background image

GEOLOGICA  CARPATHICA,  APRIL  2008,  59,  2,  147—158

www.geologicacarpathica.sk

Gravity modelling along seismic reflection profiles in the

Krško basin (SE Slovenia)

ANDREJ  GOSAR

University of Ljubljana, Faculty of Natural Sciences and Engineering, Aškerčeva 12, SI-1000 Ljubljana, Slovenia

Environmental Agency of the Republic of Slovenia, Dunajska 47, SI-1000 Ljubljana, Slovenia;  andrej.gosar@gov.si

(Manuscript received February 2, 2006; accepted in revised form November 5, 2007)

Abstract:  Two-dimensional  gravity  modelling  was  applied  along  six  seismic  reflection  profiles  measured  across  the
Krško basin within the framework of seismic hazard assessment studies at the location of Krško nuclear power plant and
for oil exploration. The aim was to provide additional insight into structural interpretation of the pre-Tertiary bedrock of
the basin, because the quality of the seismic profiles acquired with various techniques over an extended time span is fairly
heterogeneous.  The  Krško  basin,  located  on  the  rim  of  the  Pannonian  basin,  is  filled  with  up  to  2 km  of  Neogene  to
Quaternary  molasse  sediments.  The  geometry  of  the  gravity  models  was  based  on  interpretation  of  seismic  reflection
profiles from three different surveys. A density of 2.5 g/cm

3

 was used for the pre-Tertiary carbonate bedrock and values

from  2.3 g/cm

3

  to  2.0 g/cm

3

  for  the  sequence  of  Neogene  to  Quaternary  deposits,  composed  of  marl,  sand,  silt  and

limestone. Calculated anomalies were compared with observed gravity anomalies extracted from the two detailed surveys
of the area. In general, a good fit was obtained; some exceptions may originate in undetected density variations or in
violation of the 2D approximation near the basin margins. The findings of the gravity modelling are consistent with the
interpretation of seismic reflection data, which considers the Krško basin to be a fairly regular syncline without normal
faults  at  the  northern  and  southern  margin,  assumed  in  previous  works.  The  modelling  showed  that  gravity  data  are
useful  for  interpolation  of  the  shape  of  the  basin’s  bedrock  between  seismic  profiles.  The  structural  map  of  the  pre-
Tertiary basement was constructed showing two depressions with a maximum depth of 1600 and 2100 m.

Key words: Krško basin, molasse basin, gravity, seismic reflection, gravity modelling.

Introduction

Several  geological  and  geophysical  investigations  have
been  performed  in  the  Krško  basin  (Fig. 1),  which  is  filled
with  up  to  2 km  of  Neogene  to  Quaternary  molasse
sediments,  with  a  wide  range  of  objectives:  for  oil  and  gas
prospecting,  for  exploitation  of  geothermal  energy,  for
underground  gas  storage  in  aquifers  and  for  assessment  of
earthquake  hazard  at  the  location  of  the  Krško  Nuclear

Power  Plant  (NPP).  According  to  the  prevailing  hypothe-
sis,  the  Krško  basin  was  considered  to  be  a  tectonic  graben
structure  (Pleničar  &  Premru  1977;  Šikić  et  al.  1979;  Pol-
jak  &  Živčić  1995),  although  no  proof  was  available  for
presumed  normal  border  faults  at  the  northern  and  south-
ern  margins  of  the  basin.  Since  most  of  the  previous  geo-
physical  investigations  were  limited  to  the  flat  central  part
of  the  basin,  it  was  not  possible  to  prove  this  hypothesis
before  multi-fold  seismic  reflection  profiling  was  complet-

ed  (Gosar  1998;  Persoglia  et  al.  2000).  On  the
basis  of  these  data  the  Krško  basin  is  now  con-
sidered  to  be  a  folded  syncline  with  no  border
faults,  at  least  in  the  eastern  part  of  the  basin
(Gosar  1998;  Verbič  et  al.  2000;  Poljak  &  Gos-
ar  2001).

Two-dimensional  gravity  modelling  was  ap-

plied  to  provide  additional  insight  into  a  struc-
tural  interpretation  of  seismic  reflection  pro-
files  acquired  in  the  Krško  basin,  to  support  the
application  of  gravity  data  for  the  interpolation
of  data  between  seismic  profiles  in  contouring
the  structural  maps  of  seismic  horizons  and  to
extend  some  structural  information  to  the  area
outside  the  grid  of  seismic  profiles.  This  was
motivated  by  the  fact  that  the  quality  of  avail-
able  seismic  reflection  profiles  recorded  with
various  techniques  over  an  extended  time  span
is  highly  variable  and  the  accuracy  of  their  in-
terpretation  is  therefore  fairly  uneven.  In  old

Fig. 1. Location map of the Krško basin with indicated study area.

background image

148

GOSAR

analogue  profiles,  it  was  possible  to  interpret  with  limited
accuracy  only  two  main  horizons,  whereas  the  more  recent
digital  profiles  allow  a  much  more  detailed  view  of  the  in-
ternal  structure  of  the  basin.  The  second  reason  for  using
gravity  data  was  because  the  density  of  the  grid  of  reflec-
tion  seismic  profiles  in  the  Krško  basin  is  still  relatively
low.  Modelled  gravity  anomalies  were  compared  with  ob-
served  anomalies  extracted  from  two  detailed  gravity  sur-
veys  performed  in  the  area.  A  structural  map  of  the  pre-
Tertiary 

basement 

was 

constructed 

showing 

two

sub-basins  (Raka  and  Globoko  depressions)  with  a  maxi-
mum  depth  of  1600  and  2100 m.

