Проницаемость в верхних горизонтах определяется и морфологогенетической принадлежностью разломов. Сбросы, раздвиги и сдвиги имеют разную инфраструктуру, различаются по размерам областей динамического влияния и строению деструктивных полей [5, 11]. Ширина области динамического влияния определяет при прочих равных условиях общий объем потока флюидов, проходящих сквозь зоны разломов. На рис. 5 показано, как влияет морфологогенетическая характеристика на ширину области приразломных деформаций. Наиболее широкую область имеют сдвиги, образуемые при деформации среза, затем следуют надвиги, затем группа сдвигов, образуемых при деформации сжатия, и, наконец, самую узкую область динамического влияния имеют сбросы.
Рис. 5. Ширина области приразломных структурных изменений в зависимости от морфолого-генетического типа разломов: I - срезы, II - надвиго, III - сбросы, IV - сдвиги при деформации сжатия; M - ширина области активного динамического влияния; H - толщина моделей; з - вязкость модельного материала; V - скорость деформирования.
При детальном рассмотрении картина оказывается более сложной, поскольку область динамического влияния по простиранию генеральной дислокации имеет разную плотность трещин и отклонения от средней, только что охарактеризованной ширины. В общем случае это приводит к различию характеристик флюидной проницаемости по простриранию разлома. Изложенные данные позволяют оценить некоторые закономерности повышения и понижения плотности трещиноватости в области динамического влияния разлома. Эти данные объясняют разную степень флюидопроводности в различных местах одного и того же крупного разлома.
Более сложные процессы определяют флюидную проницаемость на глубоких горизонтах. Выше уже упоминалась роль зон концентрации напряжений в повышении флюидной проницаемости разломов. Суть здесь в том, что за время развития разлома напряженное состояние среды в его зоне не остается постоянным. В связи с большой длительностью развития разломов изменения напряженного состояния, а значит, и контролируемые им вариации флюидной проницаемости, пока можно изучить только на моделях.
Этапы развития зон разломов и проницаемость
Используя специально разработанную методику [2], проведена серия экспериментов по изучению динамики полей деформаций и напряжений при формировании срезов. Моделировался процесс образования и развития зоны продольного сдвига (среза) в бесконечном слое определенной толщины из упругопластичного материала (глинистой пасты) при постоянной скорости деформирования. Последняя задавалась с помощью относительного смещения частей жесткой подложки, на которой лежит слой, по линии их стыка. Основной задачей поставленных опытов была оценка изменений напряженно-деформированного состояния в объеме зоны среза в ходе ее эволюции.
Согласно теории подобия, 1 мин времени опыта соответствует 100 тыс. лет, а 1 см на модели -- 10 км. При этом возможны отклонения на один порядок величины в виду низкой точности определения вязкости как в природных условиях, так и при моделировании. Экспериментальные результаты можно применять для крупных сдвиговых зон, развивающихся в толщах мощностью порядка 100 км в течение первых десятков млн. лет, однако имеются основания с известной осторожностью приложить полученные закономерности к разломам меньшего пространственно-временного масштаба, если реологию субстрата можно считать существенно неупругой.
Результаты этих экспериментов позволили существенно дополнить вышеописанную (рис. 4) нестационарную модель разлома рассмотрением развития его зоны в объеме деформируемого слоя при условии роста разлома снизу [6]. При этом главное внимание было обращено на ранние стадии развития зоны, протекающие до формирования в модели магистрального разлома. Эволюцию зоны среза иллюстрирует рис. 6, на котором приведены в различные моменты времени опыта схемы накопленных сдвиговых деформаций в срединном поперечном сечении модели. Эволюция включает три этапа.
Первый этап начинается от начала деформирования и заканчивается образованием первых трещин на поверхности. За это время трещиноватость развивается и распространяется в объеме деформируемого слоя. В нижних горизонтах сеть трещин, по всей видимости, успевает претерпеть первые перестройки. Конец первого этапа можно охарактеризовать тем, что дизъюнктивные деформации охватывают разрушаемый слой на всю глубину. Для поля деформаций характерны малые значения (рис. 6, а), а их распределение весьма неравномерно, центральная часть зоны еще не проявлена как единая область повышенных деформаций. На поверхности видны пликативные деформации, а разрывы отсутствуют.
Флюидную проницаемость на этом этапе в среднем по всей глубине можно охарактеризовать как рассеянную, контролируемую зонами концентрации надряжений. Гидродинамическая связь между трещинами слабая.
