Warunki termiczne masywu skalnego w północno-zachodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego a możliwości generowania węglowodorów

• Autorzy: Probierz K. , Lewandowska M.

Warianty tytułu

EN

Thermal condition of rock massif in north-western part of Upper Silesian Coal Basin and possibility of hydrocarbon generation

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przedstawiono związek warunków cieplnych, zarówno współczesnych jak i paleotermicznych, masywu skalnego NW części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego (GZW) z uwęgleniem materii organicznej i możliwościami wydzielania się, zależnie od stopnia metamorfizmu, węglowodorów towarzyszących pokładom węgla. Obszar badań zlokalizowany jest w północno-zachodniej części GZW, w obrębie dwóch głównych stref tektonicznych, tj. strefy fałdowej i strefy dysjunktywnej. Charakterystyki współczesnych warunków cieplnych masywu skalnego dokonano na podstawie obliczeń pierwotnej temperatury skał oraz gęstości ziemskiego strumienia w profilach otworów wiertniczych, uwzględniając oznaczone laboratoryjnie wartości współczynnika przewodnictwa ciepła [lambda]. Odtworzono warunki paleotermiczne masywu skalnego przez szacowanie wartości paleotemperatur według Bosticka oraz dla porównania metodą Barkera i Pawlewicza. Wartości pierwotnej temperatury skał zmieniają się w szerokim zakresie od 8,1-27,2°C na powierzchni stropowej utworów karbonu do 34,9-37,6°C w skałach poziomu -700 m. Natężenie ziemskiego strumienia ciepła przyjmuje wartości z zakresu 52,3-77,6 x 10-3 W/m2. Analiza zgodności przebiegu izolinii uwęglenia-refleksyjności witrynitu i ułożenia pokładów sugeruje, że proces uwęglania miał charakter synorogeniczny (lub pre- i postorogeniczny). Preoro-geniczny charakter uwęglenia powinno wiązać się z pogrążeniem i paleogradientem geotermicznym, postorogeniczny zaś ma prawdopodobnie związek z „dowęgleniem" związanym z ciepłem wulkanitów stwierdzanych na obszarze od Kaczyc, poprzez Jastrzębie do Sośnicy. Badania historii termicznej tej części GZW wskazują na wysokie prawdopodobieństwo wystąpienia głównej fazy uwęglenia — metamorfizmu substancji organicznej u schyłku karbonu (po westfalu D przed permem). Określono tzw. efektywny czas grzania EHT = 20 mln. lat. Na podstawie gradientów uwęglenia, oszacowano miąższość zerodowanych warstw karbońskich na co najmniej 700 m. Najwyższe wartości paleotemperatur wykazano w rejonie północnym (KWK Gliwice) 135-179°C wg Bosticka lub 136-220°C według Barkera i Pawlewicza, najniższe zaś w rejonie północno-wschodnim (ZWSM Jadwiga) odpowiednio 129-142°C lub 127-147°C. W rejonie północno-wschodnim stopień uwęglenia materii organicznej (Ro = 0,81-0,95%) wskazuje na obecność fazy generowania ropy i początek głównej fazy generowania gazu — CH4. Brak szczelnej pokrywy skał nadkładu przyczynił się zapewne do migracji (ucieczki) gazów, o czym świadczy zasiąg tzw. strefy naturalnego odgazowania dochodzącej w tej części obszaru badań do ponad 1000 m głębokości. W rejonie północnym w obszarze KWK Gliwice stopień uwąglenia materii organicznej (Ro -= 0,87-1,68%) jest najwyższy i świadczy o obecności głównej fazy generowania gazu. Brak szczelnego nadkładu również umożliwił odgazowanie do poziomu 950 m. W obszarze KWK Sośnica obecność skał wulkanicznych utrudnia prześledzenie paleogradientów. Stopień uwąglenia materii organicznej (Ro = 0,96-0,98%) odpowiada głównej fazie generowania ropy i początkowi głównej fazy generowania gazu. Nie wykluczone, że obecność szczelnego nadkładu mogła spowodować w profilu pionowym występowanie dwóch stref wysokich ciśnień gazu, jak to opisano w pracy J. Tarnowskiego. W rejonie południowym jedynie najwyższe wartości stopnia uwąglenia (Ro = 0,78-1,02%) dorównują stwierdzonym w rejonie północno-wschodnim i sąsiadującego rejonu KWK Sośnica, materia organiczna zaś znajduje się w fazie generowania ropy i początkach głównej fazy generowania gazu. Strefowość zmian składu węglowodorów z głębokością, nie odpowiadająca możliwości rozkładu wynikającego z generacji gazów w procesie uwęglenia, może być podobna jak w innych częściach GZW. Można wyrazić pogląd o odpływie gazu autochtonicznego we wszystkich rejonach obszaru badań. W rejonach gdzie brak jest nieprzepuszczalnego nadkładu strefa degazacji złoża dochodzi do ponad 1000 m głębokości i tylko poniżej tej strefy mogłyby się znajdować termokatalityczne gazy autochtoniczne. W rejonach gdzie występuje szczelny nadkład (KWK Sośnica, Knurów i Szczygłowice) obserwuje się wielostrefowy rozkład gazonośności i występuje możliwość akumulacji gazów w partiach przystropowych utworów karbońskich.

