Maria KARWASIECKA
Proceedings of International Scientific Conference
Państwowy Instytut Geologiczny
"Geothermal Energy in Underground Mines"
Oddział GórnoS
ląski
November 21-23, 2001, Ustroń, Poland
ul. Królowej Jadwigi 1, 41-200 Sosnowiec
tel. [phone], fax [phone]
e-mail: [e-mail]
POLE CIEPLNE GÓRNOR
LĄSKIEGO ZAGŁĘBIA WĘGLOWEGO
THE GEOTHERMAL FIELD OF THE UPPER SILESIAN COAL BASIN
SŁOWA KLUCZOWE: GórnoS
ląskie Zagłębie Węglowe KEY WORDS: Upper Silesian Coal Basin (USCB), heat flow,
(GZW), gęstoS
ć powierzchniowego strumienia cieplnego, geothermal gradient, thermal conductivity.
gradient geotermiczny, właS
ciwa przewodnoS
ć cieplna skał
STRESZCZENIE ABSTRACT
Obszar GórnoS
ląskiego Zagłębia Węglowego (GZW) należy The area of the Upper Silesian Coal Basin (USCB) is one of
do najlepiej zbadanych rejonów w Polsce w aspekcie oceny the best geothermally explored areas in Poland. Due to
rzeczywistej temperatury górotworu. Badania prowadzono extensive coal exploration drilling the thermal field of the basin
w latach ubiegłych dla potrzeb górnictwa węglowego, stąd has been directly established down to the depth of 1000 
zakres głębokoS
ci większoS
ci zrealizowanych odwiertów 2000 m. Below this depth the field is estimated basing on
ogranicza od dołu przewidywana głębokoS
ć eksploatacji results of calculations of the heat flow density. The values of
górniczej (1000-2000 m). Poniżej tej głębokoS
ci temperatury heat flow in the basin vary from 50 mW/m2  90mW/m2. Positive
geotermiczne mogą być oszacowane w oparciu o wyniki heat flow anomalies have been identified in the neighborhood
obliczeń gęstoS
ci powierzchniowego strumienia cieplnego of faults parallel to latitude. They are situated in the Żory 
Ziemi. WartoS
ci strumienia cieplnego zmieniają się od Jawiszowice and Bzie-Dębia  Czechowice zones, where
50 mW/m2 do ponad 90 mW/m2, S
rednia wartoS
ć obliczona tectonothermic reactivation was active during the early alpine
dla 158 otworów wynosi 70,4ą8,5 mW/m2. Anomalie dodatnie orogenic phases. The relatively high geothermal temperatures,
występują w sąsiedztwie stref uskokowych o rozciągłoS
ci measured within the depth reached by boreholes, are
równoleżnikowej, Żory  Jawiszowice oraz Bzie-Dębina  perspective in respect of exploitation of the geothermal energy.
Czechowice, których reaktywacja tektonotermiczna miała
miejsce prawdopodobnie w fazach młodoalpejskich.
Stwierdzone w tym rejonie występowanie relatywnie wysokich
temperatur geotermicznych na głębokoS
ciach dostępnych
wierceniami stwarza korzystne warunki dla pozyskania energii
geotermicznej dla celów energetycznych.
* * * * * *
1. WPROWADZENIE 1. INTRODUCTION
Systematyczne badania gęstoS
ci powierzchniowego Methodical studies of the surface heat flow density have
strumienia cieplnego Ziemi są prowadzone od 1963 roku been conducted since 1963 under the auspices of the
pod auspicjami Międzynarodowej Unii Geodezji International Union of Geodesy and Geophysics. In
i Geofizyki (International Union of Geodesy and Geo- Poland, such investigations were initiated by S. Plewa
physics). W Polsce prekursorem tych badań był (Plewa, 1966).
S. Plewa (Plewa, 1966). Heat flow density can be calculated after a series
Dla oznaczenia gęstoS
ci strumienia cieplnego Zie- of temperature measurements in deep boreholes un-
mi niezbędne jest wykonanie pomiarów temperatury der conditions of thermal equilibrium, and thermal con-
w głębokich odwiertach w warunkach ustalonej równow- ductivity measurements of rocks. An essential element
agi cieplnej oraz zbadanie właS
ciwej przewodnoS
ci cie- that affects the accuracy of such calculations is deter-
plnej skał w badanym profilu litostratygraficznym. mination of conditions under which the heat flow trans-
Istotnym elementem wpływającym na dokładnoS
ć ob- fer proceeds, in particular estimates of contribution of
liczeń jest okreS
lenie warunków transferu ciepła, the convection component.
zwłaszcza ocena udziału składowej konwekcyjnej. Temperature data measured in deep boreholes,
Przeprowadzono analizę dostępnych pomiarów and thermal conductivity measurements performed in
temperatury górotworu wykonanych w głębokich the laboratory, have been analysed. A special
Recenzent / Reviewer: prof. dr hab. inż. Kazimierz Twardowski
41
od- wiertach oraz laboratoryjnych pomiarów własnoS
ci attention was paid to investigations carried out in bore-
cieplnych skał, ze szczególnym uwzględnieniem badań holes drilled by the Upper Silesian Branch of the Polish
wykonanych w parametrycznych otworach PIG OG Geological Institute in Sosnowiec. The boreholes were
Sosnowiec, które zostały zaprojektowane w węzłowych, located at key sites in respect to the geological structu-
dla rozpoznania budowy geologicznej, punktach re of the area, and they have yielded a broad range of
zagłębia. W wymienionych otworach równolegle z sze- both geological and geothermal data (temperature log-
rokim zakresem badań geologicznych zostały wyko- ging performed under conditions of thermal equilibrium
nane badania geotermiczne (profilowanie temperatury and measurements of thermal properties of rocks made
w warunkach ustalonej równowagi cieplnej i badania in the laboratory).