Geological setting

The  Krško  basin  (Fig. 2)  lies  within  the  Sava  folds

(Placer  1998)  in  the  transition  zone  from  the  Pannonian
basin  to  the  Southern  Alps  and  Dinarides.  It  is  filled  with
up  to  2100 m  of  Neogene  to  Quaternary  molasse
sediments  (Gosar  et  al.  2005).  In  the  past,  the  Krško  basin
was  considered  to  be  a  Quaternary  tectonic  depression

with  prominent  faults  on  its  northern  and  southern  rims
(Pleničar  &  Premru  1977;  Poljak  &  Živčić  2005).  Geo-
physical  investigations  later  revealed  a  structure  of  Neo-
gene  folds  with  no  signs  of  bounding  faults  (Gosar  1998;
Accaino  et  al.  2003).

Structurally,  the  Krško  basin  exhibits  a  heterogeneous

pattern  of  Dinaric  and  Alpine  features.  The  pre-Tertiary
basement  (Mesozoic  carbonates)  was  mainly  deformed
according  to  a  Dinaric  pattern  consisting  of  faults  and
folds  in  a  NW-SE  direction,  as  well  as  transverse  faults  in
a  NE-SW  direction  (Accaino  et  al.  2003).  Neogene  sedi-
ments  exhibit  Alpine  structures,  folds  and  faults  that
stretch  in  a  general  E-W  direction.  During  the  Alpine
folding, 

some 

Paleogene 

Dinaric 

structures 

were

reactivated  as  Alpine  ones  (Poljak  &  Gosar  2001).  The
tectonic  activity  culminated  in  the  Middle  Miocene.
Quaternary  sediments  are  characterized  by  E-W  oriented
compressional  structures.  According  to  Šikić  et  al.
(1979),  faults  in  the  NW-SE  direction  were  activated  at
the  beginning  of  the  Holocene,  which  opened  a  path  for
the  Sava  river  to  flow  from  the  Krško  basin  to  the  Sava
depression  in  the  southeast.

Fig. 2. Simplified geological map of the Krško basin (after Pleničar & Premru 1977; Šikić et al. 1979) with Bouguer anomaly map (af-
ter Urh 1955) after removal of regional trend, and location of seismic reflection profiles.

background image

149

GRAVITY MODELLING ALONG SEISMIC REFLECTION PROFILES (SLOVENIA)

The  area  is  characterized  by  increased  heat-flow  densi-

ty  and  increased  seismic  activity  compared  to  neigh-
bouring  areas.  The  strongest  earthquake  in  recorded  his-
tory  was  magnitude  5.7,  which  occurred  in  1917  at
Brežice  (Poljak  &  Živčić  1995).  The  recent  regional
stress  field  is  presumably  compressional  with  a  N-S  ori-
ented  principle  stress  (Poljak  et  al.  2000).

Seismic reflection profiling in the Krško basin

Single-fold  analogue  reflection  profiling  in  1959

The  first  seismic  reflection  investigation,  composed  of

four  profiles  (Fig. 2)  with  single  fold  analogue  recording
was  performed  in  1959  for  oil  and  gas  prospecting
(Kaloper  1984).  In  comparison  with  modern  digital
profiles,  the  quality  of  these  sections  is  rather  poor

(Fig. 3b).  In  general,  deeper  parts  of  the  basin  are  better
imaged,  whereas  noise  dominates  in  the  shallow  parts.

The  profiles  (Figs. 5,  7  and  9)  were  reinterpreted  using

new  structural  and  velocity  data  (Gosar  1996).  It  was
possible  to  interpret  only  two  horizons  (Fig. 3b):  the  top
of  Badenian  limestone  (horizon B  in  Table 1)  and  the
pre-Tertiary  basement  (horizon C).

Multi-fold  reflection  profiling  in  1994/95

To  improve  the  structural  model  for  assessment  of

earthquake  hazard  at  the  location  of  Krško  NPP,  the
high-resolution  seismic  reflection  method  was  applied
(Poljak  et  al.  1996;  Gosar  1998)  in  a  profile  (P-3/94  and
P-4/95)  of  intermediate  depth  penetration,  using  15 m
group  spacing  and  12-fold  coverage.

The  most  prominent  reflections  were  obtained  from

near  the  top  of  the  Badenian  limestone  (horizon B),

Fig. 3.  Comparison  of  12-fold  digital  P3/95  profile  (a)  and  the  single-fold  analogue  P86/59
profile (b) at their crossing point. Marked seismic horizons are described in Table 1.

Table1: Generalized geological column for the Krško basin with unit thicknesses (Poljak et
al.  1996)  and  horizon  depths  in  Drn-1/89  borehole  (Kranjc  et  al.  1990;  Gosar  1998).
Horizons interpreted in seismic profiles and used in gravity modelling are marked.

while  the  Mesozoic  basement
(horizon C)  was  less  pronounced
(Fig. 3a).  In  the  shallower  part,  a
clear  image  of  the  boundary
between  Pontian  sandy  marl  and
Pannonian  marl  (horizon A)  was
also  obtained.  A  folded  structure
is  clearly  visible  (Fig. 8),  with  a
maximum  depth  to  the  pre-
Tertiary  basement  of  1500 m.

Multi-fold  reflection  profiling
in  1999/2000

Reflection 

profiling 

in 

the

Krško  basin  continued  in  an
international  project  of  the  EU
PHARE  program  (Persoglia  et  al.
2000),  comprising  three  regional
reflection  profiles  in  a  total
length  of  41 km  (Fig. 2).  They
were  measured  with  an  explosive
source  fired  in  5—10 m  deep
boreholes,  using  15 m  group
spacing  and  18-fold  coverage
(Accaino  et  al.  2003).

Six  horizons  were  identified  in

all  reflection  profiles  (Table 1).
They 

include 

the 

Mesozoic

basement  of  the  Krško  basin  and
a  sufficient  number  of  horizons
within  the  Neogene  sequence  to
capture 

its 

internal 

structure

(Figs. 6  and  10).

Seismic  horizons

In  this  section,  the  lithostrati-

graphic  description  of  the  inter-
preted  seismic  horizons  (Ta-
ble 1) 

is 

summarized 

after

background image

150

GOSAR

Persoglia  et  al.  (2000),  Poljak  et  al.  (2002)  and  Gosar  et
al.  (2005).

