filling up of the Pannonian Lake and in fluvial and lacustrine facies, as well. Sustainable water extraction is based on careful consideration during planning which is also required by the law. According to legislative regulations geological review and hydrogeological modeling are required. The geological, so-called solid models have significant effects on hydrodynamic models as they are based on the solid models. However, there are no regulations how to build models (approaches, resolution). The present study area is near to Hajdúszoboszló where the three different types of classification led us to different geometric set-ups, consequently to different hydrodynamic parameters. Moreover, we attempted to highlight the relevancy of sequence stratigraphic approach in other research areas. Keywords: geological modeling, stratigraphy, water extraction, water-base protection 1. A MODELLEZÉS SZEREPE A VÍZBÁNYÁSZATBAN A felszín alatti vízkészlet mennyiségi és minőségi paramétereinek megőrzése, illetve javítása szempontjából kulcsfontosságú kérdés a termelés hatására kialakuló áramkép meghatározása, melynek eszköze a hidrodinamikai modellezés. A modellezés a tervezés és a vízbázisvédelem folyamatának első lépése, valamint a 18/1996. (VI. 13.) KHVM rendelet [1] értelmében törvényileg előírt kötelesség is egyben. A modellezés legfontosabb eredménye a termelés szempontjából a rezervoárban történő változások meghatározása a kivett vízmennyiség függvényében, valamint ennek visszahatása a termelésre. Ezeknek a mindennapi életre való hatásai rendszerint csak hosszabb távon jelentkeznek. Ezen túl a védőidom- és védőterületkijelölés szempontjából is fontos a modellezés eredménye, amely viszont szinte azonnal érezhető változásokat, korlátozásokat von maga után. Például védendő vízbázisok meghatározásakor figyelembe kell venni a hazai törvényi előírásokat és az Európai Uniós direktívákat egyaránt, amelyek értelmében a védőterületeken hasznosítási korlátozások lépnek
életbe. Ezek a korlátozások komoly hatással vannak a gazdasági tevékenységekre. Az állapotmegőrzés biztosításán túl tehát gazdasági szereplőket és a lakosságot is közvetlenül érintik a vízbázisvédelmi folyamatok. A hidrodinamikai modellezés alapját földtani modell képezi, azaz a földtani közeg megismerése nélkül hidrodinamikai modell nem készíthető el. Az ebben a fázisban megválasztott szemlélet meghatározó az egész tervezés szempontjából, hiszen a kapott földtani modell, az ún. kőzetvázmodell a hidrodinamikai modell egységeinek geometriáját alapvetően meghatározza, ezzel pedig magát a hidrodinamikai modellezés végeredményét is. Az, hogy milyen eszközökkel, milyen sztratigráfiai beosztást választva készítik el a földtani modellt, a szakemberekre van bízva. Meg kell jegyezni, hogy mindegyik használatos beosztástípusnak van létjogosultsága a vízföldtani modellezésben, ugyanakkor azt, hogy milyen esetekben melyik lenne célravezetőbb, érdemes részletesen kutatni. 2. A FÖLDTANI MODELLEZÉS MINT A HIDRODINAMIKAI MODELL ALAPJA A földtani modellezés során hidrodinamikai modellezési rétegeket jelölünk ki és meghatározzuk azok geometriáját. A földtani modell alapját képezheti litológiai illetve szekvencia sztratigráfiai felosztás, továbbá regionális modellek esetében formáció alapú hidrosztratigráfiai egységek is kijelölhetők. Litológiai felosztás során az azonos litotípusba tartozó egységeket keressük. Szekvenciasztratigráfiai felosztás alkalmával azokat a szingenetikus üledékes egységeket jelöljük ki, amelyek leülepedésének ideje ugyanabba a ciklusba esik [2]. Formáció alapú felosztás esetében pedig a Magyar Rétegtani Bizottság által meghatározott földtani formációk közül használjuk