laboratoryjne własnoS
ci cieplnych skał). Until now, over 5000 boreholes have been drilled
Do chwili obecnej w omawianym obszarze obej- in an area of approximately 5500 sq. km. Permanent
mującym około 5500 km2 powierzchni wykonano pon- temperature loggings were run in approximately 600
ad 5000 odwiertów, w tym ciągłe profilowanie boreholes. Boreholes, in which temperature measure-
temperatury zostało zrealizowane w około 600 otworach ments were made, are not distributed uniformly. Their
wiertniczych. Otwory wiertnicze z pomiarami tempe- location is constrained by the regionalization of areas
ratury są rozmieszczone nierównomiernie, ich lokaliza- of hard coal documenting. By the end of 1970s the area
cja pozostaje w S
cisłym związku z rejonizacją obszarów was penetrated down to a depth of just below 1000 m,
dokumentowania złóż węgla kamiennego, głębokoS
ć due to coal exploitation that commonly performed to
penetracji do końca lat siedemdziesiątych na ogół tylko these depths. In the 1980s, direct drilling exploration of
nieznacznie przekraczała 1000 m i podyktowana była deeply buried coal-bearing Carboniferous series re-
zainteresowaniem górnictwa wydobyciem węgla mak- ached a depth of 2000 m. Temperature values were
symalnie do tej głębokoS
ci. W latach osiemdziesiątych measured in a broad range of conditions of temperatu-
bezpoS
rednie rozpoznanie wiertnicze głębokich po- re field stabilization around drillholes (including measu-
ziomów karbonu produktywnego prowadzono do res made just after a sweep as well as measures
głębokoS
ci 2000 m. Pomiary temperatury wykonano recorded after a long drilling break; with average dril-
przy zachowaniu szerokiego zakresu zmian kryterium ling break 120 h). Temperatures were measured using
stabilizacji pola temperatur w sąsiedztwie otworu wiert- resistance thermometers (with accuracy of measure-
niczego (od pomiarów bezpoS
rednio po płukaniu, do ment ą0,3�C). At the base of measuring intervals addi-
pomiarów wykonanych po kilkunastodobowej stójce; tional points were selected for temperature
S
rednia stójka 120 h). Pomiary temperatury realizo- measurements with the use of maximum reading ther-
wano termometrami elektrooporowymi o bezwzględnej mometers. The observed divergencies between measu-
dokładnoS
ci pomiaru ą0,3�C. W spągu odcinków pomi- rements did not exceed 0.5�C. Commonly, the
arowych prowadzono dodatkowo punktowe pomiary estimation error of real temperature is considerably gre-
temperatury, wykonane termometrami maksymalnymi. ater and is related to the occurrence of additional ther-
Stwierdzone różnice nie przekraczają 0,5�C. Na ogół modynamic factors induced by the drilling process
błąd oceny rzeczywistej temperatury górotworu jest (Karwasiecka, Rychlicki, 1988).
znacznie większy i jest związany z obecnoS
cią do- Estimates of geothermal parameters of the massif
datkowych bodx
ców termodynamicznych uruchomio- were performed for thermograms recorded under qua-
nych w procesie wiercenia (Karwasiecka, Rychlicki, sistationary conditions. The basic criteria for verifica-
1988). tion of temperature measurements were the following:
Ocena parametrów geotermicznych górotworu drilling break duration from the completion of fishing job
została przeprowadzona dla termogramów zarejestrow- until the moment of measure, temperature recorded
anych w warunkach zbliżonych do quasistacjonarnych. on neutral horizon (where influences associated with
Podstawowym kryterium weryfikacji pomiaru tempe- the insolation process obsolete), and monotonous cha-
ratury były: czas zatrzymania odwiertu od chwili zakoń- racter of variations in temperature versus depth.
czenia wszelkich prac instrumentacyjnych do chwili Measurements of the thermal conductivity of rocks
pomiaru -  stójka odwiertu, temperatura zarejestrowa- were made using the method of stationary measure-
na na poziomie neutralnym, gdzie zanikają wpływy ment and with the use of standard quartz crystal, cut
związane z insolacją, oraz monotoniczny charakter out along optical axes, to calibrate the devices. Labo-
zmian temperatury z głębokoS
cią. ratory studies were carried out at the Department of
Pomiary przewodnoS
ci cieplnej skał były realizo- Petrophysics of the Geophysical Exploration Company
wane z wykorzystaniem metody stacjonarnego pomia- in Warsaw. Before measure the samples were dried in
ru oraz z zastosowaniem wzorców, kryształu kwarcu a vacuum dryer, at temperatures of 105-110�C, as long
wyciętych wzdłuż osi optycznych, do kalibracji apara- as they achieved a constant weight, and then satura-
tury. Badania laboratoryjne zostały wykonane w Zakła- ted with 5% NaCl solution.
dzie Petrofizyki Przedsiębiorstwa Badań Geofizycznych A total number of 2212 samples, representing main
(PBG) w Warszawie. Próby przed wykonaniem pomia- lithotypes of a barren rock in the lithostratigraphic co-
ru były suszone do stałej wagi, w suszarce próżniowej lumn, were collected from 20 boreholes and then exa-
w temperaturze 105-110�C, następnie nasycone 5% mined.
