Riftne tektonostratigrafske sekvencije donjeg i srednjeg miocena u istočnom dijelu Dravske depresije: primjena za procjenu potencijala geološkog uskladištenja ugljikovog dioksida

Poslijediplomski studij

Autor: David Rukavina, Dr.sc. mag.geol. mag ing.min.

Cilj istraživanja je predstaviti procjenu potencijala geološkog uskladištenja ugljikovog dioksida (CO2) temeljenu na tektonostratigrafskoj interpretaciji stijena donjeg i srednjeg miocena unutar istočnog dijela Dravske depresije. Stijene donjeg i srednjeg miocena predstavljaju važne regionalne kolektorske stijene, o čemu svjedoči veliki broj hrvatskih ležišta nafte i plina koji se nalazi u njima (Velić, 2007). Takve kolektorske stijene mogu se koristiti i u svrhu geološkog skladištenja CO2, jedne od najvažnijih metoda smanjenja ljudskih emisija stakleničkih plinova (Slika 1). Unatoč tome, prethodna istraživanja istih stijene u podzemlju su vrlo ograničena te izostaje njihova regionalna povezanost i istraženost (Zečević et al., 2010).

slika1-odlagalište_hr.jpg

Slika 1. Shema načina geološkog uskladištenja ugljikovog dioksida u podzemlju.

Razlog tome je što ove stijene karakterizira složena geološka građa kao posljedica njihova formiranja unutar kontinentalnog riftnog sustava te naknadnih tektonskih procesa. Dravska depresija predstavlja jednu od desetak depresija, odnosno bazena koji čine Panonski bazenski sustav (PBS) (Slika 2). Nastanak PBS je usko povezan s ekstenzijskim pokretima koji su zahvatili taj prostor u miocenu (Tari et al., 1992; Fodor et al., 1998; Horváth et al., 2006).

 

20220429 2

Slika 2. Neogenski bazeni unutar Panonskog bazenskog sustava (PBS) (Csontos and Nagymarosy, 1998;Haas, 2012). Miocenski navlačni pojas ocrtava zonu koja je zahvaćena „slab pull“ i/ili „subdukction rollback“ procesima uvjetujući ekstenziju unutar PBS-a i formiranje miocenski taložnih bazena.

U kontinentalnim ili pasivnim riftnim sistemima ekstenzija nastaje direktnim djelovanjem suprotstavljenih sila u litosferi (Turcotte and Emerman, 1983). Takva ekstenzija je dobro dokumentirana u PBS-u (Slika 2), kao rezultat subdukcijskih procesa, tj. „slab pull“ i/ili „subdukction rollback“ (Royden and Burchfiel, 1989; Royden, 1993). Ekstenzija je u kontinentalnom riftnom sustavu često asocirana sa stanjenjem kore i rasjedanjem uzduž blago nagnutih detachment rasjeda (Buck, 1988; Hodges et al., 1989; Tari et al., 1992). Tektonska povijest kontinentalnih riftnih bazena, predstavljena je sin-riftnom fazom, a se sastoji od epizodnih tektonskih pokreta, lateralne rotacije bazena oko osi i prostorne migracije depocentara, čineći ih kompleksnijima u odnosu na druge tipove bazena koji se formiraju uslijed stabilne tektonske subsidencije (Wu et al., 2019).

Procjena geološkog potencijala skladištenja CO2 u takvim uvjetima podrazumijeva korištenje i interpretaciju seizmičkih i bušotinskih podataka. U tu svrhu kartirani su rasjedi, granice sekvencija, distribucija seizmofacijesa, analizirani su seizmički atributi, litofacijesi i sadržaj planktonskih foraminifera na uzorcima stijena. Zatim su procijenjene vrijednosti proznosti na temelju karotažnih mjerenja, konstruirane se karte temperature, tlaka i gustoće CO2 u ležišnim uvjetima kako bi se izračunao teoretski kapacitet geološkog uskladištenja CO2. Tektonostratigrafska interpretacija omogućila je prostorno povezivanje i kartiranje stijena donjeg i srednjeg miocena temeljenu na genetskoj povezanosti sin-riftne ispune s vidljivom rasjednom aktivnosti.

Sin-riftnu fazu karakterizira višefazna tektonska aktivnost kontrolirana velikim blago nagnutim rasjedima, tipa ekstenzijskih detachmenta. U njihovom krovinskom krilu formirane su sin-riftne strukture polugrabe, grabe, saga i supradetachment bazena zajedno s brojnim normalnim rasjedima (Slika 3). Ekstenzijski pokreti su pri tome predisponirani reaktiviranim naslijeđenim strukturama. Interpretirani ekstenzijski detachmenti mogu se prostorno povezati u sustav glavnog normalnog rasjeda istočnog dijela Dravske depresije, koji je omeđivao cjelokupno područje taloženja tijekom sin-rifta.

Slika 3

Slika 3. Karte interpretiranih tektonskih jedinica: a) rana riftne faza i b) kasna riftna faza.

