Department of Geophysical Imaging

Cel projektu

Celem projektu jest dokładne rozpoznanie budowy ziemi do głębokości ok 60 km w obszarze Polski i jej otoczenia. Jest to obszar dużej zmienności takich parametrów jak gęstość, rodzaj materiału, skład chemiczny. W najpłytszych obszarach do głębokości kilku kilometrów występują skały osadowe, głębiej skały krystaliczne, a poniżej ok. 45 km mamy wyraźną zmianę wszystkich parametrów odpowiadających przejściu ze skorupy ziemskiej do płaszcza ziemskiego. Parametry te są trudne do zbadania, szczególnie na dużych głębokościach, ale jeden z nich czyli prędkość propagacji fal sejsmicznych daje się relatywnie łatwo mierzyć. Wykorzystujemy do tego sztucznie wygenerowane, małe wstrząsy sejsmiczne (np. z użyciem materiałów wybuchowych) i obserwujemy je w różnych odległościach na stacjach sejsmicznych. Dzięki tym obserwacjom możemy obliczyć prędkości fal sejsmicznych na różnych głębokościach oraz co jest naszym głównym celem w geometrii trójwymiarowej.

Opis badań

Badania opisane powyżej prowadzone są od wielu lat z wykorzystaniem pewnych przybliżeń w rozchodzeniu się fal sejsmicznych (tzw. metoda promieniowa) oraz najczęściej w geometrii dwuwymiarowej, co jest również przybliżeniem prawdziwej struktury. W proponowanym projekcie chcemy rozszerzyć metody do pełnej trójwymiarowej analizy danych z wykorzystaniem wszystkich dostępnych materiałów, które jeszcze nigdy nie były interpretowane wspólnie. Do ich interpretacji chcemy wykorzystać najnowsze metody obliczeniowe, wykorzystujące współczesne komputery dużej mocy. W przygotowaniu danych wykorzystamy również dobrze znane metody wzmacniania sygnałów sejsmicznych szeroko używane w przemyśle związanym z poszukiwaniem i eksploatacją naturalnych surowców energetycznych. Metody te mogą zostać przystosowane do danych w skali regionalnej i po zastosowaniu znacznie poprawić siłę wartościowych danych w stosunku do szumów obserwacyjnych.

Powody podjęcia tematyki

Rozpoznanie struktury ziemi jest niezwykle ważne w wielu dziedzinach badań. W pracach czysto naukowych dane te jako model referencyjny pozwalają poznać głębsze struktury ze znacznie większą dokładnością. Dzięki temu możemy poznawać budowę płaszcza ziemskiego na głębokościach setek kilometrów. Dokładna wiedza o strukturze ziemi pozwala precyzyjnie lokalizować wstrząsy sejsmiczne zarówno naturalne jak i indukowane działalnością człowieka. Jest to bardzo istotne w zapewnieniu bezpieczeństwa sejsmicznego ludzi i obiektów przemysłowych, np. elektrowni atomowych. Dlatego nasz model referencyjny musi być maksymalnie dokładny i bazować na najnowszych osiągnięciach w metodach interpretacji danych sejsmicznych.

  1. Research project objectives/Research hypothesis

    The focus of the proposed research is on the deep crustal structure to be revealed by the planned reprocessing of PolandSPAN data and supported by the potential field data modelling and integration with other data including wide-angle reflection/refraction (WARR) profiles and seismological observations. The study area is located in northern Poland, east of the Teisseyre-Tornquist Zone (TTZ) and embraces the marginal part of the Precambrian Platform (or East European Craton = EEC). Previous geophysical studies (e.g., POLONAISE’97 WARR project) focused on the TTZ structure itself and considered EEC crust as being relatively homogenous. However, as found e.g., by the LITHOPROBE project in Canada, signs of Paleoproterozoic collisional tectonics (sutures zones, thrusts) are commonly found in the stable cratonic crust and the reflectivity patterns observed in PolandSPAN data suggest their existence within the EEC crust as well. Tracing those deep tectonic features is one of the main research objective of this project. It is anticipated, that a tectonic model for the evolution of the marginal part of the EEC will be created from the integration of the geophysical and geological data available. In terms of the methodology, our aim is to apply a full-waveform inversion technique to the PolandSPAN profiles in order to obtain improved high-resolution velocity models of the crust. Additionally, we are going to develop a methodology for processing deep reflection seismic data focused on noise suppression and removal using novel signal processing techniques (e.g., curvelet transform). Finally, we would like to test the methodology how to integrate crustal-scale potential field modelling into the seismic interpretation workflow and how to improve potential field modelling results by incorporating constraints from seismic data.

