Гидрогеомеханический анализ территории ямало-ненецкого нефтегазодобывающего региона

Гидрогеомеханический анализ территории ямало-ненецкого нефтегазодобывающего региона

Предметом гидрогеомеханики является изучение закономерностей механики земной коры, включая подземные воды, применительно к задачам гидрогеологии и инженерной геологии. Основы гидрогеомеханики были разработаны В.А. Мироненко и В.М. Шестаковым путем совместного и взаимно увязанного рассмотрения основных проблем механики грунтов и фильтрации подземных вод в рамках одной научной дисциплины. Таким образом, гидрогеомеханика объединяет теоретические основы геомеханики и геофильтрации, которые рассматривают гидрогеологические и инженерно-геологические процессы с механических позиций на основе схематизации геологических условий [2,3].

Авторы публикации

Рубрика

Геология

Журнал

Журнал «Научный лидер» выпуск # 28 (30), сентябрь ‘21

Поделиться

1. Исходные представления гидрогеомеханики

Основы гидрогеомеханики были разработаны применительно к механике пористых сред, находящихся в условиях литостатического напряженного состояния. Разнообразные исследования, выполненные в последние десятилетия, в различных регионах земного шара, убедительно показали, что земная кора находится в напряженно-деформированном состоянии. Основным источником напряженного состояния земной коры являются тектонические силы. Вектор действия главных максимальных напряжений имеет субгоризонтальную ориентировку. Значения главных напряжений, действующих в горизонтальной плоскости, в несколько раз превышают вертикальные напряжения от веса горных пород.

Напряженное состояние массивов горных пород детально изучается в условиях горно-складчатых регионов, и, соответственно, в скальных массивах. Основная идея, лежащая в основе гидрогеомеханики скальных массивов, состоит в том, что напряженное состояние земной коры приводит к формированию в скальных массивах деформационных (тектонических) структур, определяющих их гидрогеологические свойства. Можно считать, что основным предметом гидрогеомеханики скальных массивов являются геомеханические процессы, определяющие формирование емкостных и фильтрационных свойств массивов горных пород. Важнейшим фактором, определяющим свойства твердых горных пород, является трещиноватость. Именно трещиноватость определяет проницаемость твердых пород, обуславливает механическую и фильтрационную анизотропию скальных массивов.

 

Обозначение напряжений

Рис. 1.  Геодинамическая этажность земной коры [1]

В древних горноскладчатых районах первичные коллекторские свойства скальных пород в ходе длительного геологического развития были полностью утрачены, и возникли вновь в приповерхностной части земной коры в виде зон трещиноватости. Трещины в скальных горных породах образуются под действием внешних или внутренних сил. Следовательно, проницаемость этих пород формируется в результате геомеханических процессов.

Таким образом, гидрогеомеханика скальных массивов имеет тесную связь с тектонофизикой и механикой скальных пород, и должна рассматривать фильтрационную структуру массивов горных пород с позиций напряженно-деформированного состояния, с учётом, главным образом, тектонических напряжений.

Массивы горных пород чаще всего находятся в предельно напряженном состоянии, т.е. максимальные значения напряжений ограничиваются прочностными характеристиками породных массивов. Состояние предельного равновесия поддерживается разгрузкой напряжений при развитии в массивах процессов хрупкой и хрупкопластичной деформации. В результате деформации образуются тектонические структуры разрушения и предразрушения. Структуры разрушения нарушают сплошность массива и разделяют его на отдельные геомеханические блоки. В скальных массивах структуры разрушения представлены тектоническими нарушениями (разломами).

Структурами предразрушения являются массовые трещины, которые генетически связаны с этапом хрупкой деформации. Отличительной особенностью гидрогеомеханики является детальное рассмотрение процессов деформации на стадиях, предшествующих разрушению. Именно на этих стадиях возникают массовые трещины предразрушения, которые образуют сеть взаимосвязанных водопроводящих каналов и играют основную роль в формировании зоны приповерхностной трещиноватости.

Цель гидрогеомеханики как научного направления заключается в последовательном решении ряда научных задач. В первую группу задач входит экспериментально-теоретическое обоснование математических моделей геомеханических процессов, происходящих в горных породах (в материале) и в породных массивах (в верхней части земной коры). На основе математических моделей геомеханических процессов (следующая группа задач), разрабатываются методы анализа и прогноза характеристик тектонических и гидрогеологических структур породных массивов.

Фильтрационная структура скальных массивов определяется развитием зон открытой трещиноватости и состоит из двух компонентов. Вблизи поверхности земли практически повсеместно фиксируется зона региональной приповерхностной трещиноватости. Кроме того, значительную, но не однозначную роль в формировании фильтрационной структуры скальных массивов играют тектонические нарушения. На фоне относительно равномерной региональной приповерхностной трещиноватости выделяются локальные водоносные зоны, как правило, связанные с тектоническими нарушениями. Сочетание региональной зоны приповерхностной трещиноватости и локальных водоносных зон привело к формированию представлений о корово-блоковой структуре скальных массивов.