EN

The paper presents a relationship between thermal conditions, both contemporary and paleothermic, of a rock massif NW part of the Upper Silesian Coal Basin (USCB). Coal- organic matter and possibilities of hydrocarbons generation depending on rank of metamorphism, which accompany to coal seams (Fig. 1) were also shown. The study area is situated in the north — western part of USCB, within two main tectonic zones, i.e. fold tectonics zone and disjunctive zone (Fig. 2). Overburden (Quaternary, Miocene, Triassic) and Carboniferous (Westfalian A — Namurian A) in litostratigraphic profile of the study area were distinguished. Profile of a basement, mainly lower Carboniferous, is known only from adjoining areas. Differentiation in geological structure of the study area allowed separating three regions. Characterization of contemporary thermal conditions of a rock massif was performed on the basis of estimation of original temperatures of rocks and density of a heat flow in profiles of wells (formula 1-4). Laboratory determination of thermal conduction coefficient [lambda] was taking into consideration (Table 1). palcothermic conditions of rock massif was reconstructed by estimation of paleotemperature values according to Bostick (Fig. 3) and by Barker and Pawlewicz's method, for comparison. Values of original temperatures of rocks change within the range from 8,1-27,2°C on the roof of Carboniferous to 34,9-37,6°C on the level -700 m (Fig. 4). Analysis of distribution of temperatures on maps and sections (Fig. 5) and values of geothcrmal gradients (Table 2) proves differentiation of thermal conditions in each parts of the study area. Intensity of heat flow expressed by values of superficial coefficient of heat density assumes values from 52,3 to 77,6. 10-3 W/m2 (Fig. 6) and in opposition to distribution of temperatures, does not show a distinct increase of values with the increase of depth. Conformity analysis of rank course — vitrinite reflectance and deposition of strata isolines (Fig. 7, 8) hints that coalification process had synorogenic character (or pre- and postorogenic). Preorogenic character of coalifieation process should be connected with burialing and geothermal palcogradient while postorogenic character of coalifieation process has probably connection with editional coalifieation connected with volcanic heat affirmed on Kaczyce-Jastrzębie-Sośnica area (Kotas 1994; Probierz 1989; Tarnowski 1989). Investigations of thermal history of these parts of USCB show high probability of occurrence of main phases of coalification-metamorphism of organic matter at declining Carboniferous (after Westfalian D before Permian). So-called effective heating time EHT = 20 million of years was determined. On the basis of coalifieation gradients, it was estimated that thickness of eroded Car¬boniferous layers amounts to at least 700 m. Maksimum values of paleotemperatures one showed in northern region (coal mine Gliwice) 135-179°C according to Bostick's or 136-220°C according to Barker and Pawlewicz, while minimum values in north-eastern region (coal mine Jadwiga) respectively 129-142°C and 127-147°C (Lewandowska 2001). Estimating values of palcotemperature, according to Barker and Pawlewicz's method, which makes