  2. Research project methodology

    PolandSPAN seismic profiles, provided free-of-charge to both Institutes involved by ION Geophysical company, form a framework for the project. These data will be reprocessed so that the whole crust and upper mantle imaging will be possible. Project will integrate the following set of geophysical analysis techniques: seismic data processing and modelling (including full-waveform inversion), seismic data interpretation, processing, modelling (including 3D inversion) and interpretation of potential fields. Interpretations from reflection data will be compared with the previous interpretations based on the WARR data and seismological observations (e.g., receiver functions) and supplemented by the potential fields modelling results, as well as with the latest results of petrological studies of the rocks forming the EEC crystalline crust in Poland in order to create a comprehensive tectonic model of the marginal part of the EEC.

  3. Expected impact of the research project on the development of science, civilization and society

    Project is related to fundamental questions on the Phanerozoic geological evolution of the study area. This is a unique region also in the wider European context. To our knowledge, there is no other part of Europe (with the exception of the Lublin Basin in SE Poland) that has such wealth of regional high-quality data with reliable imaging of the crystalline crust. Therefore, successful completion of this project should provide results that could form important reference points for other studies in Central Europe. The scope of the analysis refers to the most ambitious research projects related to crustal structure, like COCORP, LITHOPROBE, DEKORP, however with the advantage of nowadays seismic acquisition capabilities. Poland, as the current leader in the field of deep crustal research in Central Europe, can become the leader also in the field of deep reflection seismic. The project will have an impact on a variety of specialties in the field of earth sciences. The results may provide a starting point for future research and other methods. As an example, comprehensive and integrated analysis of the different sets of geological and geophysical data should greatly improve our understanding of the relationship between the structure of the cratonic crust and intraplate magmatic activity. The project focuses on basic research and understanding of fundamental geological processes. However, certain aspects can also be used for a more practical applications, e.g. for better understanding of the Paleozoic petroleum system.

Popularnonaukowe streszczenie projektu „Relacja wieloletniej zmarzliny z rzeźbą, budową geologiczną i komponentami kriosfery w oparciu o badania geofizyczne przedpola lodowca Hansa i okolicy. Hornsund, Spitsbergen.”

Badania kriosfery należą najbardziej priorytetowych zadań naukowych na świecie. Jej składniki takie jak lodowce i wieloletnia zmarzlina tworzą ważny, ponieważ bardzo wrażliwy na zmiany klimatyczne element środowiska geograficznego. Pomimo energicznych prac prowadzonych w ostatnich latach w niektórych miejscach zasięg tych zmiennych elementów kriosfery jest jeszcze niemal w ogóle niepoznany. Okolica Hornsundu na Spitsbergenie to miejsce newralgiczne dla badan zmarzlinowych Spitsbergenu, ponieważ na tym południowym fragmencie archipelagu związane z klimatem dynamicznie zachodzące zmiany mogą być największe.

Celem projektu jest określenie powierzchni i głębokości występowania wieloletniej zmarzliny w przestrzeni pomiędzy stokiem górskim i brzegiem morskim fiordu Hornsund. Jej występowanie zależne jest tylko od oddziaływania temperatury powietrza na powierzchnię ziemi i jej czasowej zmienności, lecz także od wpływu słonej wody morskiej oraz ewolucji wybrzeża widocznej w postaci różnowiekowych teras morskich znajdujących się na różnych wysokościach w okolicy Hornsundu.

Zmienność zasięgu zlodowacenia w badanej okolicy, szczególnie w okresie od końca tak zwanej Małej Epoki Lodowej wpływała także na wieloletnia zmarzlinę modyfikując jej temperaturę jak i zawartość lodu gruntowego na przedpolu lodowca. Widać więc, że środowisko glacjalne i środowisko peryglacjalne przenikają się zarówno w ujęciu materialnym: poprzez obecność lodu różnej genezy w jednym i drugim; a także w ujęciu geofizycznym poprzez zmienność w przebiegu granicy permafrostu jaka jest temperatura 0oC.

W tym obszarze badań wykonano szereg badań geofizycznych z wykorzystaniem metody elektrooporowej, pozwalających wstępnie ocenić zakres występowania permafrostu i jego relację z lodowcem oraz rzeźbą i budową geologiczną tego terenu. Jednak zastosowanie jednej metody geofizycznej nie wystarcza dla naukowej pewności. Zwieńczeniem rozpoczętych z sukcesem badań elektrooporowych będzie zastosowanie szeroko zakrojonych badań sejsmicznych. Wraz z informacjami klimatycznymi i innymi obserwacjami bezpośrednimi stanowić one będą kompletny zestaw danych.

Zaproponowane w projekcie syntetyczne i interdyscyplinarne podejście do poznania i zrozumienia współzależności objętego permafrostem środowiska peryglacjalnego i glacjalnego to nowość w skali światowej wprowadzona do naukowego obiegu przez polskich naukowców. Pierwsze zastosowanie takiego podejścia badawczego przeprowadzono w badaniach lodowca Storglaciaren w okolicy Kebnekaise, w Szwecji. Uzyskane wyniki spotkały się z dużym zainteresowaniem naukowców Szwedzkich. Rozwinięcie tego podejścia w warunkach subpolarnych Spitsbergenu pozwoli nie tylko na rozpoznanie zmienności w zasięgu występowania permafrostu, lecz także na przybliżenie jego ewolucji w okresie od końca ostatniego zlodowacenia. Byłoby to rozwinięcie oryginalnego, polskiego podejścia badawczego pozwalającego w przyszłości na osiągnięcie roli lidera w skali światowej w tego rodzaju badaniach.

