Статья: Вертикальная зональность и флюидная проницаемость зон развивающих разломов

Вертикальная зональность и флюидная проницаемость зон развивающих разломов

Обсуждается вертикальная зональность разломов и способы флюидной проницаемости в зависимости от их глубины и стадии развития. Анализируется влияние закономерностей структурообразования, эволюции деформаций и пространственно-временных колебаний напряженно-деформированного состояния (миграций) на флюидную проницаемость и распределение рудопроявлений в зонах развивающихся разломов. Показано, что неравномерный в пространстве и во времени характер массопереноса в зонах разломов определяется в первую очередь динамикой их развития при ограниченной роли специфики вмещающей среды.

Существует привычное представление о том, что разломы -- это своеобразные каналы для магм, а в более общем плане-- флюидных систем. С общей геологической точки зрения данный вопрос хорошо разработан, хотя известны случаи, когда в тех или иных глубинных разломах не наблюдается активного массопереноса, или же только локальные участки разломов служат каналами для флюида. Если же рассматривается длительный временной интервал развития разломов, то флюидная проницаемость характерна для определенного геологического времени их развития, и ее причиной считается активизация разломов. В этой связи авторами рассматриваются вопросы проницаемости глубинных разломов с позиции современных представлений о динамике развития разломов, зон их сочленений.

Факторы контроля флюидной проницаемости зон разломов

Действительно, для оценки проницаемости разломов как частного случая общей геологической ситуации используются откачки и ведутся расчеты на базе закона Дарси для гидрогеологических и нефтяных расчетов. Закон связывает скорость фильтрации и градиент давления через коэффициент фильтрации и пригоден для пористой, трещиноватой среды [3, 8]. Величина коэффициента фильтрации в простейшем случае зависит от вязкости флюида и характера пористости вмещающей среды, сквозь которую происходит фильтрация флюида [1].

В общем случае при отсутствии в среде трещин флюиды по законам движения следует относить к неньютоновским, аномальным жидкостям. Наиболее простые из них -- нелинейно-вязкие жидкости. Они отличаются от ньютоновских жидкостей нелинейностью кривой течения, характеризующей связь касательного напряжения и скорости сдвига при течении (рис. 1). Флюиды могут обладать свойствами, характерными для любого вида неньютоновской жидкости, но ближе всего их поведение к псевдопластическим жидкостям (рис. 1, б). Это структурирующиеся нелинейно-вязкие жидкости, способные образовывать твердообразные структуры, разрушающиеся при увеличении интенсивности деформаций.

Рис. 1. Кривые течения ньютоновской (а), псевдопластической (б), дилатантной (в) и бигамовской (г) жидкостей [1].

Движение флюида сильно зависит от его вязкости, а последняя не является величиной постоянной. При движении в пористой среде она может изменяться в зависимости от скорости сдвига и конфигурации пор, которые могут суживаться или расширяться в результате деформации вмещающей среды. К вариациям вязкости флюида может приводить его микрогетерогенность и способность сорбироваться в скелете пористой среды, изменяя ее гидравлическое сопротивление, и т.д. [1].

Таким образом, движение флюидов в трещиноватой или пористой среде определяется градиентом давления, свойствами флюидов, характером пористости и конфигурацией пор и скоростью деформации слоя, внутри которого совершается массоперенос.

Стационарная и нестационарная модели развития разломов, вертикальная зональность разломов и механизмы проницаемости

Теперь рассмотрим, как характеристики структуры, закономерности процессов деструкции, особенности протекания деформаций в зонах развивающихся разломов отражаются на их флюидной проницаемости. В первую очередь имеет смысл рассмотреть структуру разломов в соответствии с параметрами, влияющими на флюидную проницаемость. Для этого выделим стационарную и нестационарную модели развития разломов. Первая позволит оценить принципиальную возможность движения флюидов по вертикальному разрезу литосферы в зонах разломов применительно к короткому (в геологическом смысле) промежутку времени развития разлома, и в то же время получить некое усредненное представление о данном процессе. Вторая же, нестационарная, модель позволит внести в намечаемые закономерности важнейший геологический параметр -- фактор времени, необходимый при рассмотрении эволюции разломов и их потенциальной способности к массопереносу.

В структуре крупного глубинного разлома по вертикальному разрезу можно выделить (рис. 2, таблица) пять зон: зону хрупкого разрушения, зону квазихрупкого разрушения, зону квазипластического течения, пластического и зону вязкого течений [9, 10].

Рис. 2. Структура крупного глубинного разлома по вертикальному разрезу: I - хрупкое разрушение, II - квазихрупкое разрушение, III - квазипластическое течение, IV - пластическое течение, V - вязкое течение.

Таблица

Тип разрушения и деформации по вертикальному разрезу генерального разлома (составлена с использованием данных В.И. Казанского [4])

Границы между зонами расплывчаты, с постепенными переходами от одной к другой. Глубины перехода зависят от геодинамических режимов и морфологогенетических типов разломов. Для каждой из зон характерен свой, наиболее существенный способ проницаемости флюидов. Для зон I и II ведущую роль в проницаемости играют трещины с учетом их гидродинамической связи между собой. При этом в зависимости от стадии развития разлома проницаемость может быть преимущественно сосредоточенной или рассредоточенной. Ниже по разрезу в зоне II большее значение приобретает поровая проницаемость. Еще ниже, на глубине зон III и IV, где затруднено образование хрупких разрывов и преобладают пластические деформации, характеризующиеся более тонкой микротрещиноватостью (кливаж), значения пористости и проницаемости претерпевают значительные изменения. Эти изменения связаны в большой степени и с интенсивностью и концентрацией касательных напряжений. Именно зона концентрации касательных напряжений служит (после трещин и пор) наиболее благоприятным «каналом» для движения флюидов. Это утверждение не столь очевидно, как трещинная или пористая проницаемость, и требует дополнительного обоснования. Его можно найти в серии очень интересных экспериментов.