Массовые трещины предразрушения развиваются в приповерхностной зоне хрупкой деформации. Мощность этой зоны в скальных массивах составляет 300¸400 м. Сеть взаимосвязанных открытых трещин предразрушения определяет существование вблизи земной поверхности водоносного комплекса приповерхностной трещиноватости. Геомеханические закономерности развития процессов хрупкой деформации предопределяют формирование вертикальной трещинной зональности и, соответственно, фильтрационной стратификации скальных массивов [4].

В самой верхней части скальных массивов, средней мощностью около 50 м, развивается запредельная деформация. В этой части скальных массивов происходит полная разгрузка тектонических напряжений и устанавливается литостатическое напряженное состояние. Преобладание вертикальных напряжений способствует проникновению поверхностных вод и развитию в этой части разреза процессов физико-химического выветривания. Активное проявление, в этой зоне, процессов выветривания, является одной из причин широкого применения термина «экзогенная трещиноватость».

Гидрогеологические свойства скальных массивов в значительной степени определяются наличием и свойствами  тектонических нарушений. Обводненные разломы представляют собой самостоятельные гидрогеологические структуры, которые нередко относительно слабо связаны со свойствами породного массива. Факторы, которые определяют гидрогеологические свойства и фильтрационную структуру разломов, следует разделить на две группы. В первую группу можно включать геологические факторы, а ко второй отнести геомеханические факторы. Указанное деление носит довольно условный характер, т.к. геологические и геомеханические факторы очень тесно связаны.

Среди геологических факторов необходимо отметить литологический состав пород и возраст разлома. В группу геомеханических факторов можно включить следующие показатели: связь процессов активизации и образования новых разломов с современным полем напряжений; вид деформации в зоне разлома (хрупкая, переходная, пластичная); строение (структура) тектонической зоны; гидрогеомеханические особенности различных типов разломов.

Основное гидрогеологическое значение должны иметь тектонические нарушения, которые активны в настоящее геологическое время. Потенциальную активность разломов можно оценить, анализируя его положение в поле современных напряжений. В свою очередь, ориентировка осей главных напряжений может быть определена на основании результатов изучения положения в пространстве тектонических нарушений, особенно водоносных, и систем трещин [4].

Основным процессом, определяющим приоткрывание тектонического шва и повышенную проницаемость разломов, является сдвиг берегов тектонических нарушений относительно друг друга. Поэтому основное гидрогеологическое значение имеют разломы сдвигового генезиса (сдвиги и надвиги). В зоне разлома, который формируется с преобладанием процесса хрупкой деформации, возникают участки сжатия и растяжения. В зонах сжатия проницаемость снижается, а в зонах растяжения, в связи с раскрытием трещин, фильтрационные свойства породного массива возрастают. Соотношение значений главных напряжений предопределяет, какой тип деформации (хрупкая или пластичная) будет преобладать при образовании разлома. Преобладание хрупкой деформации ведёт к возникновению открытых трещин. Преобладание пластичной деформации может привести к образованию водоупорной зоны.

Таким образом, основным предметом гидрогеомеханики скальных массивов являются геомеханические процессы, происходящие под воздействием, главным образом, тектонических сил в условиях напряженно-деформированного состояния земной коры, и определяющие формирование  фильтрационной структуры массивов горных пород. Отличительной особенностью гидрогеомеханики является детальный анализ  процессов,  определяющих формирование открытых и взаимосвязанных трещин в горных породах. Подземные воды рассматриваются в качестве универсального индикатора, позволяющего изучить как естественную, так и техногенную структуру скальных массивов.

Основные выводы по результатам теоретических и полевых исследований сводятся к следующему:

  • Трещинная структура приповерхностной части скальных массивов определяется формированием, в условиях напряженного состояния, зоны хрупкой деформации, мощность и строение которой связаны с геомеханическими параметрами геологической среды.
  • Сеть массовых трещин предразрушения зоны хрупкой деформации земной коры формирует водоносный комплекс приповерхностной трещиноватости, а геомеханические закономерности развития трещин по глубине предопределяют фильтрационную стратификацию водоносного комплекса. В гидрогеологическом разрезе наблюдается чередование проницаемых и относительно водоупорных зон (слоев), которое связано с напряженно-деформированным состоянием массива.
  • Тектонические нарушения, активные в поле современных напряжений, формируют в скальных массивах закономерную систему водоносных зон. Степень проницаемости, мощность и структура разломов определяется соотношением хрупкой и пластичной деформации в зоне тектонического шва, а также иерархической подчиненностью тектонических нарушений в системах геодинамической этажности и геомеханической зональности земной коры. Потенциальную активность, и, соответственно, гидрогеологическую роль разломов можно оценить, анализируя их положение в поле современных напряжений.

