Τεκτονoστρωματογραφική χωρική (3D) προσομοίωση των σχηματισμών μεταλπικής ηλικίας της λεκάνης της Μεσσαράς, Κεντρική Κρήτη

Abstract

The modelling of the subsurface geology, both in two- or three-dimensional, is a task that depends on the quantity and quality of the available data, their validated spatial correlation, all of them being integrated under a geologically reasonable framework. In most cases, a reasonable framework can only be achieved with the use of many high-quality data, the integration of which generate complicated geological structures. Both the selection of data and their interpretation are inevitably subjective which can lead to different results among geologists. At this point, the use of modern three-dimensional modelling and simulation software helps significantly in minimizing the difference between the multiple results, since it is easier to identify incorrect input data, to evaluate the spatial correlations of the data and more especially to identify the areas that show a greater degree of uncertainty. The use of such methodologies has been increased over the past years due to the rapid development of computers science that can now manage large database and the visualization of three-dimensional geomorphologies even on normal desktops. This PhD thesis describes the use of 3D geomodelling methodologies in the Messara basin (Crete, Greece) with the construction of two 3D geological models in different scale and with different objectives. The first one concerns the construction of the 3D geometric model of the entire basin of Messara and the other concerns the construction of the 3D static geological model (geometric model and property-model) of the alluvial aquifer of Tymbakio (western part of Messara). The construction of the geometric model of Messara was mainly based on a network of eight 2D seismic reflection lines that cover the basin plain. The seismic data reveals the thickness of the postalpine sediments. The main conclusion is the existence of a hypocenter of 1500m depth (absolute) in the eastern part of the Messara basin. Given that the biogenic gas leakages have been reported in the past in the same area, the results of the 3D modelling are used in combination with geochemical analyses, stratigraphic correlations and the basin configuration to propose a possible scenario for the generation of the biogenic gas in the area. A new field work, sampling and laboratory analyses were carried out to estimate all the parameters of the biogenic gas generation (source / reservoir / trap). The study showed that the geochemical characteristics of the shale layers characterize the source rock as pour, which consequently makes the area of interest to have a low potential in gas generation. On the contrary, the high porosity and permeability of the sandstones, as well as, the vertical and lateral alternations with argillaceous layers provide the necessary trapping mechanism in several sandy intervals, which apparently correspond to those drilled by the water-wells if the area. The existing data aren’t sufficient to assess the commerciality of the gas. The second 3D geological model captures the subsurface structure of the alluvial Plio-Pleistocene aquifer of Tymbakion and models both the lithological character and the porosity of the sediments that comprise the aquifer, as well as assesses where is the inferred geometry of the salt-water intrusion in the basin, based on field geoelectrical / electromagnetic measurements. For this purpose, a dense network of water-wells, geoelectric soundings (VES) and transient field electromagnetic measurements (TEM) were used that allowed the correlation of the lithological descriptions in the different wells with the values of the specific electrical resistivity. Finally, the model captures the thickness variation of the aquifer and identifies 12 inferred faults that are not observed on surface, the spatial distribution of the specific electrical resistivity values throughout the aquifer and the correlates them indirectly to the lithologies. It is suggested that this model should be further used in the groundwater simulation of the Tymbaki aquifer. By this way, the 3D geological model will be validated by the dynamic data of the simulation and will help in optimizing of the simulation results, which in turn will lead to the optimization of aquifer management. In both cases, the ultimate objective is to highlight the utility of 3D geologic models as a modern and easy-to-use tool to better capture subsurface geology. In both cases, the numerous capabilities of using such tools/methodologies were not examined completely as this should be a separate study. Nevertheless, the study demonstrates the benefit of adding this kind of methodologies in the workflow and the results can be applied on that areas of the basin that show a greater interest for further study.