University of Helsinki, Geological Survey of Finland (GTK), Institute of Geophysics, Polish Academy of Sciences (IG PAS), Boliden Kylylahti, Vibrometric and Geopartner, research institutions and industry partners from Finland and Poland, are collaborating on the project COGITO-MIN (COst-effective Geophysical Imaging Techniques for supporting Ongoing MINeral exploration in Europe). COGITO-MIN aims to develop cost-effective, novel, geophysical deep mineral exploration techniques, with particular emphasis on seismic imaging. Seismic imaging is attractive for deep mineral exploration because of superior depth penetration and resolution when compared to other geophysical imaging techniques. The project equally addresses data acquisition, processing and interpretation aspects of the seismic reflection methods, with the overall goal to develop integrated geophysical-geological approaches for mine planning and exploration targeting. COGITO-MIN has been funded through ERA-MIN, which is a network of European organisations owning and/or managing research programs on raw materials. The funding for the Finnish COGITO-MIN project partners comes from Tekes and for the Polish project partners from the NCBR (the National Centre for Research and Development). The overall budget of the three-year-long project, launched in January 2016, is about 2 million euros.

Projekt zgłoszony przez Polskie Górnictwo Naftowe i Gazownictwo w konsorcjum z partnerami naukowymi koordynowanymi przez Państwowy Instytut Geologiczny-PIB i reprezentowanymi ponadto przez Wydział Geologii UW i Instytut Geofizyki PAN, ma na celu jak najszersze rozpoznanie geomechaniki łupków dla wspomagania poszukiwań i eksploatacji niekonwencjonalnych złóż gazu.

W badaniach zintegrowane będzie szerokie spektrum metod od laboratoryjnych analiz petrograficznych i mechanicznych, przez profilowanie rdzenia i interpretację karotaży, testów i zabiegów szczelinowania i monitoringu mikrosejsmicznego,
po przetwarzanie zdjęć sejsmicznych.

Główną metodą syntezy wyników będzie numeryczne modelowanie propagowania się fali sprężystej, naprężeń
i odkształceń oraz sprzężonych z nimi przepływów.

Wyniki badań w postaci oprogramowania i procedur prowadzenia badań posłużą do optymalizacji orientacji stabilnych poziomych otworów i zabiegów szczelinowania hydraulicznego oraz oceny ich efektywności.

Seismic method relies on elastic wave generation and propagation in the earth. It is a basic tool that is used to image the earth’s interior in the scale ranging from meters to hundreds of kilometers. Here we study the possibility of obtaining better, highly-resolved, models of the physical properties of the subsurface (like the elastic wave speed) using the method of full-waveform inversion. This method, although being computationally expensive, allows to derive such models using just raw measured data, without a need for sophisticated data processing. In order to illustrate the range of possible applications, we have applied full-waveform inversion to data acquired in engineering, regional and crustal scale. In case of the engineering scale, this method was proven a robust tool to detect quick-clay layers. Quick-clay is a specific sedimentary rock that liquefies under the applied stress, which can lead to devastating landslides. On the regional scale, we have derived a 240-km long model along a profile located in SE Poland, which illustrates huge contrast in subsurface properties of the sedimentary cover in the transition from the old Precambrian Platform to the young mountain range – the Carpathians. In the whole-crust scale, we have built a model of the earth structure along a 140-km long profile crossing the contact zone of the lithospheric plates (so called subduction zone) in the Nankai Trough (Japan). This is a place where catastrophical earthquakes occur frequently and it poses a major threat to cities like Tokio and Osaka. Our model shows complicated structure of thrusts and tectonically locked zones, i.e. the areas in which the next earthquakes can occur. The above examples illustrate the potential of the full-waveform inversion as a tool for a better (characterized by e.g. higher resolution) models of the geological medium, which can lead to a better understanding of the phenomena acting in the geosystem – first of all the natural hazards, like landslides or earthquakes.

Landslides are one of the most commonly occurring natural disasters. They claim hundreds of human lives and cost billions of dollars every year. In order to provide geophysical tools and techniques to better characterize sites prone to sliding, we carried out and evaluated the potential of several geophysical methods over a quick-clay landslide site in southwest Sweden during 2011- 2013. Sponsored by the Society of Exploration Geophysicists (SEG) through its Geoscientists Without Borders (GWB) program, our project aimed to study clay-related landslides in the Nordic countries. The project resulted in several peer-reviewed publications and helped to better understand the way quick clays are formed and possible trigger mechanisms. This is important not only to reduce the risk associated with these slides but also to seek for suitable tools and methods to better characterize areas that are prone to these types of slides.