The  deepest  horizon  mapped  is  the  top  of  the

Cretaceous  flysch  or  Triassic  dolomite  (horizon C).  The
lowermost  Neogene  sequence  between  horizons C  and  B
represents  Ottnangian  sediments  transgressively  deposited
over  the  Mesozoic  basement.  These  have  relatively  weak
and  diffuse  seismic  signals,  which  is  probably  caused  by
their  heterogeneous  lithological  content.

In  the  Badenian,  Lithothamnion  limestone  (horizon B)

was  transgressively  deposited  over  the  Ottnangian
sequence.  Upwards  it  transits  into  sandy  and  marly
limestone,  and  sandy  marl  of  Badenian  to  Sarmatian  age.
This  sequence  has  a  relatively  uniform  thickness  of
200 m,  except  in  the  eastern  part  of  the  Krško  basin
(Globoko  depression),  where  it  shows  a  slight  increase.

The  next  sequence  between  horizons M  and  A  is  Pan-

nonian  marl,  which  has  an  almost  uniform  thickness  of
about  100 m.  Upwards,  this  marl  transits  into  sandy  marl
of  Early  Pontian  age  between  horizons A  and  P2.

The  Upper  Pontian  (above P2

 

seismic  horizon)  is  repre-

sented  by  sand  with  rare  lenses  of  gravel.  The  main  charac-
teristic  of  this  unit  is  a  variable  thickness,  from  100 m  in  the
western  part  to  up  to  500 m  in  the  Globoko  depression  in
the  east.  The  uppermost  horizon  P1  is  related  to  no  clear
lithological  change  within  the  Upper  Pontian.

Gravity  data

The  Krško  basin  area  has  to  date  been  investigated  with

the  gravity  method  in  two  regional  and  two  detailed
surveys,  firstly  for  hydrocarbons  exploration  and  secondly
for  underground  gas  storage  in  aquifers.  The  regional
studies  were  published  as  gravity  maps  of  Slovenia  (Čibej
1967)  and  Yugoslavia  (Federal  Geological  Survey,  1972).

The  gravity  study  performed  for  oil  and  gas  explora-

tion  in  1955  (Urh  1955)  covered  an  area  of  258 km

2

(Fig. 2).  Altogether,  751  points  were  measured,  giving  an
average  density  of  3 points/km

2

.  Bouguer  anomalies

were  computed  using  a  density  of  2.5 g/cm

3

,  derived

from  laboratory  measurements  on  samples  taken  from
outcrops  or  from  shallow  boreholes  and  with  the  Nettle-
ton  method  (Dobrin  &  Savit  1988).  The  shape  of  the  ba-
sin  with  two  depressions  is  clearly  visible  in  the  Bouguer
anomaly  map  (Fig. 2).  Bouguer  anomalies  are  in  the
range  between  + 11  and  + 32 mGal.  The  minimum  values
in  both  depressions  are  + 11 mGal.

The  gravity  investigations  performed  for  a  feasibility

study  of  underground  gas  storage  in  aquifers  (Starčević  et
al.  1989)  surveyed  only  the  central  part  of  the  Krško  basin.
In  an  area  covering  150 km

2

,  a  total  of  1162  points  were

measured,  with  an  average  density  of  13.5 points/km

2

  in

the  central  part  and  7.7 points/km

2

  in  the  border  area.  The

Bouguer  anomalies  were  computed  with  a  density  of
2.5 g/cm

3

.  Some  indications  of  antiform  structures  in  the

pre-Tertiary  rocks  were  indicated  in  the  structural  height
between  the  two  depressions,  which  could  be  useful  for
the  storage  of  gas  in  porous  rocks  (aquifers).

Comparison  of  the  two  maps  showed  good  correspon-

dence,  but  a  bulk  shift  between  Bouguer  anomalies
amounts  to  approximately  30 mGal,  because  the  two
maps  were  tied  to  a  different  datum.  The  regional  gravity
trend,  which  is  relatively  small  in  the  area,  was  removed
by  polynomial  fitting.

Two-dimensional  gravity  modelling

Two-dimensional  gravity  modelling  was  performed

along  six  transverse  seismic  reflection  profiles  acquired
in 

the 

described 

projects. 

The 

modelled 

gravity

anomalies  were  compared  with  observed  anomalies
extracted  from  two  detailed  gravity  surveys  (Urh  1955;
Starčević  et  al.  1989)  after  removal  of  the  regional  trend.
The  main  goals  of  the  gravity  modelling  were  to  support
the  structural  interpretation  of  seismic  profiles  and  to
facilitate  the  contouring  of  the  structural  maps  of  seismic
horizons  by  interpolation  of  the  data  between  seismic
profiles.

The  computer  program  MODEL2D  (Roach  1993)  was

used  in  modelling.  This  program  uses  the  algorithms
developed  by  Talwani  et  al.  (1959)  for  calculation  of  the
gravity  anomaly  resulting  from  bodies  with  polygonal
cross-sections  and  infinite  extension  in  a  direction
perpendicular  to  the  modelled  cross-section.  In  the  Krško
basin,  only  profiles  recorded  in  a  transverse  direction  (N-S
or  NNW-SSE)  with  respect  to  the  axis  of  the  syncline
(WSW-ENE)  fulfilled  this  condition.

Methodology

Quantitative  interpretation  of  gravity  data  commonly

involves  both  inverse  and  forward  methods  (modelling).
The  forward  method  involves  the  direct  calculation  of
the  gravity  effect  of  an  assumed  density  distribution,  and
its  comparison  with  the  observed  anomaly.  The  model
parameters  are  then  adjusted  in  order  to  improve  the  fit
between  the  two  anomalies  (Dobrin  &  Savit  1988).  In
this  three-step  procedure,  constraints  imposed  by  all
available  geological,  geophysical  and  other  independent
information  are  used.  Models  based  on  the  interpretation
of  seismic  reflection  profiles  in  particular  are  commonly
used  as  starting  models.