possible to obtain the results without detailed analysis of sedimentary — diastriphismen evolution of the study area, seems to be especially useful with incomplete knowledge of the geological history, as in the case of USCB. This also allows verifying the obtained results according to other methods results. In the northeastern region rank of organic matter (Ro = 0,81-0,95%, Table 3) and values of paleotemperatures and paleogradients (Table 4), shows the presence of oils generation phase and beginning of main phases of gas generation — CH4. Lack of hermetic covers of overburden surely contributed to migration (flight, escapes) of gases. The range of so-called natural zones of degassing which range to above 1000-m depth in this part of study area testifies this. In northern region this problem should be considered separately for coal mines areas. In the area of coal mine Gliwice the rank of organic matter (Ro = 0,87-1,68%) is maximum and testifies presence of the main phase of gas generation. Lack of hermetic overburden made also possible degassing to level 950 m. In area of coal mine Sośnica a presence of volcanic rocks makes it difficult to investigate paleogradients. Rank of organic matter (Ro = 0,96-0,98%) correspond to main phase of oils generation and to beginning of the main phase of gas generation. It is not excluded, that presence of hermetic overburden could cause, in perpendicular profile, occurrence of two zones of high pressures of gas as this was described in the work by J. Tarnowski 1989. In the southern region only maximum values of coal rank (Ro = 0,78-1,02%) equals to values found in the north-eastern region and adjacent region coal mine Sośnica, while organic matter is found in the phase of oils generation and the beginning of main phase of gas generation. Zonation of changes of composition of hydrocarbons with depth (Fig. 9), not answering to possibilities of distribution resulting from gases generation in coalifieation process, can be similar to other parts of USCB. One can express opinion about outflow of autochthonous gas in all regions of study area. In regions where is lack overburden, degassing zone of deposit approach to above 1000 m depths and only below this zones would be found thermocatalityc autochthonous gases (Kotas 1994; Tarnowski 1989). In regions with hermetic overburden (coal mines Sośnica, Knurów and Szczygłowice) we can observed polyzonal distribution gas content and possibility of gases accumulation in the roof of Carboniferous parties (Tarnowski 1989).

Słowa kluczowe

PL

ziemski strumień ciepła; paleogeotermia; dojrzałość materii ogranicznej; generacja węglowodorów; Górnośląskie Zagłębie Węglowe

EN

terrestrial heat flow; palaeogeothermics; coalification; bitumen generation; Upper Silesian Coal Basin

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2003
• Tom: Vol. 48, nr 1
• Strony: 3--35
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., wykr., tab.

Twórcy

autor

Probierz K.

• Wydział Górnictwa i Geologii, Instytut Geologii Stosowanej, Politechnika Śląska, ul. Akademicka 2, 44-100 Gliwice, Poland

autor

Lewandowska M.

• Wydział Górnictwa i Geologii, Instytut Geologii Stosowanej, Politechnika Śląska, ul. Akademicka 2, 44-100 Gliwice, Poland

