Сдвиговая тектоника ОБ - тектонофизические и флюидодинамические аспекты нефтегазоносности недр > Сдвиговая тектоника осадочных бассейнов
Структурные парагенезы сдвигов: от Риделя к Силвестеру. Что дальше?
Тимурзиев Ахмет Иссакович:
Здесь Вам флаг в руки, Хайдар Галимович, Ваша тема, сейчас не могу глубоко войти в тему, по приезду продолжим.
Зинатов Хайдар Галимович:
Уважаемый Ахмет Иссакович!
Хотел спросить у Вас: известны ли Вам примеры замеров количественных значений тензоров сжатия и растяжения полей напряжений в геологии? И если да, то, какие приборы, при этом используются и в каких единицах системы «СИ» измерения выражаются? Сам я долгое время искал по «РЖ. Геология» искал, но не нашел. М.б., ближе всего к этому подошли Профи, занимающиеся «реставрацией» механизмом фокальных очагов землетрясений? Они используют данные сейсмографов, тоже работают в объеме. Правда у них эта информация происходит мгновенно. Хотя есть форшоки и афтершоки землетрясений, то есть, предоставлена возможность проследить развитие – изменение механизмов фокальных очагов основных землетрясений во времени. Но есть ли приэтих работах возможность измерения основных тензоров полей напряжений?
Сам, я, в свое время, отошел от поисков этой информации в опубликованной литературе и полностью переключился при использовании методов тектонофизического анализа геологической информации о дислокациях в земной коре, полученной от материалов дешифрирования космических снимков до, материалов, получаемых в полевых работах на обнажениях горных пород, сочтя, что мы, пока, можем реконструировать поля напряжений в верхних слоях земной коры на основе применения тектонофизического анализа к следствиям тектонических деформаций: к парагенетичным дислокациям «растяжения – скола – сжатия», пространственно-временная организация которых, предопределена единым для них полем напряжений.
Почему у меня возник к Вам этот вопрос? Заходил я на нефтяной форум по приглашению В.А. Карпова. Там, после, начальной «обкатки», мне задал пару вопросов, некто С.В. Чернов, специалист по применению матстатистики в геохимии: «Могут ли авторы представить какие-либо числовые характеристики точности: 1) идентификации дислокаций по КС; 2) реконструкции полей напряжений по КС?». Я ответил: «Нет!». Однако объяснил почему «Нет». Заглядываю я изредка на их форум. Обнаружил, что некто Б. Бачурин по поводу Вашей докторской сказал Николаю Андрееву, который сослался на Вас о необходимости применения Вашего варианта изучения геодинамики при работах на нефть: «Вряд ли Тимурзиева можно отнести к специалистам, глубоко разбирающимся с законами напряженно-деформированного состояния горных массивов. Показал кое-что из его диссертации нашим геомеханикам (а у нас довольно приличная школа, причем работающая совместно с сейсмиками - устаканилось даже понятие сейсмогеомеханика) - отзывы неоднозначные. Правда говорят нет времени, чтобы детальнее проанализировать его методику и подходы. Кроме того, у нас работают на уровне конкретного горного массива, содержащего соли и подсолевые залежи УВ, а у него это больше относится к глобальной тектонике на уровне динамики литосферных плит. И самое главное - откуда берутся инструментально замеренные в горном массиве значения напряжений? (у нас это фактические замеры в шахтах, а по скважинам качественная информация практически отсутствует)". Правда, ранее, он же отметил: «И все же нашел кое-что итересное для себя: "цветковая структура разломов", когда вверх по разрезу наблюдается значительное горизонтальное смещение разрывов - может с этим связано смещения поверхностных газогеохимических аномалий за контур структур иногда на довольно значительное расстояние (до 1 км)». Ахмет Иссакович, я никогда не занимался и не занимаюсь провокациями, да и, если надо, то Вы сами за себя постоите. Хотя, Б. Бачурин неправ! Насколько я знаю, у Вас от «Глобальной тектоники» начинается "аллергия". Это я ей мало-мало занимаюсь. Однако Б. Бачурин вынужден был пойти к своим спецам по полям напряжений в земной коре. И отметил, что: «… у нас работают на уровне конкретного горного массива, содержащего соли и подсолевые залежи УВ.»; «..И самое главное - откуда берутся инструментально замеренные в горном массиве значения напряжений? (у нас это фактические замеры в шахтах, а по скважинам качественная информация практически отсутствует)".