Initially,  bodies  of  simple  geometrical  shape  were  used

in  gravity  modelling  for  approximation  of  bodies  or
structures  with  anomalous  density.  Later,  a  number  of
methods  were  developed  for  the  forward  calculation  of
the  gravity  effect  of  bodies  of  arbitrary  shape.  The  most
useful  way  is  to  approximate  the  irregular  cross-sectional
shape  of  a  two-dimensional  geological  structure  with
simplified  multisided  polygons.  This  method  stems  from
Hubbert  (1948),  but  Talwani  et  al.  (1959)  developed  it  in
a  way  suitable  for  adaptation  to  computer  algorithms.
The  gravity  attraction  of  a  two-dimensional  body,
therefore,  depends  on  the  position  of  the  corners  of  the
polygon.  This  method  is  the  most  widely  used  technique
in  potential  field  interpretation  today  (Blakely  1995;

background image

151

GRAVITY MODELLING ALONG SEISMIC REFLECTION PROFILES (SLOVENIA)

Benson  &  Floyd  2000),  implemented  in  many  software
packages  (Roach  1993;  Martín-Atienza  &  García-Ab-
deslem  1999;  García-Abdeslem  2000).

Geological  structures  are  often  longer  than  they  are

wide  (two  dimensional  or  linear).  The  rather  subjective
criterion  of  “sufficiently  linear”  to  apply  a  two-
dimensional  approach  means,  according  to  different
authors,  that  the  body  is  between  three  and  twenty  times
longer  than  it  is  wide  and  depends  on  the  shape  of  the
structure  (Blakely  1995).

For  cases  in  which  structures  do  not  have  infinite

extension,  algorithms  that  calculate  the  gravity  attraction
from  bodies  of  finite-length  have  been  developed
(Rasmusen  &  Pedersen  1979;  Cady  1980;  Hunter  et  al.
1998).  Three-dimensional  modelling  algorithms  are  today
available  (Goetze  &  Lahmeyer  1988;  Fellner  2007)  and
applied  in  favourable  conditions,  but  2D  modelling  is  still
widely  used.  The  main  reason  for  this  is  no  longer  the  lack
of  availability  of  suitable  algorithms  or  computer  power
but  usually  the  lack  of  input  data,  which  makes  a  3D
solution  too  ambiguous  (Reynolds  1997).

Examples  of  gravity  modelling  in  sedimentary  basins

similar  to  the  Krško  basin  (thickness  of  sediments  of  up
to  2 km)  can  be  found  in  Birch  (1982)  for  the
Albuquerque  basin,  Kieniewicz  &  Luyendyk  (1986)  for
the  Santa  Maria  basin,  Campos-Enriques  et  al.  (1997)  for
the  Mexico  City  basin,  Nemes  et  al.  (1997)  for  the
Klagenfurt  basin  and  Gabriel  et  al.  (2003)  for  basins  in
northern  Germany.

Geometry  of  the  models

The  main  horizons  as  interpreted  in  the  seismic

profiles  were  used  to  separate  layers  of  different  density
in  the  gravity  model.  In  the  modelling  process  firstly
only  densities  were  varied.  If  necessary  the  geometry  of
the  layers  was  later  also  slightly
adjusted.  Constant  densities  were  used
inside  each  layer,  because  no  surface  or
borehole  data  were  available  to  support
density 

variations 

within 

individual

layers  related  to  different  depths  of
burial.  This  approximation  resulted  in  a
less  good  fit  between  calculated  and
observed  gravity  values  at  the  model
margins,  where  the  layers  outcrop.

In  the  single-fold  analogue  profiles

recorded  in  1959  it  was  possible  to
interpret 

only 

two 

horizons,

corresponding 

to 

the 

pre-Tertiary

bedrock  and  to  Badenian  limestone  (C
and  B  in  Table 1).  Three  layers  of
different 

density 

were 

therefore

distinguished 

for 

gravity 

modelling

(Figs. 5,  7  and  9).  In  the  multi-fold
profiles  P-3/94  and  P-4/95,  three  main
horizons  were  interpreted;  in  addition  to
C  and  B,  also  horizon A  (Table 1),  which
corresponds  to  the  boundary  between

Pontian  sandy  marl  and  Pannonian  marl.  Four  layers  of
different  density  were  considered  in  this  model  (Fig. 8).  In
two  profiles  recorded  in  1999,  the  data  quality  allows
identification  of  six  horizons,  including  the  pre-Tertiary
basement  and  five  horizons  within  the  Neogene  sequence
(Table 1).  In  addition  to  C,  B  and  A,  these  are  two  shallow-
er  horizons  (P2  between  the  Lower  and  Upper  Pontian  and
P1  within  the  Pliocene)  and  horizon  M  between  the  Sar-
matian  and  Pannonian.  In  gravity  modelling,  seven  layers
were  therefore  used  (Figs. 6  and  10),  although  the  density
contrast  between  adjacent  layers  was  sometimes  very
small.

Observed  gravity  anomalies

Gravity  anomalies  computed  from  two-dimensional

models  were  compared  with  observed  anomalies  con-
structed  from  both  gravity  survey  maps  after  removal  of
the  regional  trend  by  polynomial  fitting.  Since  the  earlier
survey  covers  a  larger  area  to  the  east  and  north,  gravity
profiles  taken  from  the  map  of  Urh  (1955)  were  used  for
most  (four)  of  the  seismic  lines.  Gravity  data  taken  from
the  map  of  Starčević  et  al.  (1989)  were  used  for  the  pro-
files  KK-02/99  and  P-85/59  profiles,  because  of  a  higher
density  of  measurements.