Η αποτύπωση της υποεπιφανειακής γεωλογίας, διδιάστατα ή τριδιάστατα, αποτελεί ακόμη και σήμερα μια εργασία το αποτέλεσμα της οποίας εξαρτάται από τη ποσότητα και ποιότητα των δεδομένων που χρησιμοποιούνται, τη σωστή χωρική τους συσχέτιση και τη συνδυαστική ερμηνεία τους που θα εντάσσεται σε ορθολογιστικό πλαίσιο. Τις περισσότερες φορές, απαιτούνται πολλά δεδομένα για να αποτυπωθεί ικανοποιητικά μια υποεπιφανειακή γεωλογική δομή, των οποίων η σύνδεση είναι πολλές φορές πολύπλοκη. Σε κάθε περίπτωση, τόσο η επιλογή των δεδομένων όσο και η ερμηνεία τους είναι αναπόφευκτα υποκειμενική που μπορεί να οδηγεί σε διαφορετικά αποτελέσματα μεταξύ των γεωλόγων. Στο σημείο αυτό η χρήση σύγχρονων εργαλείων, όπως λογισμικών τριδιάστατης γεωλογικής απεικόνισης και προσομοίωσης, βοηθούν προς την κατεύθυνση μείωσης της απόκλισης των διαφορετικών αποτελεσμάτων, μιας και διευκολύνονται ο εντοπισμός χρήσης λανθασμένων δεδομένων, οι χωρικές συσχετίσεις των δεδομένων και κυρίως οι (υπο)περιοχές που παρουσιάζουν μεγαλύτερο βαθμό αβεβαιότητας των αποτελεσμάτων. Η εφαρμογή τέτοιων μεθοδολογιών έχουν αυξηθεί τα τελευταία χρόνια με την ραγδαία ανάπτυξη των υπολογιστών που μπορούν πλέον να διαχειρίζονται μεγάλο αριθμό δεδομένων και να τα απεικονίζουν τριδιάστατες γεωμορφές ακόμα και σε οικιακούς υπολογιστές. Στην παρούσα διατριβή περιγράφεται η χρήση αυτών των μεθοδολογιών στη λεκάνη της Μεσσαράς με την κατασκευή 2 τριδιάστατων γεωλογικών ομοιωμάτων διαφορετικής κλίμακας και διαφορετικού σκοπού. Το ένα αφορά στην κατασκευή του γεωμετρικού ομοιώματος ολόκληρης της λεκάνης της Μεσσαράς στην Κρήτη και το άλλο αφορά την κατασκευή του στατικού γεωλογικού ομοιώματος (γεωμετρικό ομοίωμα και ομοίωμα ιδιοτήτων) του αλλουβιακού υδροφόρου του Τυμπακίου (δυτική Μεσσαρά) στην Κρήτη. Η κατασκευή του γεωμετρικού μοντέλου της Μεσσαράς βασίστηκε κυρίως σε ένα δίκτυο 8 διδιάστατων σεισμικών γραμμών ανάκλαση που κάλυπταν το πεδινό κυρίως τμήμα της λεκάνης. Τα σεισμικά δεδομένα υπέδειξαν το πάχος των ιζημάτων της μεταλπικής λεκάνης, με βασικό συμπέρασμα την ύπαρξη υποκέντρου 1500μ (απόλυτο βάθος) στο ανατολικό τμήμα της λεκάνης της Μεσσαράς. Με δεδομένο ότι στην ίδια περιοχή έχουν αναφερθεί κατά το παρελθόν διαφυγές φυσικού αερίου, τα αποτελέσματα της τριδιάστατης προσομοίωσης χρησιμοποιούνται συνδυαστικά με γεωχημικές αναλύσεις, στρωματογραφικές συσχετίσεις και εξέλιξης της λεκάνης για να τεκμηριωθεί ένα πιθανό σενάριο γένεσης βιογενούς αερίου στην περιοχή. Για τις ανάγκες αυτής της προσπάθειας πραγματοποιήθηκαν εργασίες πεδίου και εργαστηριακές αναλύσεις για να εκτιμηθούν όλα τα απαραίτητα στοιχεία γένεσης βιογενούς αερίου (οργανικό υλικό/ταμιευτήρας/παγίδα). Η μελέτη έδειξε ότι η ποσότητα του οργανικού υλικού που βρίσκεται στις