42
roztworem soli NaCl. The objects of analysis were samples cut out per-
Przebadana kolekcja skał dotyczyła 2212 prób po- pendicular to the core axis. Values of thermal conducti-
branych z 20 odwiertów reprezentujących podstawo- vity of coals were taken from literature data (Chmura,
we litotypy skał płonych występujące w profilu 1970; Chmura, Chudek, 1992, M. Plewa, S. Plewa,
litostratygraficznym. Przedmiotem analizy były próby 1999).
wycięte w kierunku równoległym do osi rdzenia. Ciepl-
ną przewodnoS
ć węgla kamiennego przyjęto wg danych
2. RESULTS OF HEAT FLOW DENSITY STUDIES
literaturowych (Chmura, 1970; Chmura, Chudek, 1992;
M. Plewa, S. Plewa, 1999). Values of the surface heat flow density were calcula-
ted using the phenomenological Fourier equation:
2. WYNIKI BADAŃ GĘSTOR
CI
POWIERZCHNIOWEGO STRUMIENIA
q = -K " gradT
CIEPLNEGO ZIEMI
WartoS
ć gęstoS
ci powierzchniowego strumienia ciepl-
The calculated heat flow density value is depen-
nego Ziemi obliczono wykorzystując fenomenologicz-
dent on both the assumed method of approximation of
ne równanie Fouriera
the vertical temperature gradient and the structural
model, employed to estimate the effective thermal con-
q = -K " gradT
ductivity of rocks.
The geothermal gradient, as the first derivative of
Wyznaczona wartoS
ć gęstoS
ci strumienia cieplne- temperature versus depth, is a parameter very sensi-
go zależy do przyjętego sposobu aproksymacji piono- ble to temperature fluctuations, both these related to
wego gradientu temperatury oraz zastosowanego the real state of the massif and those resulting from
modelu strukturalnego oS
rodka dla oszacowania efek- random noises.
tywnej przewodnoS
ci cieplnej skał. Calculation accuracy of the gradient value is de-
Gradient geotermiczny jako pierwsza pochodna pendent on both the accuracy of temperature measu-
temperatury względem głębokoS
ci jest parametrem rements and length of measuring interval (scale effect).
czułym na fluktuacje temperatury, zarówno te związa- In the area of interest the  moving window me-
ne z rzeczywistym stanem górotworu, jak również wy- thod was employed to calculate the geothermal gra-
nikające z rejestracji przypadkowych  szumów . dient, because there is a lack of temperature
DokładnoS
ć obliczenia gradientu zależy od dokład- measurements, made using a technique which could
noS
ci pomiaru temperatury, a także długoS
ci interwału allow the accuracy of measurements of ą0.01�C.
obliczeniowego (efekt skali). W omawianym rejonie The calculations were made along 200 m-long in-
z uwagi na brak pomiarów temperatury wykonanych tervals with 50 m-long  window . This method allows to
techniką termistorową umożliwiającą wyznaczenia tem- smooth the recorded temperature variations. The geo-
peratur z dokładnoS
cią rzędu ą0,01�C, zastosowano dla thermal gradient in the boreholes from the Upper Sile-
obliczenia gradientu geotermicznego metodę ruchome- sian Coal Basin varies within broad limits from
go   kroczącego okna . Obliczenia prowadzono w od- 2.0�C/100 m to over 4.5�C/100 m (Karwasiecka, 1996).
cinkach 200 m z zachowaniem  okna o długoS
ci 50 m. In a surface plan, variations of the geothermal gra-
Zastosowana metoda pozwala na wygładzenie rejestro- dient are characterized by a general trend of decreasing
wanych zmian temperatury. values from the southwest towards southeast (Fig. 1).
Gradient geotermiczny w profilu litostratygraficz- Geometry of surface distribution of the vertical geother-
nym badanych odwiertów w obszarze GZW zmienia się mal gradient shows a zonal pattern of isolines. In the
w szerokich granicach od 2,0�C/100 m do ponad central area of the main trough geothermal gradient
4,5�C/100 m (Karwasiecka, 1996). W planie powierzch- values are lower. In the eastern part of the Upper Sile-
niowym zmiany pionowego gradientu geotermicznego sian Coal Basin near Chrzanów, the values reach
charakteryzuje generalny trend obniżania wartoS
ci 2.0�C/100 m, whereas in the west, near Rybnik -
w kierunku z południowego-zachodu na południowy- 3.0�C/100 m. Positive anomalies, characterized by
wschód (rys. 1). Geometria powierzchniowego rozkła- a gradient value > 3.5�C/100 m, are observed south of
du pionowego gradientu geotermicznego wykazuje the Żory  Jawiszowice fault zone and in the northern
strefowy układ izolinii. W centralnym obszarze niecki part of the area. Local anomalies observed at Bzie-
głównej obserwuje się obniżone wartoS
ci gradientu geo- Dębiny and Czechowice (with geothermal gradient
termicznego, który na wschodzie zagłębia w okolicach > 4.5�C/100 m) are also seen within the positive ano-
Chrzanowa przyjmuje wartoS
ci rzędu 2,0�C/100 m oraz maly in SE part of the Upper Silesian Coal Basin. The
na zachodzie, w okolicach Rybnika, rzędu relatively lowest geothermal gradients are observed
3,0�C/100 m. Dodatnie anomalie charakteryzujące się within the area of the occurrence of the Kraków Sand-
gradientem powyżej 3,5�C/100 m występują na połu- stone Series, composed mostly of thick-bedded sand-
dnie od strefy uskokowej Żory - Jawiszowice oraz na stones whose contribution in the section ranges from
43
 I
Ryc. 1. Mapa gradientu geotermicznego na obszarze GórnoS
ląskiego Zagłębia Węglowego.
Izolinie gradientu w �C/100 m.