a területen azonosítottakat, mint modellezési egységeket. A sekélyebb rezervoárok sztratigráfiai modellezésénél többnyire csak fúrási adatokra támaszkodva készülnek a modellek, viszont mélyebb rezervoárok esetében az adatbázis szeizmikus szelvények adatival is bővülhet. Az adatbázis összeállítása időigényes folyamat, mivel a legtöbb fúrásszelvény analóg módon került rögzítésre, ahhoz viszont, hogy számítógépes modellezés alapját képezzék, be kell digitalizálni a kívánt karotázsgörbéket (SP, TG, látszólagos fajlagos ellenállás, porozitás görbék) [3]. 2.1. Litosztratigráfiai felosztás Litológiai felosztás során az azonos vízföldtani tulajdonságú összleteket határoljuk le, például homok, agyag, agyagos homok, homokos agyag, kavics, stb. Ez a felosztás geofizikai görbék lefutásából vagy kellően részletes furadék- ill. magleírásból megállapítható. Agyagos réteg esetében a látszólagos fajlagos ellenállás értékek alacsonyak, míg a spontán potenciál görbén kiugrásokat észlelünk. A jó vízadó képességekkel jellemezhető rétegek esetében, vagyis homoktartalmú rétegeknél ez pont fordítva van. Általánosan elmondható, hogy a homoktartalmú rétegek vízadó jellegűek, az agyagosak pedig vízzáróak. Amennyiben a terület általános geometriája azaz a lejtésviszonyok, tektonikai elemek nem ismertek, akkor általában feltételezzük a vízszintes települést, melynek realitása a litológia alapján nem ítélhető meg egzaktul. Ilyen részletes felosztás esetén, amikor a kijelölt rétegek dm-es nagyságrendűek lehetnek, kisebb szintkülönbségek mellett is előfordulhat, hogy a korreláció során nem ugyanannak a homokrétegnek a testeit harántolta két, egymástól nem távol mélyült fúrás azonos tengerszint feletti magasságon. Ilyen esetben sem elvi, sem gyakorlati szempontból nem szerencsés egy egységként megjelölni őket, hiszen azok két különálló homokréteg, amelyek közé esetlegesen betelepült vízzáró agyagrétegek jelentősen módosítanak az áramlási viszonyokon.
Ilyen esetben a pontosabb réteg-meghatározást segítheti a görbék alakja, hiszen nem csupán a különféle litotípusokra lehet belőlük következtetni, hanem sok esetben az azonos genetikájú és egy időben lerakódott üledékek is összeköthetők, mivel bizonyos fáciesek jellegzetes görbealakkal bírnak (ez az ún. elektrofáciesanalízis). A fúrási adatokból felépülő adatbázis ugyan vertikálisan sok adatot szolgáltat, de csak pontszerű helyekről. Két fúrás közt húzódó, de nem harántolt, tehát ily módon fel nem tárt szerkezeti elemekről (vető, esetleg gyűrődés), vagy lencseszerű betelepülésekről nincs információnk. Ilyen értelemben tehát kijelenthető, hogy a csak fúrási adatbázisra épülő litológiai felosztású modellekben nem jeleníthető meg a legtöbb szerkezeti elem és bizonyos rétegzéstípusok sem. A medenceperemi kivékonyodások és kiékelődések is nehezen térképezhetők fel ennyire részletes felosztásban, továbbá az sem segíti ezek azonosítását, hogy ez a szemléletmód az üledékképződés dinamikáját nem veszi figyelembe. 2.2. Szekvenciasztratigráfiai felosztás A szekvenciasztratigráfia a szeizmikus szekvenciasztratigráfiából nőtte ki magát a modern medenceanalízis egyik eszközévé. Mind a szénhidrogén-kutatás, mind a vízbáziskutatás szempontjából nagy előrelépést jelentett a pusztán litológiai értelemzésre alapuló koncepciókhoz képest. A szeizmikus szelvényeken elkülöníthető reflexiós kötegek és a fáciestani egységek között értelmezhető kapcsolat van. Megállapították, hogy bizonyos reflexiós felületek izokronnak tekinthetők és általuk az üledékfelhalmozódás menete rekonstruálható. Szekvencia alatt azokat a szingenetikus üledékes egységeket értjük, amelyek kronosztratigráfiailag is összetartoznak, diszkordáns vagy