αργιλλικές ενστρώσεις χαρακτηρίζεται οριακά ως μητρικό πέτρωμα, κάτι το οποία αναμένεται να έχει επίπτωση στο δυναμικό γένεσης αερίου αυτών των ιζημάτων και κατ’ επέκταση στην ποσότητα αερίου που φέρουν οι σχηματισμοί αυτοί. Στον αντίποδα, το υψηλό πορώδες και η διαπερατότητα των ψαμμιτών αλλά και οι κατακόρυφες και πλευρικές εναλλαγές τους με αργιλλικές ενστρώσεις παρέχουν ικανές συνθήκες συσσώρευσης του αερίου σε διαφορετικούς θύλακες, που κατά τα φαινόμενα είναι αντίστοιχοι με αυτούς που τρύπησαν οι υδρογεωτρήσεις της περιοχής. Τα υφιστάμενα στοιχεία δεν επαρκούν σε καμία περίπτωση για να αποτιμηθεί η εμπορική εκμεταλλευσιμότητα του εν λόγω παραγόμενου αερίου. Το δεύτερο τριδιάστατο γεωλογικό ομοίωμα που κατασκευάστηκε είχε ως στόχο να αποτυπώσει την υποεπιφανειακή δομή του αλλουβιακού Πλειο-πλειστοκαινικού υδροφόρου του Τυμπακίου και να εκτιμηθεί με τη χρήση γεωηλετρικών / ηλετρομαγνητικών μετρήσεων υπαίθρου τόσο ο λιθολογικός χαρακτήρας των ιζημάτων που δομούν τον υδροφόρο και οι υδραυλικές τους ιδιότητες, όσο και να αποτυπωθεί το μέτωπο και η γεωμετρία της υφαλμύρινσης στη λεκάνη μελέτης. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν ένα πυκνό δίκτυο από υδρογεωτρήσεις, γεωηλεκτρικές βυθοσκοπήσεις (VES) και ηλεκτρομαγνητικές μετρήσεις παροδικού πεδίου (TEM) που επέτρεψαν τη χωρική συσχέτιση των λιθολογικών περιγραφών των υδρογεωτρήσεων με τις τιμές ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης του υπεδάφους. Συνεπώς, πέρα από την αποτύπωση της διακύμανσης του πάχους του υδροφόρου και την αναγνώριση 12 πιθανών ρηγμάτων που δεν αναγνωρίζονται επιφανειακά, έγινε και η χωρική κατανομή των τιμών ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης σε όλο τον υδροφόρο ως προσπάθειας έμμεσης αναγνώρισης των λιθολογιών που απαρτίζουν τον υδροφόρο αλλά και του μετώπου υφαλμύρινσης. Προτείνεται δε, τα αποτελέσματα του ομοιώματος αυτού να χρησιμοποιηθούν σε επόμενο στάδιο και στην προσομοίωση της υπόγειας ροής υδάτων στον εν λόγω υδροφόρο. Σε αυτή την περίπτωση αναμένεται βελτιστοποίηση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης που με τη σειρά της οδηγεί σε βελτιστοποίηση του σχεδιασμού εκμετάλλευσής του. Και στις δύο περιπτώσεις, ο απώτερος σκοπός είναι να αναδειχθεί η χρησιμότητα των τριδιάστατων γεωλογικών ομοιωμάτων ως ενός σύγχρονου και εύχρηστου εργαλείου για την κατά το δυνατό καλύτερη αποτύπωση της υποεπιφανειακής γεωλογίας. Και στις δύο περιπτώσεις δεν εξαντλήθηκαν οι δυνατότητες που παρέχονται με τη χρήση τέτοιων εργαλείων/μεθοδολογιών καθώς αυτό θα έπρεπε να αποτελούσε ξεχωριστή μελέτη. Παρόλα αυτά, τα αποτελέσματα μπορούν άμεσα να χρησιμοποιηθούν για το σχεδιασμό των επόμενων βημάτων σε περιοχές της λεκάνης που παρουσιάζουν μεγαλύτερο ενδιαφέρον.