2. Результаты гидрогеомеханических исследований на Среднем и Северном Урале

Изучение фильтрационной структуры скальных массивов базировалось на данных, полученных разными исследователями в ходе разведки и эксплуатации ряда месторождений полезных ископаемых. Детальность и качество материалов работ позволили выполнить анализ фильтрационной структуры массивов изверженных горных пород, а также карбонатных закарстованных массивов. Основные результаты выполненных исследований, а также методические рекомендации по их применению, изложены в рукописных и опубликованных работах [1,4].

2.1. Фильтрационная стратификация породных массивов

Анализ фактических данных показал, что в скальных массивах наблюдается чётко выраженная фильтрационная стратификация. Водоносный комплекс приповерхностной трещиноватости мощностью 300 - 400 м состоит из ряда чередующихся водоносных и водоупорных горизонтов.

 Результаты работ и теоретические проработки заставляют считать, что выветривание выполняет подчинённую роль в формировании приповерхностной зоны трещиноватости. Главную роль в формировании приповерхностного водоносного комплекса играют современные геологические процессы. Современные геологические процессы в массивах горных пород развиваются под воздействием значительных напряжений, которые существуют в приповерхностной части земной коры. Они изменяют инженерно-геологические и, в конечном счете, фильтрационные свойства пород  за относительно короткие промежутки времени. Напряженно-деформированное состояние земной коры предопределяет развитие массовой тектонической трещиноватости на глубину до 400 м от поверхности земли [1].

Таблица 1. Геомеханическое состояние и фильтрационная стратификация приповерхностной части скальных массивов [1]

 

 

Особенности деформирования

Особенности напряженного состояния

Фильтрационная    стратификация

Примерная мощность, м

Примерная глубина до подошвы, м

 

Зона хрупкой деформации

Зона разгрузки

Водоносный горизонт зоны разгрузки

50

50

 

Зона условных вертикальных растягивающих напряжений

Относительно водоупорный горизонт

10

60

 

Водоносный горизонт трещин отрыва

40

100

 

Относительно водоупорный горизонт

20

120

 

Водоносный горизонт трещин скола

60

180

 
 
 

Слой условных нейтральных вертикальных напряжений

Относительно водоупорный горизонт

40

220

 

Зона условных вертикальных сжимающих напряжений

Водоносный горизонт зоны сжимающих напряжений

80

300

 
 
 

Относительно водоупорный горизонт

80

380

 
 
 

Зона переходной деформации

Региональный водоупор

 

 

 

 

Напряженное состояние массивов горных пород в горноскладчатых регионах характеризуется тем, что максимальное сжимающее напряжение ориентировано горизонтально, и в несколько раз, по своему значению, превышает литостатическое давление.

Горизонтальное сжатие земной коры создает условия для деформирования ее части, прилегающей к земной поверхности, и установления в этой зоне предельно напряженного состояния в массивах горных пород. В условиях предельно напряженного состояния, в приповерхностной зоне земной коры происходит хрупкая деформация горных пород с образованием сети массовых трещин предразрушения. Именно эти трещины играют основную роль в формировании региональной зоны приповерхностной трещиноватости и, соответственно, приповерхностного водоносного комплекса в скальных массивах. На определенной глубине происходит смена хрупкого состояния массива горных пород на промежуточное (переходное к пластичному) состояние. Ниже этой глубины массовая трещиноватость отсутствует и происходит образование только локальных зон тектонических нарушений. Данная глубина отражает положение регионального водоупора.

Наряду с общим соответствием зоны приповерхностной трещиноватости (зоны хрупкой деформации) и приповерхностных водоносных образований, детальный анализ фактических материалов позволил выявить ряд особенностей и интересных закономерностей как в строении собственно трещиноватости, так и в фильтрационной структуре всей зоны [1]. В целом выявилось сложное строение приповерхностной зоны трещиноватости, которое в свою очередь, определяет формирование системы водоносных и относительно водоупорных горизонтов, имеющих региональное распространение (таблица 1).

Большую роль в развитии и структуре вертикального фильтрационного разреза играет рельеф. Массивы горных пород, слагающие значительные возвышенности, располагаются выше зоны воздействия горизонтальных напряжений. Поэтому в этих массивах трещиноватость получает незначительное развитие, а фильтрационные свойства, как правило, очень низкие.

В пониженных частях рельефа (в речных долинах) происходит концентрация тектонических напряжений. В связи с концентрацией напряжений, в днищах и бортах долин развивается мощная зона хрупкой деформации, которая проявляется в виде интенсивной трещиноватости. Активная трещиноватость предопределяет относительно высокие фильтрационные свойства в днищах и бортах долин. Фильтрационная стратификация, характерная для массивов с относительно спокойным рельефом (см. таблица 1), сохраняет аналогичную структуру и в понижениях рельефа, но мощность отдельных водоносных горизонтов, и водоносного комплекса в целом, может существенно возрастать.