При изучении деформаций карбонатных пород при высоких давлениях и повышенной температуре Ю. А. Розановым, Ю. А. Косыгиным и И. В. Лучицким [7] было установлено проникновение паров металлов в отдельные места деформируемого образца из мрамора. Исследована скорость проникновения паров металла в глубь породы при различных величинах напряжений (рис. 3). Результаты экспериментов позволили сделать следующие выводы [7].

1. Наиболее активное продвижение паров металлов идет в зонах сколов, без приоткрытия трещин; несколько менее активно это проникновение идет в зонах пластического течения.

2. Увеличение напряжений и соответственно увеличение деформаций пород приводит к облегчению проникновения газовой и жидкой фазы в зоне пластического течения и зоне микрокатаклаза. Скорость продвижения рудообразующих компонентов в зоне пластического течения при повышенных температурах соизмерима со скоростями фильтрации воды в породах, характеризующихся средней пористостью.

Рис. 3. Скорость проникновения паров металлов в породу при различных величинах напряжений [7].

В образце проникновение металла идет по зонам концентрации касательных напряжений, в которых активно развивается мелкая трещиноватость. Зоны сколов и зоны пластического течения имеют общую природу и являются проявлением одного и того же процесса деформирования и разрушения упругопластического материала, происходящего при различных условиях нагружения, а во многих случаях -- это разные по времени стадии единого деструктивного процесса.

Следовательно, возвращаясь вновь к стационарной модели глубинного разлома, можно констатировать, что на третьем и более глубоких уровнях его вертикальной зональности флюидная проницаемость связана с увеличением подвижности, текучести и деструкции материала в областях повышенной концентрации касательных напряжений. Близкие по смыслу идеи развиваются в недавно опубликованной работе А. М. Маккэйга [12]. Таким образом, при рассмотрении стационарной модели разлома по глубине можно выделить две существенно различающиеся «чувствительностью» к величине напряжений формы флюидной проницаемости. Первая из них -- проницаемость за счет наличия трещиноватости, вторая -- проницаемость по зонам концентрации напряжений.

В зависимости от регионального поля напряжений и морфологогенетической принадлежности разломов граница области перехода от одной формы проницаемости к другой будет изменять свой гипсометрический уровень (таблица). При растягивающих региональных напряжениях граница перехода опускается по разрезу коры, при сжимающих -- поднимается.

В геологии большую часть процессов принято рассматривать во времени. Поэтому стационарная модель разлома при исследовании структурного контроля флюидной проницаемости не может быть полностью удовлетворительной, поскольку не учитывает фактор изменчивости разломной структуры в геологическом времени. Далее рассмотрим нестационарную модель разлома, его эволюцию и флюидную проницаемость, т.е. ситуацию, характерную для развивающейся зоны разлома.

Динамика структурообразования и ее влияние на флюидную проницаемость зон разломов

В статье использованы результаты экспериментального изучения последовательности формирования трещин и пластических деформаций при деформировании упруговязкопластичной модели на срез. Рождаемые им сдвиговые разрывы -- это наиболее распространенная разновидность разломов земной коры. Последовательно оценим ситуации, связанные с первой, а позже со второй формами проницаемости, их пространственными вариациями во времени.

Рис. 4. Эволюция структурного рисунка на поверхности зоны среза по данным моделирования. I-IV - последовательные стадии развития зоны среза. 1 - границы области активного динамического влияния; 2 - направление смещения крыльев зоны; 3 - активные (а) и пассивные (б) разрывы.

Инфраструктура области, гидродинамическая связь между трещинами, составляющими зону среза, не остаются постоянными в течение всего времени развития разлома. Размеры зоны также не постоянны. В первые этапы развития разлома зону заполняет более или менее равномерно распределенная и кажущаяся хаотической мелкая трещиноватость (рис. 4). По мере развития дислокации и увеличения амплитуды смещения трещины растут и гидродинамическая связь между ними улучшается. Проницаемость разлома на первых двух временных стадиях его развития носит характер рассеянной, на заключительных стадиях, когда формируется единый магистральный разлом, проницаемость становится сосредоточенной (рис. 4). В первом случае инфраструктура разлома представляет собой сетку мелких сложно переплетающихся каналов, по которым флюиды могут пропитывать среду и двигаться вверх. В заключительные этапы, во втором случае, флюиды движутся по отдельным более редко расположенным, но крупным трещинам. Здесь скорость их движения выше, изменяется давление на стенки, а проницаемость становится сосредоточенной. От характера проницаемости зависит степень химического взаимодействия между флюидами и вмещающей породой, а также степень прогрева среды. При рассеянной проницаемости обеспечивается длительное взаимодействие флюидов с окружающей средой по всей области динамического влияния разлома, тогда как при сосредоточенной проницаемости горячие флюиды быстро поднимаются по крупным трещинам и в малой степени взаимодействуют с небольшим объемом окружающего пространства. Между этими крайними случаями существует множество промежуточных. Преобладание рассеянной или сосредоточенной проницаемости связано со стадией развития разлома, со степенью его зрелости.