azoknak megfelelő konkordáns felületek határolják (sequence boundary, SB). A szekvenciák elhatárolása a diszkordanicafelületek azonosítása, azaz a relfexiók elvégződéseinek megkeresésével indul. A felső részeken toplap, vagy ritkábban csonkolás, (truncation) jelentkezik, míg az alsó részeken onlap vagy downlap jelölik az elvégződéseket. Második lépésként az üledékes rendszeregységek (systems tracts, ST) azonosítása zajlik [4]. Harmadik lépésként a paraszekvenciák térképezése történik, azaz a rendszerint nagy amplitúdójú, folytonos és jól követhető szigmoid reflexiók kijelölése. A szekvenciasztratigráfiai alapú földtani modell készítése jóval több alapadatot és egyben fáciestani/genetikai szemléletmódot is igényel és elkészítése jóval hosszabb időt vesz igénybe. Modellezési szempontból viszont előnyös, mivel a nem horizontális rétegzések, a tektonikai zavarok, a kiékelődések, lencseszerű betelepülések is térképezhetőek és beilleszthetőek a modellbe. Az egyes rétegek települési viszonyairól tehát pontosabb képet kapunk, ezáltal a modellünk is jobban megfelel a valódi viszonyoknak. 2.3. Formáció alapú sztratigráfiai felosztás A formáció alapú sztratigráfiai beosztás során a hidrosztratigráfiai modellezési egységeket a területen térképezett formációk adják. Regionális modellezéskor szokás ezt a fajta sztratigráfiai beosztást használni, hiszen átlátható, jól értelmezhető egységeket jelenít meg. A formáció alapú modellfelosztás a terület általános geometriai viszonyairól jó képet ad. Mivel a formáció litológiailag nem mondható homogénnek, valamint túl kicsi az ilyen modellek felbontása, ezért amint helyi szintű tervezésről van szó, már részletesebb felbontású modellre van szükség.
100 m 3. AZ ELTÉRŐ FÖLDTANI MODELLEKEN ALAPULÓ HIDRODINAMIKAI MODELLEK ÖSSZEHASONLÍTÁSA Az eltérő modellezési beosztás hatását a vízbázisvédelmi területre egy Hajdúszoboszló és Debrecen között mélyült fúrás valós rétegsora alapján mutatjuk be. A vizsgált rezervoár a deltafront fáciesben lerakódott felső-pannóniai homokkő (Újfalui Homokkő Formáció). A vizsgált rétegek felett felső-pleisztocén, középső-pleisztocén, alsó-pleisztocén üledékek, valamint a szárazföldi fluviális és fluviolakusztrikus összletek, valamint a deltasík fluviális üledékei találhatók, míg alatta az Algyői Formáció deltalejtő fáciesben lerakódott agyagösszletei [5]. Korábbi kutatások [6,7] alapján egyértelművé vált, hogy a területen a deltafront és deltalejtő fáciesek a relatív tengerszint-ingadozásnak köszönhetően többször váltják egymást. Ennek következtében a felső-pannóniai üledékek nem egységesek, az egyes képződési fáciesek nehezen különíthetők el egymástól. A vizsgálati területen jó felbontású karotázskorrelációs szelvényeken a görbealakok lefutásának mintázata több fúráson keresztül követhető [8], melyet szeizmikus szelvények is megerősítenek. Egy nagyobb egységen, például formáción belül elkülöníthetők az egyes üledékes szekvenciák és az azokon belüli homokos, valamint agyagos paraszekvenciák (1. ábra). 1. ábra Mélyfúrások karotázskorrelációs szelvényének részlete, az Újfalui Homokkő Formáció homoktestjeinek beosztásával [8] A három eltérő szemléletnek megfelelően a deltafronton lerakódott üledékeket litológia, szekvencia-sztartigráfia alapján tovább osztottuk, így vertikálisan 3 különböző felbontású modellt kaptunk (2. ábra). Az 1. modell litológiai alapú, 12 rétegű, a szűrőzött rész a 9. és 11. modellrétegben található. A 2. modell sztratigráfiai alapú, 10 rétegű, a szűrőzött modell réteg a 9. A formáció alapú modell 8 rétegű, a víztermelés a 7. rétegből történik. A három permanens hidrodinamikai modell mérete azonos, 15 16 km nagyságú, a cellák 200 m 200 m-esek, a