Fig. 1. Geothermal gradient of the Upper Silesian Coal Basin. Isolines in 0C/100 m.
północy w rejonie siodła głównego. W obrębie dodat- 75 to 92% of the total thickness. This complex, due to
niej anomalii w SE częS
ci GZW występują lokalne ano- its high porosity and permeability and favourable water
malie Bzie-Dębiny oraz Czechowic (gradient circulation conditions, is the most prominent water-be-
geotermiczny powyżej 4,5�C/100 m). Relatywnie naj- aring horizon of the coal-bearing Carboniferous (Róż-
niższe gradienty geotermiczne obserwowane są w ob- kowski et al., 1992, Wagner, 1998).
szarze występowania utworów krakowskiej serii The supply of water-bearing horizons takes place
piaskowcowej zbudowanej głównie z piaskowców gru- either directly at outcrops or through permeable
boławicowych, których udział w profilu waha się w gra- Quaternary deposits (infiltrating rainfall waters). Perma-
nicach od 75 do 92% ogólnej miąższoS
ci. Wymieniony nent cooling by the infiltrating waters is one of the most
kompleks utworów z uwagi na wysoką porowatoS
ć important reason of anomalous distribution of the tem-
i przepuszczalnoS
ć oraz korzystne warunki zasilania perature field in this area.
tworzy najsilniej wodonoS
ną częS
ć karbonu produktyw- Extrapolation of temperatures in the vertical profile
nego (Różkowski i in., 1992; Wagner, 1998). Zasilanie beneath the interval of direct observations, made on
poziomów wodonoS
nych ma miejsce bezpoS
rednio na the basis of the temperature gradient, can lead to se-
wychodniach, bądx
przez przepuszczalne utwory rious errors. The inner heat of the Earth is effectively
czwartorzędu (infiltrujące wody atmosferyczne). Perma- characterized by the surface heat density flow which
nentne ochładzanie poprzez infiltrujące wody jest aquires a constant value (assuming the absence of in-
w omawianym regionie w dużym stopniu przyczyną ano- ner heat sources and, at least, quasistationary geother-
malnego rozkładu pola temperatur. mal field).
Ekstrapolacja temperatur w profilu głębokoS
ciowym Values of the geothermal gradient, measured be-
poniżej poziomu bezpoS
rednich obserwacji w oparciu neath the active formation water circulation (600-
o gradient temperatury może prowadzić do znaczących 800 m below the surface), and laboratory measure-
błędów. Parametrem, który efektywnie charakteryzuje ments of thermal conductivity of rocks, made on sam-
44
wewnętrzne ciepło Ziemi jest gęstoS
ć powierzchniowe- ples oriented parallel to the borehole axis were em-
go strumienia cieplnego, który przyjmuje wartoS
ć stałą ployed to calculate the surface heat flow density.
(przy założeniu nieobecnoS
ci wewnętrznych x
ródeł cie- The surface heat flow density in the area was defi-
pła oraz conajmniej quasistacjonarnego pola cieplne- ned for 20 boreholes basing on the study results of the
go). geothermal gradient and measurements of thermal con-
Dla obliczenia gęstoS
ci powierzchniowego strumie- ductivity of rocks from the same borehole.
nia cieplnego wykorzystano wartoS
ci gradientu geoter- For other boreholes, results of the statistical analy-
micznego obliczone poniżej aktywnego obiegu wód sis was employed. The results were used for estimates
złożowych (600-800 m od powierzchni ziemi), oraz po- of mean thermal conductivity for each lithotype (Kar-
miary laboratoryjne przewodnoS
ci cieplnej skał wyko- wasiecka, 2001).
nane dla prób zorientowanych w kierunku równoległym A structural model, consisting of flat- and parallel-
do osi otworu. WartoS
ć gęstoS
ci strumienia cieplnego lying layers of different lithologies and diversified ther-
Ziemi w omawianym rejonie, dla 20 odwiertów, została mal properties, was assumed to calculate the surface
wyznaczona w oparciu o wyniki badań gradientu geo- heat flow density. The calculations were made with the
termicznego i laboratoryjne pomiary właS
ciwej przewod- assumption that the heat transfer proceeds towards the
noS
ci cieplnej skał pobrane w profilu tego samego Earth s surface through the conduction process. The
odwiertu. Dla pozostałych odwiertów wykorzystano wy- determined value of the surface heat flow density cha-
niki badań analizy statystycznej, w oparciu o które es- racterizes its vertical component.
tymowano S
rednie wartoS
ci przewodnoS
ci cieplnej dla A definition of the equivalent structural model has
odpowiednich litotypów skał (Karwasiecka, 2001). Dla an essential importance for the estimates of ability to
obliczenia gęstoS
ci powierzchniowego strumienia ciepl- conduct thermal energy in real rocks. Such a model
nego założono model strukturalny oS
rodka składający allows to assign effective values of thermal conductivi-
się z płasko-równoległych warstw o zróżnicowanej lito- ty on the basis of parameters discretely tested.
logii i odpowiednio zróżnicowanych własnoS
ciach ciepl- A multiple rock body has been replaced by flat-
nych skał. Obliczenia prowadzono przy założeniu, że and parallel-lying layers represented by lithotypes oc-
transport ciepła ma miejsce w kierunku powierzchni curring in the real lithostratigraphic profile. Values of
Ziemi i jest realizowany na drodze kondukcji. Wyzna- thermal conductivity, measured in the laboratory or pro-
czona wartoS
ć gęstoS
ci strumienia cieplnego charak- gnosticated from the statistical analysis of the rock sam-
teryzuje jego składową pionową. ples collection, were assigned to individual layers
Zasadnicze znaczenie dla oceny zdolnoS
ci do prze- (Karwasiecka, 2001).
