Geneza, prostorna raspodjela i kvantifikacija poroznosti Žumberačkih gornjotrijaskih dolomita

Autor: dr.sc. Ivica Pavičić, mag.ing.geol., poslijedoktorand

U području sjeverozapadne Hrvatske, u gorskim i planinskim područjima, na površini i u dubljim geološkim strukturama, velike volumene zauzimaju karbonatne stijene gornjotrijaske starosti. Najčešće su to dolomiti, relativno male primarne, no značajne sekundarne poroznosti. Ovisno o njihovom strukturnom položaju i dubini na kojoj se nalaze, regionalno su prepoznate kao neprepoznatljiviji geotermalni vodonosnici te značajni vodonosnici pitke podzemne vode (npr. Sv. Jana se puni iz ovih vodonosnika). U istraživanom području Žumberka, gornjotrijaski dolomiti su najzastupljeniji u geološkoj građi površine i podzemlja. Veliki udio u površinskoj geološkoj građi omogućuje proučavanje značajki gornjotrijaskih dolomita na izdancima u različitim strukturnim položajima.

Za opisivanje te procjenu taložne i dijagenetske poroznosti izrađeni su mikroskopski preparati koji su impregnirano smolom (slika 1) te su provođena mjerenja mjerena metodom uronjene mase (slika 2) u Laboratoriju za mehaniku stijena na RGN fakultetu. Analiza pukotinske poroznosti provedena je dvodimenzionalnim i trodimenzionalnim metodama.

Slika 1. Postupak izrade impregniranih preparata. A) Ispiljene pločice; B) Uzorci uronjeni u „smolu“ i stavljeni u vakumsku pumpu; C i D) pločice impregnirane sa „smolom“ prije brušenja na debljinu od 0,3 mm (autor fotografija D. Galović).

Slika 2. A i B) Fotografije ispiljenih uzoraka pravilnog oblika valjka; C i D) uzorci pravilnih i nepravilnih oblika za vrijeme saturacije vodom.

Dvodimenzionalne metode predstavljaju analize fotografija pukotinskog sklopa te određivanje niza parametara koji utječu na prostornu raspodjelu pukotina (slika 3, 4 i 5). Određeni su parametri: fraktalne dimenzije pukotinskog sklopa i svakog seta zasebno, histogrami duljina pukotina, gustoće (P₂₀) i intenziteti (P₂₁) pukotinskog sklopa, volumetrijski broj pukotina (J_v odnosno P₃₀), odnos visine i duljine pukotina te 2D poroznosti pukotinskog sklopa (P₂₂). Trodimenzionalna metoda predstavljena je izradom DFN modela (engl. „Discrete Fracture Network“) pukotinskih sustava (slika 6).

Slika 3. Prikaz trodimenzionalnog fraktalnog modela fragmentacije. A) Teoretski model i B) Pukotinska poroznost u gornjotrijaskim dolomitima Žumberka.

Jedna od pretpostavljenih hipoteza je da pukotinski sustavi gornjotrijaskih dolomita Žumberka imaju fraktalna svojstva te se njihova raspodjela u prostoru može opisati fraktalnom dimenzijom i „power-law“ raspodjelom (La Pointe, 1988; Bonnet et al., 2001; Davy et al., 2006, 2010; Roy et al., 2007; Verbovšek, 2009; Liu et al., 2015; Pavičić et al., 2017). Rezultati fraktalne analize i definiranje prostorne raspodjele pukotina jedan su od ulaznih podataka DFN-a. Fraktalna dimenzija predstavlja mjeru kojom pukotine ispunjavaju prostor, te omogućuje procjenu raspodjele poroznosti u dubokim strukturama.

Slika 4. A) fotografija izdanka; B) digitalizirane fotografije izdanka; C) binarna fotografija (terenska točka FRA-2, IMG_1705).

Slika 5. A) Karta intenziteta; B) karta gustoća; C) položaj i veličine „scan circle“-a korištenih za procjene gustoće i intenziteta.

Identificirano je pet faza dijageneze gornjotrijaskih dolomita koja se odvijala u marinskom, vadoznom, meteorskom i mjestimično dubinskom okolišu. Mjestimično i u nekim facijesima neke faze dijageneze izostaju ovisno o facijesu i dinamici paleookoliša. Mikrofacijesi stromatolitnih dolomita imaju najveću taložnu i/ili dijagenetsku poroznost i to u intervalu od 0,35 % do 2 %.