И у меня опять возникла мысль: «А, ведь, я что-то «проморгал» толковое в работе с полями напряжений. Опять туманное слово: «замеры в шахтах». Чувствую , что к Б. Бачурину обращаться за разъяснениями не стоит. Мы все: каждый в отдельности, «разбираемся во вкусе, тех устриц», которые поедае». А обращаться к их спецам - долгий путь. Разве найти и прочесть их публикации. Вчера «пошел» в «Инет»: а что там нового, в шахтах, по поводу замеров полей напряжений? Бегло нашел работу Корчемагина В.А., И.О. Павлова «Поля напряжений и деформаций и выбросоопасность углей и пород Донецко-Макеевского района Донбаса». Науковi працi УКР НДМI Украiни, № 5 (частина II), 2909. С. 189 – 195., в которой по замерам плоскостей трещиноватости в зонах скольжения, проведенных «на основе методологически надёжной базы автоматизированной системы стрес-мониторинга, разработанной О.И. Гущенко и О.А Мастрюкова (ИФЗ РАН) на основе существовавшего кинематического метода анализа трещинно-разрывных структур (1973, 1979, 2001)», продемонстрировано реконструкций стадий развития полей напряжений, выделены, в связи с анализом полей напряжений, наиболее опасные , по-видимому объемные участки выбросов углей и горных пород. Нашел еще несколько более ранних подобных работ. Да! Диапазон применения тектонофизических методов обширен»: от кристаллов до границ литосферных плит. Не спорю, мой подход к применению тектонофизики для усовершенствования тектонических предпосылок поисков месторождений твердых и горючих полезных ископаемых, «особенно» на уровни границ литосферных плит, может быть неверным. Предложите свои. Я всем это говорю, а не только Вам , Ахмет Иссакович! Но! Будь те добры! С начла опровергните мои варианты. И изложите свои варианты, да так, чтобы была "Логика Событий". >:( А мы их..и обсудим :).
«Но мы сейчас не об этом». Да я сам порадовался бы за возможность оперировать в тектонике количественными определениями в полях напряжений. Особенно в современных шахтах, а хорошо бы и в скважинах (!). Можно же установить как изменяется сложившееся напряженно-деформационное состояние горных пород при его нарушенности горной выработкой. С другой стороны поля напряжений на ранних стадиях неотектонического развития земли не померить. Да и сегодня не померить. >:(. Не говоря уже о раннем протерозое.
Так, что Вы можете ответить мне или нам всем , уважаемый Ахмет Иссакович?
Благополучия!
К сему Х.Г. Зинатов
Тимурзиев Ахмет Иссакович:
Хайдар Галимович, попробую ответить Вам более или менее обстоятельно, хотя в рамках формата форума с этим определенные трудности. Поможет тот факт, что многое опубликовано и я Вас (Вы уж извините) буду отсылать к опубликованным работам. Начну с того, что в 9-м номере журнала Глубинная нефть (http://journal.deepoil.ru/images/stories/docs/DO-1-9-2013/12_Timurziev_1-9-2013.pdf), как раз опубликована глава 4. РЕКОНСТРУКЦИИ НДС ЗЕМНОЙ КОРЫ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ТРЕЩИННЫХ СИСТЕМ моей диссертации. Глава написана по результатам совместного проекта по изучению механизма горизонтального сдвига, выполненного в лаборатории тектонофизики ИФЗ РАН под руководством Ю.Л.Ребецкого и в ОАО «ЦГЭ» под моим руководством.
Там, по сути изложены все известные подходы к реконструкциям полей напряжений по результатам анализа трещинных систем. Поясню, что это была за работа, которую мы делали 2 года и по результатам которой, написали отчет из 5-ти томов. Три тома написал я - это была основа моей докторской диссертации.
Мы (ЦГЭ) на субподряде привлекали целый ряд авторских коллективов для изучения сдвиговой тектоники по проекту с нефтяниками. Ко времени начала работ над изучаемой проблемой многие вопросы, касающиеся генезиса и влияния горизонтальных сдвигов на процессы структурообразования, характер строения и насыщения присдвиговых зон, проницаемость оперяющих разломов, влияние сдвигов на фильтрационно-емкостные свойства коллекторов и экранирующие свойства покрышек месторождений нефти и газа, до конца не были ясны. Многие вопросы были поставлены нами впервые в связи со вставшими на повестку дня практическими задачами геометризации залежей нефти и газа на месторождениях Западной Сибири, осложненных сдвигами.