Bibliografia

• [1] Barker C.E.,PawIewicz M.J., 1986: The correlation of vitrinite reflectance with maximum temperaturę in humic organie matter. [In:] Buntebarth G., Stegena L. (eds.), Paleogeothermics, Lecture Notes in Earth Sciences, 5, Springer, Berlin, 79-93.
• [2] Bostick N.H., 1979: Microscopic measurements on the level of catagenesis of solid organic matter in sedimentary rock to aid exploration for petroleum and determine former burial temperatures - a review. Soc. Econ. Paleont. Miner. Spec. Publ. 26, s. 17-43.
• [3] Chmura K., 1970: Charakterystyka termiczna skał Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Przegląd Górniczy nr 4.
• [4] Chmura K., Chudek M., 1998: Geotermomechanika górnicza. PW - Tolek, Mikołów.
• [5] Gabzdyl W., 1995: Geologia złóż . Skr. Ucz. nr 1891, Politechnika Śląska, Gliwice.
• [6] Kotas A., 1994: Coal-bed methane potential in Poland. Prace PIG, CXLII, Warszawa.
• [7] Lewandowska M., 2001: Warunki występowania wód podziemnych, na tle ziemskiego strumienia ciepła, w kopalniach północno-zachodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Rozpr. doktorska, Arch. Politechniki Śląskiej, Gliwice.
• [8] Morga R., 1996: Anizotropia optyczna węgla w pokładach zaburzonych tektonicznie w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym. Prace Geologiczne 148, PAN, Kraków.
• [9] Ney R., Kotarba A. (pod red.), 1995: Opracowanie modeli bilansu generowania i akumulacji gazów w serii węglonośnej Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Wyd. CPPGSMiE PAN, Kraków.
• [10] Plewa S. (red.), 2001: Rozpoznanie pola cieplnego Ziemi w obszarze Górnośląskiego Zagłębia Węglowego dla potrzeb górnictwa i ciepłownictwa. Studia Rozprawy Monografie 90, PAN, Kraków.
• [11] Probierz K., 1989: Wpływ metamorfizmu termalnego na stopień uwęglenia i skład petrograficzny pokładów węgla w obszarze Jastrzębia (GZW). Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, s. Górnictwo nr 176, Gliwice.
• [12] Probierz K., Lewandowska M., 1998: Ziemski strumień ciepła w północno-zachodniej części GZW. Prace Naukowe Głównego Instytutu Górnictwa, seria Konferencje nr 24 - Problemy geologii w ekologii i górnictwie podziemnym. Katowice, s. 339-352.
• [13] Probierz K., Lewandowska M., 2000a: Współczesny strumień ciepła i paleotemperatury masywu skalnego NW części GZW. Materiały IX Międz. Symp. Geotechnikał2000, 50-lecie Wydziału Górnictwa i Geologii, Gliwice-Ustroń 17-21.IX, s. 389-406.
• [14] Probierz K., Lewandowska M., 2000b: Próba odtworzenia warunków paleotermicznych NW części GZW. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, s. Górnictwo nr 246, 50-lat Wydziału Górnictwa i Geologii Politechniki Śląskiej, Międz. Konf. : „Górnictwo zrównoważonego rozwoju”. Konferencja I - Rozpoznawanie złóż, Gliwice s. 295-307.
• [15] Probierz K., Lewandowska M., 2001: Terrestrial heat flow and paleotemperatures of rock massif in the NW part of the Upper Silesian Coal Basin. Documenta Geonica ’2001, Geonics 2001, Ostrava 15-17.05, s. 129-135.
• [16] Stach E., Makówsky M.Th., Teichmller M., Taylor G.H., Chandra D., Teichmlier R., 1982: Stacłfs Textbook of Coal Petrology, Gebriider Borntraeger, Berlin-Stuttgart.
• [17] Tarnowski J., 1989: Geologiczne warunki występowania metanu w Górnośląskiej Niecce Węglowej. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, s. Górnictwo nr 166, Gliwice.
• [18] Taylor G.H., Te ich mul 1 er M, Davis A., Diessel C.F.K., Littke R., Robert P., 1998: Organie Petrology. Gebriider Borntraeger, Berlin-Stuttgart.
• [19] Twardowski K. (red.), 1997: Ocena metanonośności węgli kamiennych Górnośląskiego Zagłębia Węglowego na podstawie wyników pomiarów otworowych. Wyd. CPPGSMiE PAN, Kraków.