Второй этап начинается с появления первых трещин на поверхности и заканчивается образованием магистрального разрыва. В течение второго этапа в зоне разлома происходят структурные перестройки сети трещин, в результате которых при слиянии наиболее крупных и близких по направлению к оси среза разрывов образуется единая магистральная трещина. Ее формирование начинается в глубине слоя в приосевой части зоны и заканчивается проявлением на поверхности. Конец второго этапа отмечен разрушением слоя на всю глубину. В начале этапа распределение деформаций еще сохраняет весьма нерегулярный характер (рис. 6, б), но по расположению изолиний уже отрисовывается в середине сечения область повышенных деформаций. На поверхности наблюдается первичная сетка мелких разрывов, приблизительно равномерно распределенных по области активного динамического влияния. Краткий интервал времени перехода к следующему этапу (рис. 6, в) характеризуется возникновением сегментов будущего магистрального шва и выражается в поле накопленных деформаций резким их ростом в центральной части зоны. С этого времени некоторая неравномерность распределения деформаций сохраняется только в крыльях разлома, а в середине сечения выделяется вытянутый вертикально к поверхности мощный максимум. Причем в центральном максимуме в момент главной структурной перестройки более деформированной оказывается область в середине слоя (по его толщине). На этом этапе за счет роста и слияния разрывов все более усиливается гидродинамическая связь между ними. Флюидная проницаемость, определяемая уже главным образом трещинами, сначала в нижних горизонтах разреза, а затем по мере укрупнения трещин и формирования сегментов магистрального разрыва все выше по разрезу становится сосредоточенной.
Третий этап начинается с проявления магистрального разрыва на поверхности. На этом этапе происходит выравнивание, сглаживание его берегов при взаимном их смещении и связанное с этим разрывообразование. Распределение накопленных деформаций (рис. 6, г) слабо отличается от предыдущего момента: в крыльях деформации практически не изменяются, в центральной зоне продолжается рост деформаций. Вся амплитуда смещений реализуется по магистральному шву и в его узкой пришовной зоне, смещения по разрывам в крыльях зоны прекращаются и практически весь объем области активного динамического влияния (за исключением магистрального шва) становится пассивным. Здесь же сосредоточивается и поток флюидов, за исключением тех случаев, когда образуются или активизируются оперяющие структуры.
Рис. 6. Эволюция области динамического влияния среза по данным о поле накопленных сдвиговых деформаций по поперечному сечению подели. Этапы: а - первый, б - второй, в - переход от второго к третьему, г - третий. Изолинии оцифрованы в относительных единицах.
Колебания напряженно-деформированного состояния в зонах разломов и проницаемость
На основании сказанного выше может создаться мнение, что флюидная проницаемость в ходе эволюции разлома постепенно меняется от хаотически и более или менее равномерно распределенной на первом этапе до сосредоточенной в окрестности магистрального разрыва в конце. И контролируемые ею разновозрастные рудопроявления в зоне в соответствии с изменением характера проницаемости должны располагаться таким образом: ранние -- мелкие, равномерно распределенные по зоне; средневозрастные -- более редкие и крупные, тяготеющие к осевой линии зоны и также вполне равномерно распределенные; поздние -- вытянутые по осевой линии зоны, еще более крупные, отбивающие участки магистрального разрыва. Тем не менее экспериментальные результаты, полученные даже на простых однослойных и предварительно однородных моделях, показывают, что распределение рудопроявлений в зонах крупных разломов должно быть значительно более сложным и неравномерным ввиду сложности самого процесса деструкции. флюидная проницаемость разлом
При рассмотрении характера накопления деформаций оказалось, что как средняя по всему объему зоны разлома, так и в отдельных, даже небольших, частях зоны, скорость накопления деформаций изменяется во времени. Скорость накопления сдвиговых деформаций пропорциональна касательным напряжениям и контролирует флюидную проницаемость зоны разлома. Изменения скорости накопления деформации в ходе эволюции сложны, неравномерны, наблюдаются резкие скачки, пики скорости сдвига, сменяющиеся столь же резкими понижениями или другими скачками. В некоторых случаях амплитуда пика может превышать все остальные вариации скорости деформации в 2,5--3 раза, при этом может одновременно активизироваться до 90% объема зоны разлома. Изменения поля скоростей сдвига и напряжений во времени имеют колебательный характер. Во временных колебаниях содержатся периодические составляющие. Все эти особенности динамики напряженно-деформированного состояния должны сказываться на поведении флюидной проницаемости, значительно усложняя картину распределения рудопроявлений в развивающейся зоне разлома.
В результате анализа изменения скоростей деформации по пространству разрушаемого слоя отмечено, что в разные моменты времени повышенным уровнем скорости сдвиговой деформации и напряжений, а значит, и проницаемости, могут обладать различные части объема зоны разлома, т. е. области повышенных напряжений и значений проницаемости перемещаются в объеме зоны. Это явление было названо миграцией. Установлены продольная, поперечная и вертикальная компоненты миграции, обладающие сложной структурой, включающей периодические составляющие. Компоненты миграции по разным пространственным направлениям не коррелируют между собой.