wodzenia energii cieplnej w rzeczywistych oS
rodkach Mean thermal conductivity was calculated, for
skalnych ma zdefiniowanie ekwiwalentnego modelu a model in which the heat transfer proceeds along the
strukturalnego, który pozwoli na przyporządkowanie axix perpendicular to bedding planes, was calculated
efektywnych wartoS
ci przewodnoS
ci cieplnej na pod- as the harmonic weighted mean according to estima-
stawie zbadanych dyskretnie parametrów. Wieloskład- tion principles of physical properties of tensor nature.
nikowy oS
rodek skalny zastąpiono układem
płasko-równoległych warstw reprezentowanych przez
1
występujące w profilu litostratygraficznymi litotypy skał. Kefp =
ni 1
Poszczególnym wydzielonym warstwom przyporządko-
Ł "
n Ki
wano wartoS
ć przewodnoS
ci cieplnej zmierzoną w wa-
runkach laboratoryjnych, bądx
prognozowaną w oparciu
o statystyczne opracowanie zebranej kolekcji skał (Kar-
where:
wasiecka, 2001).
ni and Ki denote thickness of homogenous lithologic
Dla modelu, w którym transport ciepła realizowany
layers and thermal conductivity of rocks, respecti-
jest w kierunku prostopadłym do uwarstwienia uS
red-
vely
niona przewodnoS
ć cieplna została obliczona jako S
red-
n  thickness of the analysed depth interval
nia ważona harmoniczna zgodnie z zasadami estymacji
właS
ciwoS
ci fizycznych o charakterze tensorowym
For conditions under which the heat transfer is pro-
ceeds along the axis parallel to bedding planes, mean
1
thermal conductivity was calculated as the arithmetic
Kefp =
ni 1
weighted mea.
Ł "
n Ki
gdzie:
ni
Kefr = Ł Ki
ni i Ki odpowiednio miąższoS
ć występujących jedno-
n
rodnych warstw litologicznych oraz przewodnoS
ć
cieplna skał
The value of the equivalent parameter of thermal
n  miąższoS
ć analizowanego interwału głębokoS
cio-
conductivity, calculated along the axis perpendicular to
wego
45
Dla warunków, kiedy transport ciepła realizowany
bedding planes, is lesser than thermal conductivity cal-
jest w kierunku równoległym do uwarstwienia uS
red- culated parallel to bedding planes.
niona przewodnoS
ć cieplna została obliczona jako S
red- The calculated values are the bottom and top limit
nia ważona arytmetyczna
of effective thermal conductivity of multiple rock bodies.
Differences are especially high in rock bodies where
the components are characterized by significantly dif-
ni
ferent values of various parameters.
Kefr = Ł Ki
n
Effective thermal conductivity of the coal-bearing
Carboniferous is highly influenced by its coal-prone na-
WartoS
ć ekwiwalentnego parametru przewodnoS
ci
ture, because coals are characterized by thermal con-
cieplnej obliczona w kierunku prostopadłym do uwar-
ductivity values lower by an order of magnitude than
stwienia jest mniejsza od przewodnoS
ci cieplnej obli-
barren rocks. Even small percentage of coal-bearing
czonej w kierunku równoległym do uwarstwienia.
strata in the profile, rarely exceeding 10% (Kwarciński
Wyznaczone wartoS
ci stanowią dolną i górną granicę
i in., 1999), significantly influences the calculated ther-
efektywnej przewodnoS
ci cieplnej skał dla oS
rodków
mal conductivity, depending on the manner of calcula-
wieloskładnikowych. Różnice są szczególnie istotne dla
tion.
oS
rodków, w których poszczególne składniki charakte-
A graphic illustration of changes in effective ther-
ryzują się istotnie różnymi wartoS
ciami analizowanych
mal conductivity in the coal-bearing Carboniferous com-
parametrów. Dla profilu litostratygraficznego obejmują-
plex, according to the percentage contribution of
cego utwory karbonu węglonoS
nego na efektywną prze-
individual lithological components, is shown in the chart
wodnoS
ć cieplną kompleksu w sposób szczególnie
(Fig. 2). The calculations were made using the multiple
istotny wpływa węglonoS
noS
ć, ponieważ węgle charak-
regression method and  Statistica software.
teryzują się o rząd niższą przewodnoS
cią cieplną od
skał płonych. Z uwagi na powyższe, nawet nieduża pro-
centowa węglonoS
noS
ć profilu, rzadko przewyższają-
ca 10% (Kwarciński i in. 1999) w sposób istotny wpływa
na wartoS
ć obliczonej efektywnej przewodnoS
ci w za-
leżnoS
ci od przyjętego sposobu obliczania S
redniej.
Graficzną ilustrację zmian efektywnej przewodnoS
ci
cieplnej w profilu utworów karbonu produktywnego
w zależnoS
ci od procentowego udziału poszczególnych
składników litologicznych przedstawiono na wykresie
(rys. 2). Obliczenia przeprowadzono z wykorzystaniem
metody regresji wielowymiarowej oraz programu kom-
puterowego  Statistica .