modell középső részén 100 m-re sűrítettek. A rétegek határfelülete vízszintes. A kezdeti nyugalmi vízszint 100 m. A szivárgási tényezőket az egyes rétegekre a karotázsgörbék értéke és lefutása segítségével határoztuk meg. A kivett vízmennyiség 570 l/perc. A litológiai alapú modell esetén mindkét szűrőzött szintben a 10 cm-es depresszióhoz tartozó sugár megközelítőleg 4,8 km, a kutak gridjeiben a depresszió nagyobb, mint 1 m. Az 50 éves elérési időhöz tartozó védőidom sugara 600 m. A sztratigráfiai alapú modellben a depressziós tölcsér az előzőhöz képest jelentősebb, a 10 cm-es vízszintcsökkenés sugara közel 5,5 km, a kutak gridjében a depresszió 1,3 m, míg az 50 éves elérési időhöz tartozó sugár 450 m. A
formáció alapú modellben a 10 cm-es depresszióhoz tartozó sugár 1,2 km, a kutak gridjében a depresszió 0,25 cm, míg az 50 éves elérési időhöz tartozó sugár kb. 150 m. A fentiekből látszik, hogy a felbontás finomodása nagyobb depressziót és hatásterületet jelent, ami jól behatárolható (laterálisan nagy kiterjedésű, vízzárónak tekinthető fedővel és feküvel határolt) vízadó rétegek esetén a valósághoz legjobban közelítő kimeneti paramétereloszlást jelent. 2. ábra Az Ebes-9 mélyfúrás karotázsgörbéi alapján meghatározott különböző hidrosztratigráfiai modellegységek 4. FOLYÓVÍZI KÖRNYEZETEK SZEKVENCIASZTRATIGRÁFIAI ÉRTELMEZÉSÉNEK SZEREPE A HIDRODINAMIKAI MODELLEZÉSBEN A folyóvízi környezetek esetében egyszerre lehet jelen a hordalék lerakása, illetőleg a lerakott üledékek eróziója, így a felszínfejlődéstől függően meglehetősen összetett környezetek jöhetnek létre. A szekvenciasztratigráfiai értelmezés ezekben az esetekben nem csak az egyidőben keletkezett homoktestek potenciális horizontális összekapcsoltságát, hanem a bevágódások miatt kialakult vertikális kapcsolatokat is ki tudja mutatni. Az alsó-pleisztocén rétegek helyes földtani értelmezése azért különösen fontos, mert az alföldi ivóvízellátás jelentős része ezekből a rezervoárokból történik. Korábbi szekvenciasztratigráfiai kutatások [9] a Nyírség legnagyobb vízbázisait földtani szempontból feldolgozták, jelen tanulmány csak a különböző területek földtani felépítésének hidrodinamikai modellezésben jelentkező eltéréseit mutatja be két példán keresztül. A Nyírség kvarter rétegsorának centrális részét Levelek környéki fúrások nyugat-kelet csapásirányú karotázskorrelációs szelvénye segítségével jellemezzük (3. ábra). A nagy
felbontású fáciesanalízisnek köszönhetően az egyes szekvenciasztratigráfiai rendszeregységek azonosításra és ábrázolásra kerültek. A települési viszonyok közel vízszintesek, völgykitöltő üledékek, teraszképződés nem jellemző. Homokos, kavicsos betelepülések inkább az erózióval egyből a pliocénre települő transzlációs zátonyfejlődéssel jellemezhető TDST_1, valamint a TDST_2 egyes részein jelentkeznek. A legvastagabb egység (LDST_2) fluviolakusztrikus környezetben lerakódott homokjai és az azok közti vékonyabb agyagos rétegek lényegében egy delta sorozat síkparti fáciesének anyagai [9]. A rétegsor felső részén zátonytest homokok (TDST_3) valamint ártéri képződmények (expanziós zátonyképződés és kapcsolódó fluviális üledékek, EDST_3) jelennek meg korlátozott kiterjedésben. A fedőben jelentős vastagságú késő-pleisztocén futóhomok található. A területen a homoktestek viszonylag könnyen összeköthetők, a szekvenciasztratigráfiai határfelületek a modellezési terület széléig kifutnak, a litológiai egységek határfelületei ugyanakkor nem. Ennek ellenére a termelés hatására síkradiális áramlás kialakulása feltételezhető, azaz a litológiai modell nagy valószínűséggel pontosan tudja leírni az áramlást. 3. ábra A leveleki vízbázist bemutató karotázskorrelációs szelvény [9] A nyírteleki vízbázis esetében jelentős völgybevágódások mutathatók ki, azaz a TD rendszeregységek üledékeit lerakó folyók az ED rendszeregységeket egyes helyeken azok feküjéig erodálták (4. ábra), melynek oka, hogy az erózióbázis észak felé mélyült. Az egykori teraszképződés következménye, hogy Gávavencsellő térségében már két TD egység hosszasan összemetsz, sőt a Gávavencsellő k-20-as fúrás közel 100 méteren keresztül harántol különböző TD rendszeregységekbe tartozó homoktesteket. Ennek következtében közvetlen hidrogeológiai