Вопросы, касающиеся строения месторождений, осложненных сдвигами, и напрямую связанные с теорией сдвиговых деформаций, были сформулированы в процессе постановки исследований и требовали ответа в практике нефтепоисковых работ при построении геологических и гидродинамических моделей разрабатываемых месторождений. Их содержание свидетельствует о недостаточной разработанности как теории сдвиговой тектоники, так и ее практического приложения в практику нефтегазовой геологии на этапе их 3-х мерного изучения. Во всяком случае, многие из поставленных нами перед наукой вопросов не имеют простого ответа и на практике сопряжены с принятием неоднозначных и рисковых технологических решений.
Для ответа на эти вопросы в ОАО «ЦГЭ» в 2007 году по моей инициативе были запланированы и выполнены специальные научные исследования по изучению сдвиговых деформаций с целью решения теоретических вопросов формирования структур горизонтального сдвига и практических вопросов оптимизации поисково-разведочных работ и повышения эффективности разработки месторождений нефти и газа, осложненных сдвигами. При этом для постановки этих исследований был выбран Еты-Пуровский полигон (одноименное нефтегазовое месторождение, связанное с антиклинальной складкой размером 100×25 км в пределах Надым-Пурской впадины Западной Сибири), как наиболее изученный и сложно построенный объект, осложненный сдвиговыми деформациями.
С привлечением ведущих отечественных ученых из лаборатории геотектоники и тектонофизики им. В.В.Белоусова МГУ (Н.В.Короновский, М.А.Гончаров, Н.С.Фролова), лаборатории вычислительной тектонофизики, отделение математической геофизики и информатики ИФЗ им. О.Ю.Шмидта РАН (Ю.Л.Ребецкий, А.В.Михайлова, Л.А.Сим, Ф.Л.Яковлев), лабораторий геомеханики ИФЗ им. О.Ю.Шмидта РАН (Ш.А.Мухамедиев, Е.И.Рыжак, И.А.Гарагаш), лаборатории вычислительной геофизики института прикладной математики РАН им. Келдыша (руководитель А.Х.Пергамент), ИФПМ СО РАН (руководитель Ю.П.Стефанов), лаборатории аэрокосмического мониторинга института проблем нефти и газа РАН (руководитель В.И.Гридин) и других вузовских и академических научных учреждений нами решались теоретические и прикладные вопросы структурообразования в обстановке сдвиговых деформаций, приближенных к реальным условиям Западной Сибири.
Выполнены исследования по теоретическому, тектонофизическому, математическому моделированию процессов структурообразования в условиях сдвиговых деформаций, физическому моделированию механизма горизонтального сдвига на вязко-пластичных материалах, математическому моделированию НДС горных пород, созданию алгоритмов и разработке программ моделирования равновесия и неустойчивости упругопластических массивов, численному моделированию (в 2D постановке плоской деформации) формирования полос локализованного сдвига в горизонтальных и вертикальных сечениях среды при разрывном смещении фундамента, системно-геодинамические исследования отображения структур горизонтального сдвига в ландшафтных индикаторах и другие исследования.
Огромный объем выполненных исследований не позволяет изложить здесь этот материал. Приведу в следующем сообщении основные выводы.
Тимурзиев Ахмет Иссакович:
В процессе выполнения работы был выполнен обзор и обобщение результатов изучения структур разрушения и течения, формирующихся в осадочном чехле земной коры в зонах сдвига (зонах скалывания) в условиях действия геодинамического режима горизонтального сдвига, полученных по результатам тектонофизического моделирования. Источником анализа явились результаты совместной работы с лабораторией тектонофизики ИФЗ РАН (руководитель Ю.Л.Ребецкий) по изучению механизма горизонтального сдвига в условиях приближенных к Западной Сибири. Помимо работ по моделированию, выполненному в лаборатории тектонофизики ИФЗ РАН, обобщены результаты, представленные в работах российских и зарубежных исследователей (В.Риделя, Г.Клооса, Э.Клооса, И.С.Чаленко, М.В.Гзовского, С.Стоянова, В.Д.Парфенова, А.В.Михайловой, С.А.Борнякова, Д.Н.Осокиной, Ю.Л.Ребецкого, Ю.В.Лир, С.С.Шакин и др.).