Profil litologiczny w obrębie badanych odcinków
Ryc. 2. ZależnoS
ć przewodnoS
ci cieplnej skał od składu
odtworzono w oparciu o makroskopowy opis rdzenia
litologicznego.
oraz analizę krzywych profilowania geofizycznego. Na
ogół treS
ć litologiczną, z uwagi na pełne rdzeniowanie,
Fig. 2. Dependence of thermal conductivity upon lithologies.
szeroki zakres wykonanych badań geofizycznych oraz
skalę rejestracji (podstawowe badania 1:200, detaliza-
cyjne 1:50) można było odtworzyć z bardzo dużą roz-
dzielczoS
cią. MiąższoS
ć wydzielonych warstw wynosiła
Lithological sections of the analysed profiles have
od 0,2 m do kilkudziesięciu metrów.
been reconstructed on the basis of both drillcore stu-
GęstoS
ć strumienia cieplnego, obliczona w profilu
dies on a macro scale and analysis of gamma-ray log-
158 odwiertów, zmienia się w szerokich granicach od
ging. The lithologies were commonly very easy to be
53,0-95,7 mW/m2, S
rednia wartoS
ć wynosi
determined owing to complete coring, broad range of
70,4ą8,5 mW/m2. Obliczony niezależnie dla czeskiej
well loggings and large recording scales (1:200, 1:50).
częS
ci zagłębia, w rejonie ostrawsko-karwińskim stru-
Thicknesses of individual beds vary from 0.2 m to se-
mień cieplny wynosił 82ą16 mW/m2, po korekcie
veral tens of metres.
uwzględniającej udział w profilu utworów fitogenicznych
The heat flow density, calculated for 158 boreho-
70ą8 mW/m2 (Kubik, �ermak, 1986).
les, varies in a broad range from 53.0 to 95.7 mW/m2,
Wyznaczone w poszczególnych otworach wyniki
with 70.4ą8.5 mW/m2 on the average. Heat flow valu-
oznaczeń gęstoS
ci strumienia cieplnego porównano
es, calculated independently for the Ostrava-Karvina
z publikowanymi badaniami przeprowadzonymi w la-
region in the Czech Republic, is 82ą16 mW/m2 and
tach ubiegłych (S. Plewa, 1976; M. Plewa, 1988;
70ą8 mW/m2 if corrected for the presence of phytoge-
M. Plewa, S. Plewa, Sroka, R
miszek, 1995). Bardzo
nic layers in the profile (Kubik, �ermak, 1986).
dużą zgodnoS
ć wyników uzyskano w odniesieniu do
The results of heat flow density from individual bo-
otworów Bzie Dębina 3 oraz Goczałkowice IG1, gdzie
reholes were compared with data published in
46
odpowiednie wartoS
ci mieszczą się w granicach błędu previous years (S. Plewa, 1976; M. Plewa, 1988; M.
oszacowania. Plewa, S. Plewa, Sroka, R
miszek, 1995). Similar re-
Obliczone wartoS
ci gęstoS
ci powierzchniowego sults have been obtained for the Bzie Dębina 3 and
strumienia cieplnego Ziemi zostały wykorzystane do Goczałkowice IG1 boreholes, where calculated values
konstrukcji mapy w omawianym obszarze (rys. 3). Po- fall within the limit of error. The calculated values of the
wierzchniowy rozkład zmian analizowanego parame- surface heat flow density have been employed to con-
tru wskazuje, że omawiany rejon nie może być struct a map of the area (Fig. 3). Surface distribition of
traktowany jako homogeniczny z punktu widzenia cha- changes of this parameter shows that this region can-
rakterystyki pola cieplnego. not be considered a homogenous area in terms of geo-
Niskie wartoS
ci strumienia cieplnego obserwujemy, thermal field characteristics.
w NW częS
ci GZW (rejon fałdów gliwickich). GęstoS
ć Low heat flow values are observed in the northwe-
strumienia cieplnego w tym rejonie przyjmuje wartoS
ć stern part of the Upper Silesian Coal Basin (Gliwice
rzędu 60 mW/m2 i roS
nie w kierunku na SE przyjmując folds). The heat flow density amounts to approximately
wartoS
ci bliskie 70 mW/m2 w rejonie Szczygłowic i Dę- 60 mW/m2 in that area, increasing southeastwards to
bieńska. Podobne wyniki dla tego rejonu podają K. Pro- 70 mW/m2 near Szczygłowice and Dębieńsko. Similar
bierz i M. Lewandowska (Probierz, Lewandowska, results are cited for that area by K. Probierz & M. Le-
1998) oraz M. Plewa (Plewa, 1988). wandowska (Probierz, Lewandowska, 1998) and M. Ple-
Dodatnie anomalie pola cieplnego (powyżej wa (Plewa, 1988).
80 mW/m2) występują w SW rejonach GZW w sąsiedz- Positive anomalies of the geothermal field (over
twie stref uskokowych Żory  Jawiszowice i Bzie-Dębi- 80 mW/m2) are observed in the southwestern areas of
na  Czechowice oraz na północy w rejonie siodła the Upper Silesian Coal Basin close to the Żory  Jawi-
głównego w sąsiedztwie uskoku kłodnickiego. szowice and Bzie-Dębina  Czechowice fault zones,
64.0
67.0
66.0
73.0
81.0
66.0
59.0
63.0
72.0
63.0
64.0
96.0
77.0
78.0
88.0
78.0
69.0
81.0
81.0
83.0
82.0
67.0
Ryc. 3. Mapa gęstoS
ci powierzchniowego strumienia cieplnego na obszarze GórnoS
ląskiego Zagłębia Węglowego. Izolinie
strumienia w mW/m2.
Fig. 3. Surface heat flow density of the Upper Silesian Coal Basin. Isolines in mW/m2.