Na temelju petrografsko-sedimentološke analize definirano je osam litofacija. Ti su litofacijesi grupirani u dvije asocijacije, jedna predstavlja naslage povezane s pretežno kontinentalnim okolišima, a druga povezana s morskim okolišima. Unutar ovih asocijacije litofacija interpretirani su okoliši aluvijalne lepeze, lepezne delte, rasjednih padina, prijelazni i dubokomorski (Slika 4).

Slika 4

Slika 4. Distribucija taložnih okoliša interpretiranih sekvencija: a) CV-3, M i S; b) D-1 i MP-1; c) D-2 i MP-2.

Na temelju interpretacije seizmičkih podataka kartirane su riftne tektonostratigrafske sekvencije. Sekvencija 1. reda predstavlja cijelu sin-riftnu ispunu, a ona se može podijeliti na sekvencije višeg reda koje su asocirane s glavnim rasjednim strukturama. S obzirom na tektonske i taložne uvjete, definirane sekvencije 2. reda se mogu međusobno odvojiti na sekvencije omeđenog prostiranja asocirane s kontinentalnim uvjetima taloženja, formirane za vrijeme manje magnitude ekstenzije, i sekvencije šireg prostiranja asocirane s marinskim uvjetima, formirane za vrijeme veće magnitude ekstenzije (Slika 4). U tektonostratigrafskom smislu, sekvencije 2. reda formirane za vrijeme manje magnitude ekstenzije predstavljaju ranu sin-riftnu fazu, te stratigrafski odgovaraju starijem miocenu. Sekvencije 2. reda formirane za vrijeme veće magnitude ekstenzije predstavljaju kasnu sin-riftnu fazu, a stratigrafski odgovaraju srednjem miocenu, preciznije badenu (Slika 5). Sekvencije 2. reda mogu se mogu se dalje podijeliti na sekvencije 3. reda koje odgovaraju tektonskim događajima višeg reda i rezultat su lokalne migracije riftne aktivnosti.

Slika 5

Slika 5. Sin-riftna arhitektura taložnih bazena ilustrirana na generaliziranom profilu uzduž istočnog dijela Dravske depresije. Na profilu su naznačene interpretirane tektonostratigrafske sekvencije 2. i 3. reda.

U svrhu primjene interpretiranih ritnih tektonostratigrafskih sekvencija za procjenu kapaciteta geološkog uskladištenja CO2 konstruirane su:

  • Karte tlaka na srednjoj dubini interpretiranih sekvencija
  • Karte temperature na srednjoj dubini interpretiranih sekvencija
  • Karte gustoće CO2 na srednjoj dubini interpretiranih sekvencija
  • Facijesni modeli interpretiranih sekvencija
  • Petrofizikalni modeli distribucije poroznosti interpretiranih sekvencija
  • Modeli kapaciteta geološkog uskladištenja CO2 interpretiranih sekvencija.

Kapacitet uskladištenja (Q) izračunat je prema izrazu (Chadwick et al., 2008) za duboke slane vodonosnike (Slika 1):

 Q (kg)=A*D*∅ * ρCO* hst

gdje je  A površina vodonosnika (m2), D ukupna debljina ležišnih stijena (m),  efektivna poroznost, hst  efektivni koeficijent uskladištenja i  pCO2 gustoća (kgm-3) čistog CO2 u ležišnim uvjetima.

U naslagama sin-riftne ispune kolektorske stijene se mogu definirati unutar rane sin-riftne faze i kasne sin-riftne faze. One su unutar rane sin-riftne faze, odnosno starijeg miocena, predstavljene su litofacijesima unutar okoliša aluvijalne lepeze i lepezne delte, i to u obliku kanalnih formi i pješčanih tijela vrlo ograničenog prostiranja. Potencijalni srednjomiocenski kolektori u naslagama kasne sin-riftne faze predstavljeni su litofacijesima unutar priobalnih okoliša, lepezne delte i debritnih naslaga rasjednih padina. Podatci iz bušotina kao i procjena poroznosti multimineralnom inverznom metodom analize karotažnih mjerenja ukazuju da ove stijene se odlikuju slabom poroznosti, uglavnom do oko 10% (Slika 6).

Slika 6

Slika 6. Primjeri projekcije trodimenzionalnih facijesnih i petrofizikalnih modela poroznosti i kapaciteta sekvencija 3. reda CV-2 i CV-3. Usporediti distribuciju vrijednosti kapaciteta s interpretiranim taložnim okolišima sekvencije CV-3 na slici 4a.