Выполненный обзор результатов моделирования зон сдвигов показал, что как постановка экспериментов, так и интерпретация наблюдений требуют дополнительно анализа, поскольку достаточно часто проводилась без учета процессов имеющих место в природе, но не воспроизводимых в экспериментах.
Тимурзиев Ахмет Иссакович:
Математическое моделирование
Результаты теоретического анализа моделей зон сдвигания в условиях продольного сдвига путем математического моделирования излагаются по результатам работ лабораторий тектонофизики (группа Ребецкого Ю.Л.) и геомеханики (Мухамедиев Ш.А., Рыжак Е.И.) ИФЗ РАН и института физики прочности и материаловедения СО РАН (группа Стефанова Ю.П.).
1. Анализ результатов математического моделирования и опубликованных данных по изучению структур разрушения и деформирования в зонах горизонтального сдвигания, выполненный группой Ю.Л. Ребецкого (ИФЗ РАН) показал следующее.
В условиях однородного чистого сдвига в модели из влажной глины образуется либо равномерная сетка сопряженных сколов второго ранга (нагружение через гибкую подложку), либо сколы первого ранга (нагружения жесткими блоками через боковые границы модели). При низкой прочности на растяжение в модели формируется только равномерная сетка трещин отрыва.
В условиях однородного простого сдвига в модели из влажной глины возникают локально группирующиеся системы сопряженных сколов. В целом сетка трещин по модели распределена равномерно. В парафиновых моделях кроме сопряженной сетки сколов появляется также и сетка трещин отрыва.
В условиях плоского простого сдвига (неоднородность сдвига по латерали) для широкого спектра типов влажных глин в модели формируются R и R’-сколы и трещины отрыва T, эшелонировано расположенные в осевой части зоны сдвигания. Трещины субвертикальны. На продвинутой стадии, как правило, преобладают R-сколы. В условиях простого сдвига (неоднородного по глубине) в модели формируется та же система эшелонированных трещин, что и для плоского простого сдвига, но при этом R и R’-сколы не строго вертикальны, их плоскости изогнуты (пропеллерообразные), и погружение направлено в сторону против смещения подложек. Для R-сколов и R’-сколов помимо сдвиговой компоненты фиксируется также соответственно сбросовая и взбросовая компонента смещения их бортов.
Важно отметить, что R и R’-сколы, трещины отрыва T и формирующиеся на завершающей стадии L-сколы являются структурами второго ранга по отношению к магистральной трещине, разрезающей всю модель, в то время как остальные типы трещин, выделяемые разными авторами, на самом деле являются структурами разрушения третьего ранга, которые Лукьяновым [А.В.Лукьянов, 1965] были отнесены к структурам «конского хвоста».
Говоря об интерпретации трещин, наблюдаемых на поверхности модели, отметим, что дополнительное сжатие или растяжение, накладываемое на зону сдвига, ведет к развороту плоскостей действия максимальных касательных напряжений относительно оси сдвига, при дополнительном сжатии одна их этих плоскостей близка к простиранию, а другая – к перпендикулярному положению относительно оси сдвига. Выделяемые для таких моделей на их поверхности плоскости, приближенные по ориентировке к простиранию оси сдвига, неотличимы от L-сколов, а сколы, субнормальные к оси сдвига, сходны с R-сколами. Это существенно осложняет обратную задачу определения внешних условий нагружения, ответственных за наблюдаемые структуры разрушения. Для ее решения необходим дополнительный анализ специально проведенных экспериментов по сдвигу в условиях сжатия и растяжения.
Анализ результатов лабораторных экспериментов группы Ю.Л.Ребецкого показал, что приповерхностная структура зоны сдвига, формирующаяся в условиях неоднородного простого сдвига (антиплоского сдвига), достаточно хорошо изучена. Чего нельзя сказать о структуре и деформациях слоя в целом, т.е. в его глубине, так как используемая при физическом моделировании методика количественного изучения деформаций не дает такой возможности.