Существенное значение имеет ориентировка долины в поле современных напряжений. Под долинами, которые располагаются перпендикулярно направлению действия максимального сжимающего напряжения, зона повышенной трещиноватости развивается более интенсивно. Под понижениями рельефа, которые ориентированы параллельно оси максимального напряжения, интенсивность трещиноватости может быть значительно ниже.

Территория Ямало-Ненецкого нефтегазодобывающего региона располагается в зоне многолетней мерзлоты. Влияние напряжённого состояния на фильтрационную стратификацию промороженных массивов специально не изучалось. Имеющиеся данные позволяют предполагать, что закономерности, выявленные для скальных массивов, имеют место и в зоне многолетней мерзлоты. Несомненно, что мерзлота накладывает на развитие зоны хрупкой деформации свои особенности и ограничения. Изучение этих особенностей должно стать предметом будущих исследований.

Таким образом, в горноскладчатых областях, где земная кора находится в напряженно-деформированном состоянии, вблизи поверхности земли формируется зона хрупкой деформации. Геомеханические закономерности развития допредельных массовых трещин, возникающих в зоне хрупкой деформации, предопределяют формирование системы водоносных и относительно водоупорных горизонтов, имеющих региональное распространение. Структура зоны хрупкой деформации, и, соответственно, приповерхностного водоносного комплекса, зависит, главным образом, от геомеханических параметров массивов горных пород [1].

2.2. Гидрогеомеханический анализ фильтрационных свойств тектонических нарушений

Обводненные разломы представляют собой самостоятельные гидрогеологические структуры, которые нередко относительно слабо связаны с фильтрационными свойствами породного массива. Многие авторы отмечают крайне изменчивый характер проницаемости тектонических структур. Физико-механические характеристики горных пород оказывают значительное влияние на формирование гидрогеологических свойств разломов. Проницаемость нарушений в более хрупких породах обычно более значительна, чем в пластичных. Многими авторами признается большое значение неотектонической активизации разломов, но фильтрационная структура разломов, а также роль их ориентировки в поле современных напряжений обычно не оценивается.

В группу геомеханических факторов можно включить физический механизм формирования проницаемых зон; связь процессов активизации и образования новых разломов с современным полем напряжений; вид деформации в зоне разлома (хрупкая, переходная, пластичная) строение (структура) тектонической зоны; гидрогеомеханические особенности различных типов разломов (сдвигов, надвигов); гидрогеомеханические закономерности, выявленные при анализе фильтрационной структуры реальных скальных массивов в определённых регионах.

Тектонический шов в большинстве тектонических структур является укрупненной сколовой трещиной, которая объединяет трещины отрыва и скольжения, которые, в свою очередь, могут по размерам составлять несколько иерархических уровней. Тектонический шов (сколовая трещина) имеет ступенчатое строение. Смещение берегов в начальной стадии происходит за счет относительно сдвига противоположных берегов разлома по трещинам скольжения. При этом происходит раскрытие трещин отрыва.

Мощность тектонического шва, заполненного раздробленными обломками пород, зависит от многих факторов, которые определяют размер «ступенек». При прочих равных условиях, чем выше пластичность пород, вмещающих разлом, тем больше мощность тектонической зоны. При умеренной амплитуде смещения, когда заполнитель шва находится на стадиях растрескивания крупных глыб или представляет собой тектоническую брекчию, зона разлома обладает высокими фильтрационными свойствами и является водоносной зоной. Умеренная амплитуда смещения относительно слабо сдвигает геологические контакты и поэтому разломы, которые имеют важное гидрогеологическое значение, очень часто не отражаются на геологических картах. При значительной амплитуде смещения берегов разлома степень дисперсности заполнителя тектонического шва может быть очень высокой и приближаться по своим свойствам к водоупорным породам. В этих случаях зона разлома будет представлять линейную водоупорную зону.

Независимо от степени раздробленности, высокая проницаемость водоносных зон не может сохраняться длительное время (в геологическом смысле). В результате кольматации, физико-химических явлений и развития пластических деформаций будет происходить снижение фильтрационных свойств и емкостных свойств зоны разлома. Поэтому без периодической активизации, которая должна выражаться в новых движениях по разлому, высокая проницаемость сохраняться не будет. Отсюда следует, что основное гидрогеологическое значение должны иметь тектонические нарушения, которые активны в настоящее геологическое время. Потенциальную активность разломов можно оценить, анализируя его положение в поле современных напряжений. В свою очередь, ориентировка осей главных напряжений может быть определена на основании результатов изучения положения в пространстве тектонических нарушений и систем трещин.

Линия простирания надвига должна быть практически строго перпендикулярна оси максимального главного напряжения, под воздействием которого сформировался этот надвиг. Строгая связь ориентировки надвигов с положением осей главных напряжений предопределяет особое значение этих тектонических структур для анализа поля напряжений.

Сдвиги располагаются под определённым углом к оси главного напряжения. Для оценки активности этих структур необходимо иметь достаточно точное значение угла скола между осью максимального сжимающего напряжения и плоскостью нарушения, которое характерно для разломов в конкретной геологической обстановке. Для диагностики положения оси главного максимального напряжения с помощью анализа ориентировки сдвигов, необходимо знать кинематический тип разлома (левый или правый сдвиг).