Istraživanjem je uspostavljena metodologija za regionalnu procjenu potencijala geološkog uskladištenja CO2 u sin-riftnim stijenama unutar kontinentalnog (pasivnog) riftnog sustva. Zbog složenosti ispune taložnih bazena, kao i strukturne građe sin-riftnog bazena potrebni su raznovrsni bušotinski podatci i pouzdani seizmički podatci, te poznavanje karakteristika litološkog sastava. Metodološki pristup obuhvaća:

  • Interpretaciju seizmostratigrafskih površina koje predstavljaju riftne tektonostratigrafske granice koje se mogu povezati s fazama aktivnosti rubnih normalnih rasjeda.
  • Kartiranje seizmofacijesa, analiza litofacijesa te analiza paleostrukturnih odnosa unutar interpretirane sekvencije omogućava interpretaciju distribucije okoliša, lociranje potencijalnih kolektorskih stijena te konstrukciju facijesnog modela.
  • Procjenu poroznosti multimineralne inverzne metodom na bušotinskim podatcima, koja je potrebna za konstrukciju petrofizikalnog modela.
  • Povezivanje facijesnog i petrofizikalnog modela zajedno s izračunatim vrijednostima gustoće CO2 u ležišnim uvjetima, daje rezultate na temelju kojih je moguće kartirati, odnosno modelirati specifični kapacitet uskladištenja CO2 u smislu prikaza promjene tog svojstva u prostoru unutar svake od analiziranih tektonostratigrafskih sekvencija (Slika 6).

Ove se karte ili modeli mogu se koristiti za usmjeravanje istraživanja, odnosno kao podloga za donošenje investicijskih odluka u istraživanje ovog novog resursa u dubokom podzemlju.

Reference:

Buck, W.R., 1988. Flexural Rotation of Normal Faults. Tectonics 7, 959–973. https://doi.org/10.1029/TC007i005p00959

Chadwick, A., Arts, R., Bernstone, C., May, F., Thibeau, S., Zwigel, P., 2008. Best practice for the storage of CO2 in saline aquifers – Observations and guidelines from the SAC and CO2STORE projects.

Csontos, L., Nagymarosy, A., 1998. The Mid-Hungarian line: A zone of repeated tectonic inversions. Tectonophysics 297, 51–71. https://doi.org/10.1016/S0040-1951(98)00163-2

Fodor, L., Jelen, B., Skaberne, D., Car, J., Vrabec, M., 1998. Miocene-Pliocene tectonic evolution of the Slovenien Periadriatic fault: Implications for Alpine-Carpathian extrision models. Tectonics 17, 690–709.

Haas, J., 2012. Geology of Hungary. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. https://doi.org/10.1016/s1574-8715(07)00020-6

Hodges, K. V., McKenna, L.W., Stock, J., Knapp, J., Page, L., Sternlof, K., Silverberg, D., Wüst, G., Walker, J.D., 1989. Evolution of extensional basins and basin and range topography west of Death Valley, California. Tectonics 8, 453–467. https://doi.org/10.1029/TC008i003p00453

Horváth, F., Bada, G., Szafián, P., Tari, G., Ádám, A., Cloetingh, S., 2006. Formation and deformation of the Pannonian Basin: constraints from observational data. Geol. Soc. London, Mem. 32, 191–206. https://doi.org/10.1144/GSL.MEM.2006.032.01.11

Royden, L., Burchfiel, B.C., 1989. Are systematic variations in thrust belt style related to plate boundary processes? (The western Alps versus the Carpatians) 8, 51–61.

Royden, L.H., 1993. Evolution of retrating subduction boundaries formed during continental collision 12, 629–638.

Tari, G., Horváth, F., Rumpler, J., 1992. Styles of extension in the Pannonian Basin. Tectonophysics 208, 203–219. https://doi.org/10.1016/0040-1951(92)90345-7

Turcotte, D.L., Emerman, S.H., 1983. Mechanisms of active and passive rifting, Developments in Geotectonics. Elsevier B.V. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-42198-2.50010-9

Velić, J., 2007. Geologija ležišta nafte i plina. Sveučilište u Zagrebu, Rudarsko-geološko-naftni fakultet.

Wu, Heng, Ji, Y., Wu, C., Duclaux, G., Wu, Hao, Gao, C., Li, L., Chang, L., 2019. Stratigraphic response to spatiotemporally varying tectonic forcing in rifted continental basin: Insight from a coupled tectonic-stratigraphic numerical model. Basin Res. 31, 311–336. https://doi.org/10.1111/bre.12322

Zečević, M., Velić, J., Sremac, J., Troskot-Čorbić, T., Garašić, V., 2010. Significance of the Badenian petroleum source rocks from the Krndija Mt. (Pannonian Basin, Croatia). Geol. Croat. 63, 225–239. https://doi.org/104154/gc.2010.19


Dr.sc. David Rukavina, mag. geol., mag.ing.min. je poslijedoktorand na Zavodu za geologiju i geološko inženjerstvo na Rudarsko-geološko-naftnom fakultetu Sveučilišta u Zagrebu. Doktorirao je 21.7.2021. godine s doktorskim radom pod nazivom Riftne tektonostratigrafske sekvencije donjeg i srednjeg miocena u istočnom dijelu Dravske depresije: primjena za procjenu potencijala geološkog uskladištenja ugljikovog dioksida.

E-portfolio https://moodle.srce.hr/eportfolio/user/view.php?id=8648

ResearchGate David Rukavina (researchgate.net)

Google Scholar https://scholar.google.com/citations?view_op=list_works&hl=en&user=ucGeHgQAAAAJ

CROSBI https://www.bib.irb.hr/pregled/profil/33616

Stranica projekta https://www.rgn.unizg.hr/hr/GEODEP