The  observed  gravity  anomaly  profiles  along  all  six

transverse  seismic  lines  considered  in  the  gravity  model-
ling  are  shown  in  Fig. 4.  All  the  profiles  are  plotted
against  distance,  so  that  the  axis  of  syncline  is  in  the
same  position.  The  regular,  almost  symmetrical  shape  of
the  Krško  syncline  is  clearly  shown  in  these  graphs.  The
Bouguer  anomalies  are  in  a  range  from  + 12 mGal  to
+ 33 mGal.  The  highest  gradients  of  Bouguer  anomalies
are  in  the  northern  limb  of  the  syncline,  in  a  range  from
5.0 mGal/km  in  the  KK-03/99  profile  to  6.9 mGal/km  in
the  KK-02/99  profile.  In  the  southern  limb,  they  are  in  a

Fig. 4. Observed gravity anomaly profiles along six transversal seismic lines across the
Krško  basin  considered  in  gravity  modelling.  All  the  profiles  are  plotted  against  the
distance  so  that  the  axis  of  the  syncline  is  at  the  same  position.  The  profiles  are  con-
structed from the Bouguer anomaly map shown in Fig. 2.

background image

152

GOSAR

range  from  4.8 mGal/km  in  the  KK-02/99  profile  to
6.7 mGal/km  in  the  P-84/59  profile.

Rock  densities

The  rock  density  range  used  in  gravity  modelling  is

discussed  in  this  section.  Very  little  data  about  the  rock
density  of  the  lithological  units  found  in  the  wider  Krško
basin  area  is  available  and  even  less  data  for  values  at
depth,  where  the  rocks  are  exposed  to  higher  pressure.
The  single  source  for  data  in  depth  was  a  compensated
density  log  from  the  Drn-1/89  borehole  (Kranjc  et  al.
1990).  Average  densities  were  estimated  from  the  well
logging  diagram,  taking  into  account  larger  intervals
corresponding  to  various  lithological  units  (Table 2).
The  bulk  density  values  range  from  2.1 g/cm

3

  in

Pliocene  sand,  gravel  and  clay  and  Upper  Miocene  marl
to  2.3 g/cm

3

  for  Middle  Miocene  sandy  marl,  marly  lime-

stone,  silt  and  sand.  The  approximately  40 m  thick  layer
of  Badenian  limestone  at  a  depth  of  650 m  has  a  bulk
density  of  2.4 g/cm

3

  and  the  Cretaceous  marly  limestone

in  the  bedrock  has  values  between  2.55  and  2.6 g/cm

3

.

These  values  are  in  agreement  with  densities  known  from
geologically  similar  areas  in  Slovenia  for  the  same  litho-
logical  units.

In  gravity  modelling,  a  density  of  2.5 g/cm

3

  was  select-

ed  for  the  pre-Tertiary  bedrock,  in  order  to  be  consistent
with  the  value  used  for  the  calculation  of  Bouguer  anoma-
lies.  For  the  Neogene  to  Quaternary  sequence  of  sedi-
ments,  values  from  2.0 g/cm

3

  to  2.3 g/cm

3

  were  taken.

Since  the  upper  and  lower  boundary  of  the  Badenian  lime-
stone,  which  has  a  very  variable  thickness  in  the  Krško  ba-
sin,  cannot  be  distinguished  in  the  seismic  profiles,  it  can-
not  be  inserted  as  a  separate  layer  of  higher  density  (2.4 g/
cm

3

)  but  appears  together  with  the  adjacent  lower  density

sandy  marl  and  marly  limestone.  Some  indications  of  lat-
eral  variations  in  the  lithology  and  thickness  of  the  Neo-
gene  layers  precluded  the  use  of  a  consistent  density  dis-
tribution  in  all  the  profiles.  The  most  prominent  is  the
thickening  of  the  Ottnangian  and  Lower  Badenian  layers
between  horizons C  and  B  from  300 m  in  the  Globoko  de-
pression  to  up  to  1000 m  in  the  Raka  depression.  On  the
other  hand,  the  thickness  of  Upper  Pontian  sand,  gravel
and  clay  increases  from  100 m  in  the  western  part  to  up  to
500 m  in  the  eastern  Globoko  depression.  Because  I  decid-
ed  to  adjust  the  model  geometry  only  slightly  in  the  mod-
elling  process,  I  kept  open  the  possibility  of  varying  the
density  distribution  within  the  basin,  but  respecting  the

constraints  discussed  above.  For  instance,  the  density  in
the  very  thick  first  layer  in  the  old  analogue  seismic  pro-
files  was  between  2.12  and  2.15 g/cm

3

  in  the  eastern  part

(P-83/59  and  P-84/59),  whereas  it  was  only  2.0 g/cm

in

the  western  part  (P-85/59).  However,  the  first  layer  extends
down  to  a  maximum  of  700 m  here,  whereas  it  extends
down  to  1450 m  in  the  first  two  profiles.

In  the  case  of  three  multi-fold  reflection  profiles  (KK-

02/99,  KK-03/99  and  P3/94-P4/95)  the  results  of  seismic
velocity  analysis  were  used  to  reveal  eventual  lateral
density  variations.  In  all  three  profiles  very  smooth  2D
velocity  fields  were  obtained.  Significant  lateral  density
variations  inside  the  same  profile  are  therefore  not  likely.

Gravity  models

Fairly  good  agreements  between  observed  and  calculat-

ed  anomalies  were  obtained  for  most  of  the  models.  They
were  obtained  mainly  by  varying  the  densities  and  by
only  small  adjustments  to  the  initial  geometry  of  the  lay-
ers.  This  also  means  that  some  differences  still  present  in
the  models  may  be  caused  by  relatively  small  errors  in  ge-
ometry.  Several  tests  performed  during  modelling  showed
that  individual  vertexes  were  rarely  moved  for  more  than
300 m  in  horizontal  direction  from  their  initial  position.
Undetected  density  variations  in  a  horizontal  direction  are
therefore  a  more  likely  reason  for  some  observed  misfits
between  calculated  and  observed  anomalies,  particularly
close  to  the  border  of  the  basin.