kommunikáció áll fent az egyes vízadó egységek között. A szekvenciasztratigráfiai és a litológiai egységek kiékelődnek a területen, a kitermelés hatására nemcsak síkradiális áramlás alakul ki. A kiékelődéseket a legtöbb hidrodinamikai modellezőprogram nem tudja kezelni, így a földtani modellrétegek nem használhatók közvetlenül a hidrodinamikai modell rétegeiként, az átalakítás a szekvenciasztratigráfiai modellek esetén egyszerűbb és valóságot jobban leíró. 4. ábra A Nyírteleki vízbázist bemutató D-É csapásirányú karotázskorrelációs szelvény [9] 5. KONKLÚZIÓ Ugyanarra a területre ugyanazon adatok felhasználásával (fúrási geofizikai szelvények, szeizmikus szelvények) eltérő szemlélettel többféle modellt is lehet készíteni. Bár minden modellezési feladat más és más, de bizonyos modellezési feladatoknál megadható, hogy melyik szemléletmód alkalmazása a célravezetőbb. A feltételek egy része a földtani adottságoktól, míg más a kitermelés paramétereitől (pl. a szűrők számától és elhelyezkedésétől), a modellező szemléletétől, a modellezésre szánt pénztől és időtől függ. Azon földtani környezetekben, ahol az eltérő szemléletmódú földtani modellek jelentősen különböznek, az adott kitermeléshez tartozó számított utánpótolódási irányok és elérési idők jelentősen eltérhetnek. Ennek következtében a földtani modell közvetlen hatással van a vízbázisvédelemre és a jogszabályi környezetnek megfelelően a kitermelés paramétereire vagy a területhasználatra is. 6. FELHASZNÁLT IRODALOM
[1] 18/1996. (VI. 13.) KHVM rendelet a vízjogi engedélyezési eljáráshoz szükséges kérelemről és mellékleteiről [2] VAKARCS, G., TARI, G., A szeizmikus és a szekvencia sztratigráfia alapjai, 1993., Magyar Geofizika, 34. évf. Különszáma, pp. 1-34. [3] BUDAY, T., PÜSPÖKI, Z., KOVÁCS, ZS., BÓDI, E., FEKETE, CS., Geotermikus modellezés térinformatikai követelményei egy létavértesi project alapján., in: Lóki J. (szerk.): Az elmélet és a gyakorlat találkozása a térinformatikában II., Debrecen, 2011. május 19 20., pp. 397-404. [4] VAKARCS, G., TARI, G., A Derecskei-árok környezetének szeizmosztratigráfiai modellje, Magyar Geofizika 32. évf., 1-2. szám, 1991, pp. 38-50. [5] JUHÁSZ GY., A pannóniai (s.l.) formációk téképezése az Alföldön: elterjedés, fácies és üledékes környezet, Földtani Közlöny, 1992, 122, pp. 133-165. [6] JUHÁSZ GY., Relatív vízszintingadozások rétegtani-szedimentológiai bizonyítékai az Alföld pannóniai s.l. üledékösszletében, Földtani Közlöny, 1993, 123, pp. 379-398. [7] KOZÁK M., MCINTOSH R. W., BUDAY T. (szerk.), Geotermikus rendszerek fenntarthatóságának integrált modellezése Vol. 3. Hidrogeotermikus rendszerek és földtani vetületeik, Debreceni Egyetem, Debrecen, 2010, p. 140. [8] BUDAY, T., PÜSPÖKI, Z., Facies Variations Detected by Well Log Correlation in a Geothermal Reservoir (Újfalu Formation) around Debrecen, Hungary, 6 th Congress of Balkan Geophysical Society - Budapest, Hungary, 3-6 October 2011, p. 5. [9] DEMETER, G., PÜSPÖKI, Z., LAZÁNYI, J., BUDAY, T. (szerk.), Szekvencia-sztratigráfiai alapú földtani kutatás Nyíregyháza-Szatmárnémeti térségében, Dominium Könyvkiadó, Debrecen, 2010, p. 287.