Slika 6. 3D model pukotinskog sklopa, pojedinih pukotinskih setova formacije Glavni dolomit.

Provedenim istraživanjem postignut je detaljan uvid u tipove poroznosti žumberačkih gornjotrijaskih dolomita, njihov nastanak, razvoj i prostornu raspodjelu, te iznose pojedinog tipa poroznosti kao i značaj za tok fluida (slika 7). Poroznost je podijeljena prema genezi na taložnu, dijagenetsku i pukotinsku odnosno tektonsku.

Slika 7. Zajednički prikaz svih tipova poroznosti s određenim iznosima (%).

Pukotinska poroznost analizirana je i kvantificirana 2D i 3D metodama. 2D poroznost (P₂₂) se kreće se u rasponu od 2,84 % do 8,99 % sa srednjom vrijednosti od oko 5,7 % (slika 9). 3D analiza pukotinske poroznosti obuhvaća izrade DFN modela za sve formacije te osrednje vrijednosti tih formacija za jedinicu T₃ dolomiti. Pukotinska poroznost kompletnog vodonosnika je u intervalu od 0 – 19 % (srednja vrijednost za asimetričnu raspodjelu, „mean“ = 5 %). Usporedbom rezultata poroznosti 2D i 3D analize odnosno P₂₂ (srednja vrijednost 5,7 %) i P₃₃ (srednja vrijednost odnosno „mean“ = 5 % za jedinicu T₃) dokazuje se da je detaljna 2D analiza pukotinskog sustava gotovo jednako vjerodostojna kao i 3D. Ovi rezultati predstavljaju osnovne ulazne podatke za daljnje hidrogeološke ili geotermalne modele

Slika 8. Geocellular volumen formacije Glavni dolomit s izračunatim poroznosti.

Reference:

1. La Pointe, P.R. (1988): A method to characterize fracture density and connectivity through fractal geometry. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and 25, 421–429. https://doi.org/10.1016/0148-9062(88)90982-5
2. Bonnet, E., Bour, O., Odling, N.E., Davy, P., Main, I., Cowie, P., Berkowitz, B. (2001): Scaling of fracture systems in geological media. Reviews of Geophysics 39, 347–383. https://doi.org/10.1029/1999RG000074
3. Davy, P., Bour, O., De Dreuzy, J.-R., Darcel, C. (2006): Flow in multiscale fractal fracture networks. Geological Society, London, Special Publications 261, 31–45. https://doi.org/10.1144/GSL.SP.2006.261.01.03
4. Liu, R., Jiang, Y., Li, B., Wang, X. (2015): A fractal model for characterizing fluid flow in fractured rock masses based on randomly distributed rock fracture networks. Computers and Geotechnics 65, 45–55. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2014.11.004
5. Pavičić, I., Dragičević, I., Vlahović, T., Grgasović, T. (2017): Fractal analysis of fracture systems in upper triassic dolomites in Žumberak Mountain, Croatia. Rudarsko Geolosko Naftni Zbornik 32, 1–13. https://doi.org/10.1177/rgn.2017.3.1
6. Roy, A., Perfect, E., Dunne, W.M., McKay, L.D. (2007): Fractal characterization of fracture networks: An improved box-counting technique. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 112, 1–9. https://doi.org/10.1029/2006JB004582
7. Verbovšek, T. (2009): Extrapolation of fractal dimensions of natural fracture networks from one to two dimensions in dolomites of Slovenia. Geosciences Journal 13, 343–351. https://doi.org/10.1007/s12303-009-0032-2

Dr.sc. Ivica Pavičić, mag. ing. geol. je poslijedoktorand na Zavodu za geologiju i geološko inženjerstvo na Rudarsko-geološko-naftnom fakultetu Sveučilišta u Zagrebu. Doktorirao je 12.7.2018. godine s doktorskim radom pod nazivom Popularizacija znanstvenih istraživanja na RGN fakultetu.

E-portfolio https://moodle.srce.hr/eportfolio/view/view.php?id=32388

ResearchGate https://www.researchgate.net/profile/Ivica-Pavicic-2

Google Scholar https://scholar.google.hr/citations?user=nAhx3kYAAAAJ&hl=hr&oi=ao

CROSBI https://www.bib.irb.hr/pretraga?operators=and|Pavi%C4%8Di%C4%87,%20Ivica%20%2833346%29|text|profile