The  fit  of  calculated  and  observed  gravity  anomalies

in  the  P-83/59  profile  (Fig. 5)  is  good  in  the  central  part
of  the  profile  and  diminishes  in  the  border  area,  after
outcropping  of  the  first  layer.

The  best  fit  between  calculated  and  observed  anoma-

lies  among  all  considered  profiles  was  obtained  in  the
KK-03/99  profile  (Fig. 6).  It  was  obtained  with  a  very
low  vertical  density  gradient  in  the  upper  part.  From  the
surface  down  to  a  depth  of  1500 m,  the  density  increases
only  from  2.15  to  2.21 g/cm

3

.

A  good  fit  of  calculated  and  observed  anomalies  was

obtained  in  the  P-84/59  profile  (Fig. 7).  The  relatively
large  thickening  of  the  second  layer  at  a  depth  of  1500—
2000 m  has  no  impact  on  the  anomaly,  due  to  the  small
density  contrast  between  the  first  and  the  second  layers,
being  2.15  and  2.23 g/cm

3

  respectively.

The  fit  between  calculated  and  observed  gravities  in  the

P-3/94  and  P-4/95  profile  (Fig. 8)  is  good  in  the  central
part  of  the  basin  and  becomes  worse  in  the  border  area.  A

Table 2:  Average  densities  of  the  lithological  units  drilled  in  Drn-1/89  borehole  from  compensated  density  log.  Lithology  and  well
logging data after Kranjc et al. (1990).

background image

153

GRAVITY MODELLING ALONG SEISMIC REFLECTION PROFILES (SLOVENIA)

Fig. 5.  2D  gravity  modelling  along
P-83/59  seismic  reflection  profile.
Densities are in g/cm

3

.

Fig. 6.  2D  gravity  modelling  along
KK-03/99  seismic  reflection  profile.
Densities are in g/cm

3

.

background image

154

GOSAR

Fig. 7.  2D  gravity  modelling  along
P-84/59  seismic  reflection  profile.
Densities are in g/cm

3

.

possible  reason  for  the  misfit  close  to  the  border  of  the  ba-
sin  may  lie  in  a  possible  violation  of  2D  conditions.

The  P-85/59  profile  (Fig. 9)  crosses  the  Krško  basin  at

the  location  of  the  saddle  separating  the  western  and
eastern  depressions.  Although  the  model  is  relatively
simple,  composed  of  only  three  layers,  a  good  fit  was
obtained  between  observed  and  calculated  gravities.

In  the  KK-02/99  profile  (Fig. 10),  a  good  fit  between  cal-

culated  and  observed  anomalies  was  obtained  after  slight
adjustment  of  the  geometry  of  the  model,  particularly  in  the
northern  part,  where  a  more  prominent  change  in  the  dip  of
the  bedrock  in  relation  to  the  position  of  the  presumed
Orlica  fault  was  observed  in  the  reflection  profile.  Lower
densities  in  the  upper  part  of  the  model  with  respect  to  the
KK-03/99  model  can  be  explained  by  thinner  layers.

Structural  map  of  the  pre-Tertiary  basement

A  structural  map  of  the  pre-Tertiary  basin  (Fig. 11)  was

prepared  based  on  eleven  seismic  reflection  profiles  re-
corded  in  three  surveys  performed  so  far  in  the  Krško  ba-
sin.  The  support  of  gravity  modelling  in  the  interpreta-

tion  of  the  pre-Tertiary  basement  was  important,  because
this  is  not  the  strongest  horizon  observed  in  seismic  pro-
files.  Moreover  in  some  of  older  profiles  the  horizon C
related  to  the  basement  is  less  clear  in  some  parts  due  to
presence  of  more  prominent  horizon B  above  it.  Al-
though  some  computer  contouring  algorithms  were  test-
ed,  the  final  interpolation  of  the  contours  of  the  Mesozo-
ic  basement  was  done  by  hand,  considering  the  shape  of
the  gravity  contours.

The  structural  map  clearly  shows  the  shape  of  the  ba-

sin,  which  is  elongated  in  a  WSW-ENE  direction.  In  the
cross  direction,  the  syncline  is  fairly  symmetrical.  The
average  dip  of  the  basement  towards  the  central  part  is
20°.  This  dip  is  similar  to  the  average  dip  of  Neogene
sediments  (Poljak  et  al.  1996),  which  is  an  indication  of
post-sedimentary  folding.  The  larger  Globoko  depression
in  the  eastern  part  has  a  very  regular  elongated  shape  and
reaches  a  maximum  depth  of  2100 m  close  to  the
intersection  of  KK-01/99  and  KK-03/99  profiles.  The
Raka  depression  in  the  western  part  is  only  partly  seen  in
this  map,  which  is  limited  to  the  extent  of  gravity  data.
This  depression  is  smaller  than  the  Globoko  depression

background image

155

GRAVITY MODELLING ALONG SEISMIC REFLECTION PROFILES (SLOVENIA)

Fig. 8.  2D  gravity  modelling
along  P-3/94  and  P4/95  seismic
reflection  profiles.  Densities  are
in g/cm

3

.

Fig. 9.  2D  gravity  modelling
along  P-85/59  seismic  reflection
profile. Densities are in g/cm

3

.

background image

156

GOSAR

Fig. 10.  2D  gravity  modelling
along KK-02/99 seismic reflection
profile. Densities are in g/cm

3

.

Fig. 11. Structural map of the pre-Tertiary basement in the Krško basin. Depth contours from the mean elavation of the surface (150 m a.s.l.).

background image

157

GRAVITY MODELLING ALONG SEISMIC REFLECTION PROFILES (SLOVENIA)

and  reaches  a  maximum  depth  of  1600 m.  The  two  de-
pressions  are  separated  by  a  wide  saddle  at  a  depth  of
1150 m,  interpreted  as  the  top  of  the  Dinaric  thrust.