При геомеханическом анализе гидрогеологической роли разломов, в качестве важного фактора выступает вид деформации, который проявляется при формировании тектонического нарушения. При преобладании процессов хрупкой деформации, тектонический шов имеет небольшую мощность и относительно невысокую общую проницаемость. Если при образовании разлома преобладают процессы пластического деформирования, зона тектонического шва имеет значительную мощность и в ней образуется полоса пластического смятия пород (рис. 2). Проницаемость зон пластического смятия также невелика.

Основное гидрогеологическое значение имеют швы разломов, в которых проявлялась переходная, как правило, пластично-хрупкая деформация. Для этих разломов характерна средняя мощность в десятки метров. Характерный угол скола для этих разломов составляет в твердых породах 35-45°. Для тектонического шва «хрупких» разломов угол скола несколько меньше указанных значений (25-35°), а мощность на порядок ниже. В зонах «хрупких» разломов большее значение имеют трещины оперения.

 

Рис. 2. Влияние типа деформации на проницаемость разлома [1]

 

 

Пластичная разломная зона образует, как правило, более мощную полосу. Кроме того, в этом случае угол между разломом и осью максимального главного напряжения обычно составляет более 50° и может превышать 60°. Открытые трещины оперения могут отсутствовать или быть представлены значительно слабее, чем в тех разломах, где преобладает хрупкая деформация. На конкретных объектах прослеживается тесная корреляционная зависимость между мощностью разлома и углом, который шов разлома образует с осью главного напряжения.

Кроме собственно тектонического шва, в процесс деформации вовлекаются определенные участки скального массива, прилегающие к разлому. В процессе развития деформации в породном массиве формируются зоны сжатия и растяжения (рис. 3). В зоне сжатия проницаемость массива снижается, а в зонах растяжения, в связи с раскрытием трещин оперения, фильтрационные свойства пород значительно возрастают.

В зонах растяжения, возникающих вблизи крупных сдвигов, развиваются тектонические нарушения, которые по своим свойствам приближаются к раздвигам. Раздвиги, как и трещины отрыва, ориентированы параллельно оси главного сжимающего напряжения. Водоносные зоны и линейные структуры рельефа (линеаменты), которые развиваются по сдвигам с оперяющими их раздвигами, приобретают характерный рисунок. Довольно строгая ориентировка оперяющих структур относительно осей главных напряжений, позволяет использовать линеаменты для анализа поля напряжений.

Наряду с общими закономерностями, гидрогеологические свойства сдвигов и надвигов имеют существенные особенности. Надвиги, как правило, являются относительно молодыми и ''хрупкими'' разломами. Поэтому их гидрогеологическая роль относительно невелика. Изучение надвигов необходимо для диагностики современного поля напряжений. Сдвиги могут иметь различный возраст и широкий диапазон деформационных и, соответственно, гидрогеологических характеристик. Сдвиги, активные в современном поле напряжений, являются, как правило, основными водоносными зонами.

Важное значение при анализе фильтрационной структуры скальных массивов имеют региональные закономерности.

 

– тектонический разлом и направление движения берегов;

– зона растяжения – зона высокой проницаемости;

– зона сжатия – зона низкой проницаемости.

Рис. 3. структура проницаемости приразломных зон [1]

 

 

 

Результаты гидрогеомеханического анализа, выполненного на ряде объектов Урала, заставляют считать, что в формировании водоносных разломов принимают участие два направления действия максимального главного напряжения. Каждое направление формирует свою систему структур предразрушения (трещин) и структур разрушения (разломов).

Анализ систем трещин на конкретном объекте, позволяет выявить основные характеристики поля напряжений и облегчает проведение гидрогеомеханического анализа разломных зон. В качестве примера анализа систем трещин представлены данные по ориентировке субвертикальных трещин на Ново-Тошемском медноколчеданном месторождении (рис. 4).

На диаграмме чётко выявляются шесть систем трещин, которые разделяются на две группы. Первая группа систем трещин - 285°, 310°, 335°; вторая группа - 260° (80°), 245° (65°), 210° (30°). Самые короткие «зубцы» - 285° и 260°, представляют трещины отрыва, и отражают ориентировку двух направлений действия главных сжимающих напряжений. Средние (по величине) «зубцы» диаграммы - 310° и 245° отражают ориентировку трещин скола, которые образуют с осями главных напряжений угол в 25°. Самые большие «зубцы» диаграммы - 335° и 210°, отражают ориентировку трещин скольжения, которые образуют с осями главных напряжений угол в 50°. Кроме того, необходимо отметить, что выявленные шесть систем трещин разделяют окружность на двенадцать, примерно равных, секторов.