47
Wspomniane strefy uskokowe wykazują generalnie rów- as well as in the north near the Kłodnica fault. These
noleżnikowy kierunek rozciągłoS
ci, są zakorzenione fault zones show a general longitudinal strike and they
w głębokim podłożu bloku górnoS
ląskiego, ich reakty- are rooted in a deep basement of the Upper Silesian
wacja miała miejsce w okresie orogenezy alpejskiej (Ko- Block. They were reactivated during the Alpine oroge-
tas, 1985). W S
wietle niektórych poglądów uskoki te ny (Kotas, 1985).
wykazują aktywnoS
ć do czasów współczesnych (Alek- Some authors claim that the faults have been acti-
sandrowicz, 1964; Kowalczyk, 1972; Teper, 1998). ve until now (Aleksandrowicz 1964; Kowalczyk, 1972;
Młoda aktywizacja tektonotermiczna, stwierdzone Teper, 1998).
występowanie relatywnie wysokich temperatur geoter- Young tectonothermal activity and the occurrence
micznych na głębokoS
ciach dostępnych wierceniami of relatively high geothermal temperatures at depth at-
stwarza korzystne warunki dla pozyskania energii geo- tainable by drillings create favourable conditions for
termicznej dla celów energetycznych (Karwasiecka, winnng of geothermal energy (Karwasiecka 1996, 2000;
1996; 2000; Małolepszy, 1999; Twardowski, 2000; Małolepszy, 1999; Twardowski 2000; S. Plewa (ed.),
S. Plewa (red.), 2001). 2001).
W strefie dodatnich anomalii pola temperatur geo- Potential water-bearing horizons, which occur in
termicznych charakteryzujących SW częS
ć GZW po- the area of positive anomalies of the geothermal tem-
tencjalne horyzonty wodonoS
ne związane mogą być perature field and are characteristic of SW part of the
z utworami górnoS
ląskiej serii piaskowcowej, zalegają- Upper Silesian Coal Basin, can be associated with the
cymi w tym rejonie na głębokoS
ciach rzędu 1400- Upper Silesian sandstone series, lying in this area at
2000 m. Prognozowane temperatury geotermiczne depths of 1400-2000 m.
wynoszą odpowiednio 60-85�C. Czynnikami utrudnia- Expected geothermal temperatures range from 60
jącymi pozyskanie energii geotermalnej z utworów kar- to 85�C. The factors that makes it difficult to win geo-
bonu produktywnego jest niska przepuszczalnoS
ć skał thermal energy from the coal-bearing Carboniferous de-
oraz wysoka mineralizacja płynów złożowych. posits are low permeability of rocks and high
Należy natomiast rozważyć możliwoS
ć pozyskania mineralization of brines.
energii geotermalnej z węglanowych utworów zalega- Other sources of geothermal energy, that should
jących w spągu serii węglonoS
nych oraz energii ciepl- be considered, are carbonate deposits occurring at the
nej zakumulowanej w wodach wypełniających base of coal-bearing series and waters filling old exca-
wyrobiska poeksploatacyjne zlikwidowanych kopalń vations of closed coal mines.
węgla kamiennego.
3. CONCLUSIONS
3. WNIOSKI
1. The analysis of the surface heat flow density of the
1. Analizę gęstoS
ci powierzchniowego strumienia Upper Silesian Coal Basin has been performed on
cieplnego Ziemi w obszarze GZW opracowano na both material derived from 158 boreholes, in which
podstawie 158 otworów, w których pomiary temperature measurements were made under
temperatury zostały wykonane w warunkach quasistationary conditions (with average drilling
quasistacjonarnych (S
rednia stójka 170 h) oraz break 170 h), and results of laboratory measure-
wyników laboratoryjnych pomiarów własnoS
ci ments of thermal parameters of 2212 rock samples
cieplnych skał dla 2212 prób reprezentujących collected from 20 boreholes, and representing main
podstawowe litotypy i pobranych z 20 odwiertów. lithotypes.
2. WartoS
ć gęstoS
ci powierzchniowego strumienia 2. The values of surface heat flow in the Upper Sile-
cieplnego Ziemi zmienia się w obszarze GZW sian Coal Basin vary within broad limits from
w szerokich granicach od 50 mW/m2 do ponad 50 mW/m2 to over 90 mW/m2, with the average va-
90 mW/m2 S
rednia wartoS
ć wynosi lue of 70.4ą8.5 mW/m2. A distinct positive anomaly
70,4ą8,5 mW/m2. Wyrax
na dodatnia anomalia is observed in the southwestern area. It corresponds
występująca w rejonie południowo-zachodnim, jest to both temperature field anomalies, recorded at all
zbieżna z anomaliami pola temperatur na wszyst- the analyzed horizons, and the field of coal quality.
kich analizowanych poziomach oraz polem jakoS
ci Local anomalies at Suszec, Bzie-Dębiny and Cze-
złóż węgla. W obrębie tej anomalii wyróżniono chowice occur within the positive anomaly.
lokalne anomalie Suszca, Bzia-Dębiny oraz 3. A negative anomaly of the vertical temperature gra-
Czechowic. dient, observed in the eastern area of the Upper
3. Ujemna anomalia pionowego gradientu temperatury Silesian Coal Basin, is associated with the area of
obserwowana we wschodnich rejonach GZW the occurrence of the Kraków Sandstone Series.
pozostaje w wyrax
nym związku z obszarem
wystepowania krakowskiej serii piaskowcowej, który
znajduje się w odkrytym hydrogeologicznie rejonie.
48
LITERATURA REFERENCES
ALEKSANDROWICZ S., 1964 - Przejawy tektoniki mioceń- PLEWA M., PLEWA S., SROKA K., R
MIESZEK R. (presen-
skiej w Zagłębiu GórnoS
ląskim. Acta Geol. Pol. 12, 2. ted by R. Ney), 1995 - New Determination of the Terre-
CHMURA K., 1970  WłasnoS
ci fizyko-termiczne skał niek- strial Heat Flow in Poland. Bull. Of the Polish Academy of
tórych zagłębi górniczych. Wyd. R
ląsk. Katowice. Sciences, Earth Sciences, Vol. 43, No 4.