Discussion and conclusions

Two-dimensional 

gravity 

modelling 

along 

six

transverse  seismic  reflection  profiles  in  general  supports
the  interpretation  of  seismic  reflection  data,  which
considers  the  Krško  basin  to  be  a  fairly  regular  syncline
without  faults  at  the  northern  and  southern  margins,  as
concluded  in  previous  works,  before  multi-fold  reflection
profiling  was  conducted  (Gosar  1998;  Persoglia  et  al.
2000).  The  support  of  gravity  data  was  useful,  because
the  quality  of  the  seismic  reflection  profiles  recorded
over  an  extended  time  span  is  variable  and  has  resulted
in  a  heterogeneous  interpretation,  and  because  the
density  of  the  grid  of  reflection  seismic  profiles  in  the
Krško  basin  is  still  relatively  low.

Although  relatively  simple  models  were  used  (three  to

seven  layers  of  constant  densities),  a  good  fit  between
observed  and  calculated  gravities  was  obtained  in  most
profiles.  Some  exceptions  may  originate  in  undetected
density 

variations 

or 

in 

violation 

of 

the 

2D

approximation  near  the  basin’s  margins.  Because  no
surface  or  borehole  data  is  available  to  support  density
variations  within  individual  layers  related  to  the
different  depths  of  burial,  we  prefer  to  keep  constant
values,  taking  into  account  the  lower  accuracy  at  the
model  margins,  but  avoiding  ambiguity  in  the  transition
zone,  where  variations  in  density  may  apply.  A  possible
solution  to  this  problem  is  the  application  of  an  algo-
rithm  assuming  a  vertical  density  gradient  inside  an  indi-
vidual  layer.  A  less  appropriate  solution  is  to  use  several
layers  for  the  simulation  of  the  vertical  gradient.  The  ef-
fect  of  model  geometry  adjustment  was  also  tested,
which  showed  that  differences  in  the  geometry  of  the
bedrock  do  not  exceed  300 m  in  the  horizontal  direction.

The  best  results  were  obtained  using  relatively  small

density  contrasts.  Since  a  value  of  2.5 g/cm

3

  is  taken  for

the  pre-Tertiary  carbonate  bedrock  (used  also  for  the
calculation  of  Bouguer  anomalies),  corresponding  values
for  the  sequence  of  Neogene  to  Quaternary  deposits
composed  of  marl,  sand,  silt  and  marly  limestone  are  in
the  range  2.0—2.3 g/cm

3

.  These  values  are  consistent  with

densities  obtained  from  the  density  log  in  the  Drn1/89
borehole,  which  is  the  only  deep  borehole  in  the  central
part  of  the  Krško  basin.

Acknowledgments:  The  Slovenian  administration  for
nuclear  safety  is  acknowledged  for  the  permission  to  use
seismic  reflection  data.  The  Geological  Survey  of
Slovenia  and  Geoinženiring  are  acknowledged  for  the
provision  of  data  from  their  archives.  The  author  is  grate-
ful  to  collaborators  of  the  project  Geophysical  research
in  the  surroundings  of  the  Krško  NPP
  for  the  most  recent
seismic  reflection  data.  Special  thanks  are  due  to  Karl
Millahn,  Rinaldo  Nicolich,  Marijan  Poljak  and  Sergio

Persoglia  for  many  valuable  discussions  during  data  in-
terpretation.

References

Accaino  F.,  Gosar  A.,  Millahn  K.,  Nicolich  R.,  Poljak  M.,  Rossi

G.  &  Zgur  F.  2003:  Regional  and  high-resolution  seismic
reflection  investigations  in  the  Krško  Basin  (SE  Slovenia).
Ann.  Univ.  Sci.  Bp.  Rolando  Eötvös  Nomin.,  Sect.  Geol.  35,
116—117.

Benson  A.K.  &  Floyd  A.R.  2000:  Application  of  gravity  and

magnetic  methods  to  assess  geological  hazards  and  natural
resource  potential  in  the  Mosida  Hills,  Utah  County,  Utah.
Geophysics  65,  5,  1514—1526.

Birch  F.S.  1982:  Gravity  models  of  the  Albuquerque  basin,  Rio

Grande rift, New Mexico. Geophysics 47, 1185—1197.

Blakely R.J. 1995: Potential theory in gravity and magnetic appli-

cations. Cambridge University Press, 1—441.

Cady  J.W.  1980:  Calculation  of  gravity  and  magnetic  anomalies

of  finite-length  right  polygonal  prisms.  Geophysics  45,
1507—1212.

Campos-Enríquez  J.O.,  Delgado-Rodríguez  O.,  Chávez-Segura  R.,

Gómez-Contreras  P.,  Flores-Márquez  E.L.  &  Birch  F.S.  1997:
The  subsurface  structure  of  the  Chalco  sub-basin  (Mexico
City) inferred from geophysical data.  Geophysics 62, 23—35.

Čibej  B.  1967:  Regional  gravity  map  of  Slovenia.  Geološki  Zavod

Slovenije  1—63  (internal  report,  in  Slovenian).

Dobrin  M.B.  &  Savit  C.H.  1988:  Introduction  to  geophysical

prospecting. McGraw-Hill, 1—867.

Federal  Geological  Survey  1972:  Gravity  map  of  Yugoslavia

1 : 500,000. Zvezni Geološki Zavod.

Fellner J. 2007: Development of a software package for visualiza-

tion  of  three-dimensional  mass  distributions  and  forward
gravity  modelling.  J.  Geophys.  and  Engineering  4,  1,  31—39.

Gabriel  G.,  Kirsch  R.,  Siemon  B.  &  Wiederhold  H.  2003:  Geo-

physical investigation of buried Pleistocene subglacial valleys
in  Northern  Germany.  J.  Appl.  Geophys.  53,  4,  159—180.

García-Abdeslem  J.  2000:  2-D  inversion  of  gravity  data  using

sources  laterally  bounded  by  continuous  surfaces  and  depth-
dependent  density.  Geophysics  65,  1128—1141.