Очень важно указать, что полученные угловые соотношения между трещинами отрыва, скола и скольжения, хорошо соответствуют теоретическим представлениям. Следует также обратить внимание на то, что системы трещин образуют симметричную структуру относительно биссектрисы угла между осями главных напряжений. Ось симметрии имеет азимут 273°. Следует также указать, что направление главного напряжения «260°» образует трещины правой кинематики, а направление «285°» - левой кинематики.

Анализ ориентировки линейных водоносных зон, связанных с тектоническими нарушениями, показал, что в диаграммы по разным объектам имеют близкую форму (рис. 3). В целом вид диаграмм очень близок к диаграмме трещиноватости (рис. 4). Короткие «зубцы» диаграмм отражают ориентировку раздвигов и отражают ориентировку двух направлений действия главных сжимающих напряжений.

Рис. 4. ориентировка субвертикальных трещин. Ново-Тошемское медноколчеданное месторождение. Северный Урал [3]

 

 

Средние «зубцы» диаграммы отражают ориентировку сдвигов. Сдвиги на диаграммах отражаются в двух вариантах. В некоторых случаях, как и на диаграммах трещин, выделяются две пары: «хрупкие» разломы, которые образуют с осями главных напряжений угол в 25°-35°, и «пластичные» сдвиги, составляющие с осями главных напряжений угол примерно 50° (рис. 4). Во многих других случаях сдвиги на диаграмме линеаментов образуют единый «зубец», который составляет с осями главных напряжений угол примерно 40° (рис. 5). Самые большие «зубцы» диаграмм отражают ориентировку взбросов (надвигов), которые образуют с осями главных напряжений угол в 90°. Обобщённая диаграмма ориентировки водоносных зон (активных разломов), с кинематической и геодинамической схемами представлена на рис. 5.

 


Геодинамическая схема

 

Рис. 5. Структура водоносных разломов в скальном массиве [3]

 

На Среднем и Северном Урале преобладают два основных направления действия главных напряжений  -  260°-270° и 285°-300°. На современном этапе исследований можно принять два средних значения - 265° и 295°. Соответственно, вертикальная ось симметрии на обобщённой диаграмме (рис.5), будет иметь ориентировку 280°.

Во многих случаях для анализа линеаментов, вместо розы  -  диаграммы, проще применять построение гистограмм. Обобщённая гистограмма, отражающая преобладающую ориентировку водоносных зон, представлена на рис. 6.

В целом следует отметить, что рассмотренные выше результаты гидрогеомеханических исследований на Среднем и Северном Урале, показали их высокую эффективность для анализа гидрогеологических условий и для выявления активных разломов. Несмотря на недостаточную гидрогеологическую изученность территории ЯНАО, целесообразно применение для этой территории основных методических приёмов гидрогеомеханического анализа.

Гидрогеомеханический анализ данных по территории ЯНАО

Отсутствие материалов по конкретным объектам, где возможен анализ гидрогеомеханической стратификации и ориентировки линейных водоносных зон, заставляет ограничиться анализом линеаментов на различном картографическом материале. Для горно-складчатой части ЯНАО использованы геологические карты. Для районов, расположенных на территории Западно-Сибирской плиты, полезная информация отражена на специальных картах, анализ которых представлен в дальнейшем изложении.

Результаты анализа линеаментов горно-складчатых районов

Для анализа линеаментов тектонических нарушений использована информация, отражённая на геологических картах масштаба 1:500000 и 1:100000. По результатам измерений ориентировки линейных элементов разломов, построена диаграмма (рис. 36а). В целом ориентировка линеаментов разломной тектоники горных районов ЯНАО не имеет принципиальных отличий от районов, описанных выше (рис. 6а). На диаграмме выделяются шесть максимумов («зубцов»), которые можно разделить на две группы. Первая группа линеаментов - 285°, 315°, 345°; вторая группа - 15°, 50°, 75°.

а) 

б) 

Рис. 6. Типичные ориентировки водоносных разломов на Среднем и Северном Урале:  а) с пластично-хрупкими сдвигами;  б) с хрупкими и хрупко-пластичными сдвигами [3]

 

а) 

б) 

Рис. 7. Ориентировка линеаментов а) разломной тектоники горно-складчатого Урала (территория ЯНАО); б) нефтяных месторождений [3]

а) 

б) 

в) 

Рис. 8. Ориентировка: а) линеаментов крупных разрывных нарушений; б) крупных орогидролинеаментов современных ландшафтов; в) линеаметов динамической напряженности в приповерхностной части разреза [3]

 

На основании опыта анализа геологических карт по Среднему Уралу сделан вывод, что на рассмотренных картах получила отражение, главным образом, сдвиговая тектоника, которая картируется по смещению литологических контактов, а относительно «молодые» взбросы (надвиги) - 345°, 15°; выявлены при геологическом картировании значительно слабее.