Результаты работ группы Ю.Л.Ребецкого показали, что при физическом моделировании сдвига, не выполняется условие подобия по гравитационным напряжениям [Ю.Л. Ребецкий, А.В. Михайлова; 2011]. В силу этого, а также из-за того, что наблюдения ведутся только на поверхности моделей, увидеть при моделировании влияние на характер разрушения этих напряжений не представляется возможным. На самом же деле роль гравитационных напряжений в природных процессах очень велика. При интерпретации природных структур разрушения используются результаты, полученные в экспериментах. Показано, что такая интерпретация структур, наблюдаемых на поверхности, может оказаться верной только для механизма нагружения в виде однородного по глубине плоского простого сдвига. В случае реализации простого сдвига в природных условиях, напряженное состояние существенно неоднородно по глубине и в этом случае структуры разрушения, формирующиеся в глубине массива, могут отличаться от тех, что наблюдаются на поверхности не только по простиранию, но и по кинематическому типу. Однако многие исследователи на основании подобного анализа мысленно продолжают наблюдаемые типы структур разрушения на глубину.
Наблюдения за подобными изменениями во внутренних объемах горных пород впервые стало возможным с развитием методов сейсморазведки 3D.
2. Исследования механизмов локализации при образовании эшелонных структур, выполненные Ш.А.Мухамедиевым и Е.И.Рыжак (ИФЗ РАН), показали, что строение кулисообразных систем нарушений в Западной Сибири имеет заметные расхождения с результатами опытов В.Риделя, С.Стоянова, Дж.Байерли и др. по сдвигу полосы.
Установлено, что угол, образуемый нарушениями с осью полосы, далек от углов, типичных для сдвиговых нарушений Риделя. По мнению авторов, это может быть связано с наложением на сдвиговые напряжения сжимающих напряжений в направлении вдоль или поперек полосы, что приводит к повороту осей напряжений и к соответствующему повороту площадок максимального касательного напряжения, плоскостей локализации деформаций и т.п.
Рассматриваются альтернативные представления о механизме зарождения системы сдвиговых зон в поле действия «дальних» напряжений, аналогичном механизму зарождения кулисообразных нарушений в единичной сдвиговой зоне, но только на другом масштабном уровне. Экспериментальные (лабораторные) данные подтверждают сдвиговый и другой механизм: регулярные зоны локализации пластических деформаций возникают и при сдвиге материала на подложке, состоящей из двух частей, которые движутся относительно друг друга, и при простом сдвиге в ящике без разрывных движений на границе. Существуют и геологические данные, устанавливающие в некоторых случаях отсутствие разрывных сдвигов в «подложке».
Общий смысл задачи, решенной Ш.А.Мухамедиевым и Е.И.Рыжак, сводится к тому, что, в отличие от использования упругой модели с привлечением критериев прочности, возможно корректное моделирование образования регулярных структур (кулисных зон оперения горизонтальных сдвигов фундамента), которое должно основываться на модели упруго-пластического деформирования и представлений о неустойчивости этого процесса в массиве. Естественно, что на многие прикладные вопросы аналитическое решение двумерной задачи ответить не может.
3. Работами группы Ю.П.Стефанова (ИФПМ СО РАН) по численному моделированию (в 2D постановке плоской деформации) механизма формирования полос локализованного сдвига в горизонтальных и вертикальных сечениях среды при разрывном смещении фундамента установлено, что в условиях сдвиговой деформации толщи среды в горизонтальных сечениях формируется квазипериодическая система полос локализованного сдвига Риделя. Угол наклона полос локализованной деформации к направляющей сдвига составляет 10-12 град (типичная величина для сдвиговых нарушений Риделя).
Установлено, что с увеличением глубины ширина зоны, в которой сосредоточены полосы локализации сужается, с соответствующим ростом степени деформации в ней. Расстояние между полосами локализованного сдвига возрастает с увеличением эффективной сдвиговой прочности, а следовательно и с глубиной. В вертикальных сечениях среды вблизи плоскости разрывного смещения формируются полосы локализованной деформации, наклон которых изменяется с глубиной. Наименьший угол наклона полос локализации (~10 град) наблюдается в нижних слоях, вблизи основания и при уменьшении глубины (удалении от основания) возрастает.
Анализ результатов численного моделирования в 2D постановке плоской деформации показал несоответствия как по углам, образуемым полосами локализованной деформации с осью сдвига, так и по изменению расстояния между полосами локализованного сдвига с глубиной (в экспериментах получена обратная картина). В вертикальных сечениях получена модель листрического разлома, не имеющая ничего общего с природными объектами зон сдвигания. Как следствие вывод авторов о том, что более точный анализ деформирования среды может быть получен при трехмерном моделировании процесса.
Навигация
Перейти к полной версии