Gosar  A.  1996:  Seismic  reflection  method  in  structural  investiga-

tions for assessment of earthquake hazard in the Krško basin.
Doktorska disertacija, Univerza v Ljubljani, 1—288.

Gosar A. 1998: Seismic-reflection surveys of the Krško basin struc-

ture:  Implications  for  earthquake  hazard  at  the  Krško  nuclear
power plant, SE Slovenia. J. Appl. Geophys. 39, 131—153.

Gosar  A.,  Komac  M.  &  Poljak  M.  2005:  Structural  model  of  the

pre-Tertiary  basement  in  the  Krško  basin.  Geologija  48,  1,
23—32  (in  Slovenian).

Götze  H.J.  &  Lahmeyer  B.  1988:  Application  of  three-dimension-

al  interactive  modeling  in  gravity  and  magnetics.  Geophysics
53,  1096—1108.

Hubbert  M.K.  1948:  A  line-integral  method  of  computing  the

gravimetric  effects  of  two-dimensional  masses.  Geophysics
13,  215—225.

Hunter  H.,  Green  E.F.  &  Aiken  G.L.V.  1998:  An  integrated  3-D

gravity  and  seismic  study  of  the  Ouachita  frontal  thrust  belt,
Pittsburg and Latimer Counties, Oklahoma. In: Gibson R.I. &
Millegan  P.S.  (Eds.):  Geological  applications  of  gravity  and
magnetics: case histories. SEG, 75—78.

Kaloper  D.  1984:  Krško  basin,  processing  of  seismic  data.  Geo-

loški Zavod Slovenije 1—9 (internal report, in Slovenian).

Kieniewicz  P.M.  &  Luyendyk  B.P.  1986:  A  gravity  model  of  the

basement structure in the Santa Maria Basin, California. Geo-

background image

158

GOSAR

physics  51,  1127—1140.

Kranjc S., Božović M. & Matoz T. 1990: Report on geological in-

vestigations  in  the  Krško  basin  for  underground  storage  of
gas,  Drn-1/89  borehole.  Geološki  Zavod  Slovenije,  1—19  (in-
ternal  report,  in  Slovenian).

Martín-Atienza  B.  &  García-Abdeslem  J.  1999:  2-D  gravity  mod-

eling  with  analytically  defined  geometry  and  quadratic  poly-
nomial  density  functions.  Geophysics  64,  1730—1734.

Nemes  F.,  Neubauer  F.,  Cloetingh  S.  &  Genser  J.  1997:  The

Klagenfurt  Basin  in  the  Eastern  Alps:  an  intra-orogenic  de-
coupled  flexural  basin?  Tectonophysics  282,  1,  189—203.

Persoglia  S.,  Gosar  A.,  Millahn  K.,  Nicolich  R.,  Nieto  D.,  Poljak

M., Vesnaver A. & Wardell N. 2000: Geophysical research in
the  surroundings  of  the  Krško  NPP.  Final  report.  European
Commission – PHARE
, 1—68 (unpublished report).

Placer  L.  1998:  Structural  meaning  of  Sava  folds.  Geologija  41,

191—221.

Pleničar M. & Premru U. 1977: Basic geological mapsheet Novo

mesto 1 : 100,000. Zvezni Geološki Zavod.

Poljak M. & Gosar A. 2001: Structural characteristics of the Krško

basin  from  geophysical  data  acquired  in  years  1994—2000.
Geološki Zbornik
 16, 79—82 (in Slovenian).

Poljak M. & Živčić M. 1995: Tectonics and seismicity of the Krš-

ko basin. 1. Hrv. Geol. Kongr., Zbor. Rad. 475—479.

Poljak  M.,  Verbič  T.,  Gosar  A.,  Živčić  M.  &  Ribičič  M.  1996:

Neotectonic investigations in the vicinity of NPP Krško. Geo-

loški Zavod Slovenije, 1—70 (internal report, in Slovenian).

Poljak  M.,  Živčić  M.  &  Zupančič  P.  2000:  The  seismotectonic

characteristics of Slovenia. Pure Appl. Geophys. 157, 37—55.

Poljak M., Rižnar I. & Verbič T. 2002: Geological structure of the

Krško basin. 1. Slov. Geol. Kongr. 73—74 (in Slovenian).

Rasmusen  R.  &  Pedersen  L.B.  1979:  End  corrections  in  potential

field  modelling.  Geophys.  Prospecting  27,  749—760.

Reynolds  J.M.  1997:  An  introduction  to  applied  and  environmen-

tal geophysics. John Wiley & Sons, 1—796.

Roach  M.  1993:  Model  2D,  Ver.  3.0,  User  Manual.  Univ.  Tasma-

nia,  1—32.

Starčević  M.,  Stopar  R.  &  Rihtar  B.  1989:  Report  on  gravimetric

investigations  in  the  Krško  basin  in  year  1989.  Geološki
Zavod  Slovenije,
  1—8  (internal  report,  in  Slovenian).

Šikić  K.,  Basch  O.  &  Šimunić  A.  1979:  Basic  geological  map,

sheet Zagreb 1 : 100,000. Zvezni Geološki Zavod.

Talwani  M.,  Worzel  J.L.  &  Landisman  M.  1959:  Rapid  gravity

computations  for  two-dimensional  bodies  with  application  to
the  Mendocino  submarine  fracture  zone.  J.  Geophys.  Res.
64,  1,  49—59.

Urh I. 1955: Report on gravimetric investigations in the Krško ba-

sin  in  years  1953—1954.  Geološki  Zavod  Slovenije,  1—7  (in-
ternal  report,  in  Slovenian).

Verbič  T.,  Rižnar  I.,  Poljak  M.,  Toman  M.  &  Demšar  M.  2000:

Quaternary sediments of the Krško basin.  2.  Hrv.  Geol.  Kon-
gr.,  Zbor.  Rad
.  451—457.