Самые короткие «зубцы» - 285° и 80° (260°), представляют раздвиги, и отражают ориентировку двух основных направлений действия главных сжимающих напряжений. Средние, самые большие «зубцы» в своих группах, - 315° и  50° отражают ориентировку «хрупких» сдвигов, которые образуют с осями главных напряжений угол в 25° - 30°. Следует отметить, что «хрупкие» сдвиги при геологической съёмке картируются наиболее легко.

Центральные  «зубцы» диаграммы - 345° и 15°, вероятнее всего, отражают, главным образом, ориентировку взбросов. Нельзя исключить, что некоторая «размазаность» центральных зубцов связана с тем, что они объединяют линеаменты взбросов и «пластичных» сдвигов.

В целом, анализ разломной тектоники заставляет считать, что земная кора Приполярного Урала, которая находится на территории ЯНАО, находится под воздействием поля напряжений, которое аналогично, по ориентировке главных сил, полю напряжений Среднего и Северного Урала. Соответственно, можно полагать, что фильтрационная структура скальных массивов не должна иметь существенных различий.

Результаты анализа линеаментов Западно-Сибирской плиты

Интересный материал, позволяющий выполнить геомеханический анализ геологических образований равнинной части ЯНАО, представлен на специализированных картах этой территории. Наибольшую ценность представляет собой геолого-литологическая карта дочетвертичного среза (1998 г), составленная группой авторов под руководством В.В.Боровского [5]. Существенные выводы можно сделать, опираясь на карту расположения нефегазовых месторождений.

Анализ геолого-литологической карты дочетвертичного среза

На карте специальными условными знаками отображены крупные разрывные нарушения, установленные по геологическим данным; крупные орогидролинеаменты современных ландшафтов, коррелируемые с линеаментами геофизических полей; зоны мелкой трещиноватости, складчатости и динамической напряженности в приповерхностной части разреза, выраженные в ландшафтах параллельно-грядовым рельефом. Указанные линеаменты были измерены. Гистограммы построены отдельно по всем видам линеаментов.

На гистограмме, построенной по линеаментам крупных разрывных нарушений, установленных по геологическим данным, выделяются пять максимумов (8а).

Самые короткие «зубцы» - 295° и 85° видимо представляют раздвиги, и отражают ориентировку двух основных направлений действия главных сжимающих напряжений. Центральные, самые большие «зубцы» - 355° и  25-35°, составляют с соответствующими «короткими» максимумами угол в 90°. Данный показатель заставляет считать, что в самых больших «зубцах» отразились линеаменты взбросов (надвигов).

Средний по высоте «зубец», имеющий средний азимут  55°, отражает ориентировку «хрупких» сдвигов, которые образуют с осью главного напряжения (85°) угол в 30°. Можно также полагать, что левая асимметрия зубца с азимутом 355° вероятнее всего связана с линеаментами правых «пластичных» сдвигов, формируемых направлением главного напряжения с азимутом 295°. Следует также предполагать, что самый большой «зубец» - 35°, связан с линеаментами левых «пластичных» сдвигов, формируемых направлением главного напряжения с азимутом 85°.

В целом следует отметить, что анализ линеаментовм крупных разрывных нарушений, позволяет считать, что в геологическом разрезе равнинной части действует поле напряжений, аналогичное полю напряжений горно-складчатого Урала.

На гистограмме, построенной по крупным орогидролинеаментам современных ландшафтов, выделяются четыре максимума (8б). Центральные, самые большие «зубцы» - 355° и 25°, в пределах допустимой ошибки согласуются с соответствующими максимумами гистограммы разломов, и, вероятнее всего, объединяют линеаменты взбросов (надвигов). Зубец с азимутом 315°, по-видимому, отражает ориентировку хрупких сдвигов. Вероятнее всего, с хрупкими сдвигами связан асимметричный максимум с азимутом 75°, но в этом случае возможно участие раздвигов.

Рассмотренная гистограмма в целом согласуется с выводами, сделанными по диаграмме разломов. В дополнение можно сделать вывод, что в крупных орогидролинеаментах современных ландшафтов раздвиги отражаются значительно слабее, чем сдвиги и взбросы.

На гистограмме, построенной по линеаментам зон динамической напряженности в приповерхностной части разреза, выраженных в ландшафтах параллельно-грядовым рельефом, выделяются пять максимумов (рис. 37в).

Самые короткие «зубцы» - 285° и 85° видимо представляют раздвиги, и отражают ориентировку двух основных направлений действия главных сжимающих напряжений. Самый большой, но асимметричный «зубец» - 335°, составляет с соответствующей осью главного напряжения (285°) угол в 30° - 50°. Данный показатель заставляет считать, что этот «зубец» объединяет левые сдвиги от хрупких до хрупкопластичных, причём последние преобладают.

Средний по высоте «зубец», имеющий азимут  45°, отражает ориентировку преимущественно пластично-хрупких сдвигов, которые образуют с осью главного напряжения (85°) угол в 40°. Значительный размах этого максимума заставляет полагать, что он объединяет правые сдвиги от хрупких до хрупкопластичных.