CHMURA K., CHUDEK M., 1992  Geotermika górnicza. Pol. PLEWA M., PLEWA S., 1999  Wyniki badań termicznych
R
l. Skrypty Uczelniane nr 1596. Gliwice. własnoS
ci skał GórnoS
ląskiego Zagłębia Węglowego. 10
KARWASIECKA M., RYCHLICKI S., 1988  Ocena wpływu Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna,
warunków pomiaru na wartoS
ć rejestrowanej temperatury Nowe Metody i technologie w Geologii Naftowej, Wiertnic-
w otworach wiertniczych. Mat. IV Krajowej Konferencji twie, Eksploatacji Otworowej i Gazownictwie. 24-25 czer-
Geofizyki Wiertniczej  Kierunki modernizacji geofizyki wiert- wiec 1999. Kraków. 103-111.
niczej w Polsce . Drzonków. PLEWA S., 1966  Regionalny obraz parametrów geotermicz-
KARWASIECKA M., 1996a  Atlas Geotermiczny GórnoS
lą- nych obszaru polski. Pr. Geof. i Geol. Kraków. 1-88.
skiego Zagłębia Węglowego. Wydawnictwo Kartograficz- PLEWA S., 1976  The New Results of Surface Heat Flow
ne Polskiej Agencji Ekologicznej S.A. Warszawa. Investigations of Earth Crust Performed in Karpaty Moun-
KARWASIECKA M., 1996b  Perspektywy pozyskania ener- tains. Publ. Geoph. Pol. Acad. Sci. A-2 (101).
gii geotermicznej w obszarze GZW. Tech. Posz. Geol. PLEWA S., 2001  Zagadnienie jakoS
ci krzywych profilowa-
Geosynoptyka i Geotermia, nr 3-4, Kraków. nia w otworach wiertniczych GórnoS
ląskiego Zagłębia
KARWASIECKA M., 2000  Niektóre uwarunkowania wyko- Węglowego. S. Plewa (red.) Rozpoznanie pola cieplnego
rzystania energii geotermicznej w GórnoS
ląskim Zagłębiu Ziemi w obszarze GórnoS
ląskiego Zagłębia Węglowego
Węglowym. XI Międzynarodowa Konferencja Naukowo- dla potrzeb górnictwa i ciepłownictwa (praca złożona do
Techniczna. Nowe Metody i Technologie w Geologii Naf- druku).
towej, Wiertnictwie, Eksploatacji Otworowej i Gazownictwa. PLEWA S. (red.), 2001  Rozpoznanie pola cieplnego Ziemi
Kraków. w obszarze GórnoS
ląskiego Zagłębia Węglowego dla po-
KARWASIECKA M., 2001  Wyniki badań właS
ciwoS
ci ciepl- trzeb górnictwa i ciepłownictwa (praca złożona do druku).
nych skał w obszarze GórnoS
ląskiego Zagłębia Węglo- PROBIERZ K., LEWANDOWSKA M., 1998  Ziemski stru-
wego. XII Międzynarodowa Konferencja mień ciepła w północno-zachodniej częS
ci GZW. Prace
Naukowo-Techniczna. Nowe Metody i Technologie w Geo- Naukowe GIG. Seria Konferencje, Konf. Nt. Problemy
logii Naftowej, Wiertnictwie, Eksploatacji Otworowej i Ga- geologii w ekologii i górnictwie podziemnym. 24: 339-348.
zownictwa. Kraków. RÓŻKOWSKI A., WITKOWSKI A., CHMURA A., GAJOWIEC
KOTAS A., 1985  Structural evolution of the Upper Silesian B., WAGNER J., ROGOŻ M., 1992  Charakterystyka hy-
Coal Basin (Poland). 10 Congr. Int. Strat. Geol. Carbon. drogeologiczna poziomów wodonoS
nych karbonu produk-
Madrid Compt. Rend. 3: 459-469. Madrid. tywnego. IV Konferencja  Postęp naukowy i techniczny
KOWALCZYK Z., 1972 - Badanie ruchów tektonicznych na w geologii górniczej węgla kamiennego . Szczyrk 7-10 pax
-
terenie R
ląska metodami geodezyjnymi. Problemy geo- dziernika 1992 r. SITG GIG Komisja Nauk Geologicznych.
dynamiki i tąpań. 1. Kom. Górn. PAN Kraków. Oddz. PAN. Katowice.
KUBIK J., �ermak V., 1986  Heat flow in the Upper Silesian TEPER L., 1998 - Wpływ nieciągłoS
ci podłoża karbonu na
Coal Basin: re-evaluation of data with special attention to sejsmotektonikę północnej częS
ci GórnoS
ląskiego Zagłę-
the lithology. Studia geoph. Et geol., 30: 376-393. bia Węglowego. Wyd. UR
l., Katowice: 1-106.
MAŁOLEPSZY Z., 1999  Energia geotermalna w kopalniach TWARDOWSKI K., 2000  Wykorzystanie likwidowanych ko-
węgla kamiennego w GórnoS
ląskim Zagłębiu Węglowym. palń do tworzenia podziemnych magazynów gazu i wód
Technika Poszukiwań Geologicznych, Geosynoptyka termalnych. Mat. Konf. Szkoły Eks. Podziemnej. Szczyrk
i Geotermia, 38, 3: 57-70. PAN, Kraków. 21-25 luty 2000.
PLEWA M., 1988  An Analysis of the Density Changes of the WAGNER J., 1998  Charakterystyka hydrogeologiczna kar-
Surface Heat Flow of the Earth in Poland. Zesz. Nauk. bonu produktywnego niecki głównej GórnoS
ląskiego Za-
AGH nr 1218, Geof. Stos. Z. 1, 109-124. Kraków. głębia Węglowego. Biul. Państw. Inst. Geol. 383. 55-96.
49