Пример поперечной миграции приведен на рис. 7, где показаны в изолиниях для нескольких конкретных моментов времени скорости деформации в крыльях сдвига. Поперечное сечение перпендикулярно осевой плоскости разлома, проходящей по центру рисунка. Изолинии скоростей деформации оцифрованы условно, их величина грубо пропорциональна касательным напряжениям. Показаны также эпюры касательных напряжений, характеризующие изменения средних за промежуток времени касательных напряжений как вкрест простирания зоны разлома, так и по глубине. По картам скоростей деформации и по эпюрам касательных напряжений видно, что большим уровнем деформаций попеременно обладает то одно, то другое крыло разлома, их максимум мигрирует в поперечном направлении из крыла в крыло. Наблюдаются аналогичные миграции также по простиранию зоны и глубине.
В соответствии с этим можно констатировать, что в границах области динамического влияния разлома проницаемость, зависящая, как было показано, от уровня касательных напряжений, различна и имеет максимальные значения примерно в центре области. Проницаемость не остается постоянной во времени, величина ее колеблется, имеет своеобразный пульсирующий характер. Части зоны разлома, обладавшие в некоторый момент времени высокой проницаемостью, через определенный интервал времени снижают ее, а затем проницаемость может вновь возрасти. В каждый момент времени высокая проницаемость характерна не для всей области динамического влияния разлома, т. е. зона флюидной проницаемости уже области динамического влияния. Области повышенной проницаемости сложным образом мигрируют в объеме зоны разлома вкрест простирания, по простиранию и по глубине.
Рис. 7. Скорости деформации в крыльях сдвига и эпюры касательных напряжений вкрест простирания и по глубине зоны сдвига. Поперечное сечение перпендикулярно осевой плоскости разлома, которая проходит по центру рисунка. Т -- время опыта, Н -- толщина модели, X -- расстояние от плоскости разлома в поперечном направлении, ф -- касательные напряжения. Изолинии скоростей деформации оцифрованы условно. Знаками «+» и «-» показаны более и менее активно деформируемое в данный промежуток времени крыло зоны сдвига.
Эффект миграции областей повышенной флюидной проницаемости должен значительно влиять на локализацию разновозрастных рудопроявлений в зонах развивающихся крупных разломов. Это влияние иллюстрирует рис. 8, построенный по экспериментальным данным в предположении того, что места, где в данный момент имеются максимальные значения прироста деформации, являются областями повышенной проницаемости и преимущественно в них происходят процессы рудоотложения. На рис. 8, б представлен план зоны растяжения в двухслойной модели, где различной штриховкой покрыты разновозрастные области повышенной проницаемости. Видно, что с ходом времени места потенциальной локализации рудопроявлений (особенно в активном крыле) мигрируют по направлению к будущему магистральному разрыву. Видно также, что области локализации последовательных по времени рудопроявлений практически не перекрываются, что говорит о пульсирующем характере проницаемости, о наличии миграции по дистали и латерали зоны.
Рис. 8. Изменение во времени дифференциальных деформаций на модели по сечению А--А' вкрест простирания зоны растяжения (а) (пунктир - начало опыта, пунктир с точкой -- середина, сплошная линия -- конец опыта) и гипотетическое распределение разновозрастных рудопроявлений в зоне раздвига в плане (б). Локализация рудопроявлений, приуроченных к начальным стадиям развития, показана контурными линиями, к средним стадиям -- крапом, к конечным стадиям -- штриховкой. Пунктиром показано расположение формирующегося магистрального разрыва.
Сложность и неравномерность протекания процессов деструкции в областях динамического влияния разломов приводят также к тому, что, имея данные о современном поле тектонических напряжений и новейших деформациях на поверхности, нельзя распространять их на более глубокие горизонты зон разломов. Поля деформаций на поверхности зоны и поверхностная структурная картина дают возможность только в самом общем плане судить о размерах и конфигурации области динамического влияния разломов, но мало что дают для характеристики глубинного напряженно-деформированного состояния в данный конкретный момент времени (рис. 9). Напряжения могут изменяться по глубинному разрезу как в сторону увеличения, так и уменьшения, несмотря на нахождение в одинаковых и постоянных тектонических условиях. Имеется значительное количество сейсмологических данных, а также непосредственных замеров напряженного состояния в скважинах, подтверждающих это. Так, Г. Шамир с соавторами [13] проанализировали данные об ориентировке максимального горизонтального сжатия на глубинах от 1750 до 2100 м в скважине, расположенной в 4 км от разлома Сан-Андреас, и обнаружили, что ориентировка меняется в пределах ±37° с периодом в несколько сотен метров. Эти особенности процесса деструкции несомненно влияют на флюидную проницаемость.