Средний по высоте «зубец», имеющий средний азимут  355°, отражает ориентировку взбросов, развивающихся под воздействием главного напряжения, ориентированного по азимуту 85°. Взбросы другой ориентировки (примерно 30°), самостоятельного отражения на этой гистограмме не получили.

Несмотря на некоторые отличия в ориентировке линеаментов, представленных на геолого-литологической карте, все данные однозначно подтверждают, что в геологическом разрезе Западно-Сибирской плиты проявилось действие двух направлений главных сжимающих напряжений, которые ориентированы по азимутам 285° и 85°. Несомненно, что тектонические нарушения, сформировавшиеся под действием этих напряжений, оказывают существенное влияние на гидродинамику и флюидодинамику рассматриваемой территории.

Анализ карты нефтяных месторождений

Недостаточная изученность гидрогеологических условий описываемой территории не позволяет оценить влияние фактора разломной тектоники. Но на данной территории открыто и оконтурено значительное количество нефтяных и газовых месторождений. На карте месторождения имеют вид правильных и неправильных эллипсов. Если длинную ось эллипса принимать за линеамент, можно построить гистограмму этих линеаментов (7б).

На гистограмме выделяются семь максимумов. В целом, по форме, данная гистограмма хорошо согласуется с другими, ранее проанализированными гистограммами (рис. 6, 8).

Самые короткие «зубцы» - 285° и 85°, вероятнее всего отражают влияние раздвигов, и показывают ориентировку двух основных направлений действия главных сжимающих напряжений. Центральные, самые большие «зубцы» - 355° и  15°, составляют с соответствующими «короткими» максимумами угол в 90°. Данный показатель заставляет считать, что самые большие «зубцы» объединяют линеаменты, связанные с формированием взбросов.

Средние по высоте «зубцы», имеющие средние азимуты 335° и 45°, образуют с главными напряжениями углы в 50° и 40°, что отражает ориентировку хрупкопластичных и пластично-хрупких сдвигов. Следует отметить, что переходный вид деформации, как обосновано в первой части данного раздела, способствует фильтрации и накоплению флюидов.

Небольшой максимум, имеющий азимут 315°, который образует с осью главного напряжения (285°) угол в 30°, отражает некоторое влияние на локализацию месторождений хрупких левых сдвигов. Но это влияние невелико, и соизмеримо с влиянием раздвигов.

Таким образом, рассматривая месторождения как линеаменты, следует сделать вывод, что напряжённое состояние геологического разреза Западно-Сибирской плиты принимает значительное участие в формировании месторождений нефти и газа. Данный вывод позволяет уточнить условия локализации нефтяных месторождений, и наметить пути разработки новых поисковых методических приёмов.

Выводы

  • Анализ разломной тектоники заставляет считать, что земная кора Приполярного Урала, находится под воздействием поля напряжений, которое аналогично, по ориентировке главных сил, полю напряжений Среднего и Северного Урала. Соответственно, можно полагать, что фильтрационная структура скальных массивов, связанная с воздействием тектонических сил, должна иметь аналогичные, или близкие закономерности.
  • Ориентировка линеаментов, представленных на геолого-литологической карте равниной части территории, однозначно подтверждает, что в геологическом разрезе Западно-Сибирской плиты проявилось действие двух направлений главных сжимающих напряжений, которые ориентированы по азимутам 285° и 85°. Следует полагать, что тектонические нарушения, сформировавшиеся под действием этих напряжений, оказывают существенное влияние на гидродинамику и флюидодинамику рассматриваемой территории.
  • Напряжённое состояние геологического разреза Западно-Сибирской плиты принимает значительное участие в формировании месторождений нефти и газа. Данное положение позволяет уточнить условия локализации нефтяных месторождений и наметить пути разработки новых поисковых методических приёмов.

Список литературы

  1. Мироненко В.А., Шестаков В.М. Основы гидрогеомеханики. – М.: Недра, 1974, - 296 с.
  2. Тагильцев С.Н. Основы гидрогеомеханики скальных массивов. Учебное пособие. – Екатеринбург: УГГГА, 2003, - 88 с.
  3. Шестаков В.М. Гидрогеомеханика. Учебное пособие. – М.: Из-во МГУ, 1998, 72 с.
  4. Боровский В.В., Файбусович Я.З. Составление геолого-литологических карт современного (в масштабе 1: 500 000) и дочетвертичного (в масштабе 1: 1000 000) срезов территории ЯНАО. Объяснительная записка. СибНАЦ. Тюмень, 2001, - 104 с.
  5. Абатурова И.В., Бешенцев В.А. и др. Оценка ресурсов и качества подземных вод Ямало-ненецкого автономного округа. Отчет ООО «Бюро экологических экспертиз». Екатеринбург, 2003, - 394 с.

Предоставляем бесплатную справку о публикации,  препринт статьи — сразу после оплаты.

Прием материалов
c по
Осталось 2 дня до окончания
Размещение электронной версии
Загрузка материалов в elibrary