CC BY
8ФЛЮИДЫ В КЛАССИФИКАЦИИ РАЗРЫВНЫХ НАРУШЕНИЙ. ОТОБРАЖЕНИЕ ФАЗОВОГО СОСТАВА ФЛЮИДА В ЗОНАХ РАЗРЫВНЫХ НАРУШЕНИЙ В ПАРАМЕТРАХ СЕЙСМИЧЕСКОГО ПОЛЯ
Часть 2
А.М. Кузин ИПНГ РАН, e-mail: amkouzin@yandex.ru
Фазовый состав флюида в классификации разрывных нарушений. Отображение в сейсмическом поле разрывных нарушений с различным фазовым составом флюида
К основным параметрам пористых и трещиноватых сред, слагающих зоны разрывных нарушений (РН), относятся: плотность пор и трещин, раскрытость трещин, проницаемость, флюидонасыщенность, фазовое состояние наполнителя, напряженное состояние. Они имеют основополагающее значение в изучении РН. Данные сейсмических наблюдений - это мгновенный образ состояния среды. На него наибольшее влияние оказывает флюид, потому что с флюидом связаны самые значительные изменения в параметрах и характеристиках сейсмического поля, особенно в зонах разрывных нарушений.
В многочисленных классификациях РН, как правило, отсутствует систематизация их по открытости и залеченности, по проницаемости для флюида и его фазовому составу. О большом значении разделения РН по фазовому составу флюида и генезису отмечено в работе [Летников, Балышев, 1991]. В этой работе выделено две зоны, в которых флюиды по-разному влияют на процессы в РН. В первой зоне вода находится в жидкой фазе, что ведет к снижению прочности пород и энергии активации химических элементов в них, увеличению скорости рекристаллизации. Во второй зоне флюид представляет собой смесь газов. Отсюда, авторами выделяется два типа преобразований в тектонитах. Первый тип преобразований характеризуется перекристаллизацией с образованием ориентированной текстуры, упорядоченной относительно поля напряжений, но без фазового изменения состава пород. К этому типу относятся процессы формирования тектонитов по кварцитам, мраморам, рассланцевание гранитов в гнейсы. Второй тип преобразований характеризуется изменением минерального состава - это синтектонические метасоматиты, развитие которых сопровождается привносом и выносом петрогенных и рудных компонентов, образованием сложной структуры среды. Эти два типа преобразований горных пород составляют первую геологическую систематизацию РН по особенностям протекания флюидного процесса.
В классификации РН, помимо их генезиса, не менее существенными являются соотношения внутреннего строения РН с присутствием флюида и его фазовый состав, проницаемость, возможность миграции или конвекции.
По этим параметрам можно предложить следующий вариант классификации РН по отношению к возможности фильтрации (миграции) в нем флюида (рис. 1):
I - РН, залеченные минеральными растворами. Такие РН могут быть разделены на:
- фрагментарно проницаемые (флюид может присутствовать в незначительном объеме, фильтрация или инфильтрация флюида практически отсутствуют);
- полностью закрытые (газо-жидкие включения находятся в отдельных порах и трещинах, не сообщающихся между собой);
II - Открытые РН. Они подразделяются на активные, экранированные и пассивные, а также по преимущественному фазовому составу (газ, вода).
Активные РН можно разделить на следующие:
- с миграцией флюида (в основном, это отдельные РН с фильтрацией или инфильтрацией флюида);
- с конвекцией флюида (в них присутствует нисходящая и восходящая фильтрация флюида).
Экранированные РН с конвекцией находятся в одной или нескольких интервалах между экраном. Они относятся к промежуточному типу между активными и пассивными РН. Эти РН перекрыты на отдельных интервалах пластами непроницаемых пород. В этом типе РН может происходить конвекция флюида. Одним из примеров экранированного РН может служить РН, примыкающее со стороны подошвы к залежи углеводородов.
Пассивные РН характеризуются отсутствием миграции (фильтрации) флюида. В качестве примера пассивных РН можно привести горизонтальные РН, зафиксированные в сверхглубоких скважинах (Кольской, Уральской, Аралсорской). В них, помимо инфильтрационных вод, были обнаружены древние застойные воды. Результаты глубокого бурения свидетельствуют о возможности длительного периода существования заполненных водой зон разрывных нарушений в породах консолидированной коры. Следует подчеркнуть, что существование незалеченных и экранированных РН возможно только в жестких (более упругих, чем вмещающая среда) блоках земной коры.
Активные и пассивные РН могут быть разделены по преимущественному фазовому составу флюида. Гидрофильность и гидрофобность каналов миграции ведет к раздельной
фильтрации жидкой и газообразной фаз [Эфрос, 1963]. Жидкая фаза фильтруется по тонким трещинам, газовая - по более крупным трещинам.
Следовательно, различие внутреннего строения зон РН по упруго-деформационным свойствам обуславливает возможность дифференциации в них флюида и, соответственно, влияния на сейсмические свойства РН.
Изменения параметров и характеристик сейсмического поля под воздействием флюида
В рудной геологии газовая фаза флюида - это специфический долгоживущий в геологическом времени след рудообразования [Фридман, 1970]. Данное положение является одним из базовых для интерпретации данных сейсмических методов в рудных районах. Присутствие значительной доли газов установлено для различных типов рудных месторождений. Одной из причин образования здесь аномалий Ур/УБ может являться газовая «дистилляция», когда в процессе двухфазной фильтрации происходит закономерное гидродинамическое расщепление фаз с обогащением фронтальных частей флюидных потоков газовой фазой [Кошемчук и др., 1998]. С газовой «дистилляцией», видимо, связано существование газовых струй, обогащенных инертными газовыми компонентами (азотом, гелием и т.п.). В верхних частях гетерофазных флюидных систем должна формироваться «газовая шапка», обогащенная слабо взаимодействующими с водой газами. В экранированных РН со слабопроницаемыми экранами возможно длительное квазистационарное присутствие «газовой шапки». В тонкопористых средах в экспериментах наблюдалась пространственная и временная осцилляции газонасыщенности, а также интенсивности потоков флюидных фаз, что, по-видимому, связано с задержкой и накоплением газовой фазы. Это явление (коалесценции газовых пузырей и оттеснение жидкой фазы) позволяет объяснить возможность длительного существования блоков пород с поровым пространством, преимущественно газового заполнения. Тем самым подтверждается правомерность интерпретации повышенных и пониженных значений Ур/УБ влиянием фазового состава флюида в тектонических блоках коры.
Накопление газовой фазы флюида (точнее, сепарация жидкой и газообразной фаз) наиболее интенсивно может происходить в пределах субгоризонтальных зон глубинных разрывных нарушений - волноводов. В работе [Казанский, Лобанов, 2004] приведены сейсмотомографические разрезы Ур, Уб и Ур/УБ по профилю «Суша-Море» (интерпретация Э.В. Исаниной, Н.В. Шарова), проходящему через Печенгскую структуру
и Кольскую сверхглубокую скважину на шельф Баренцева моря. В интервале глубин 1820 км высокие значения Ур/УБ (равные 1,80-1,90) формируют субгоризонтальную зону, выше которой параллельно расположена зона пониженных значений Ур/УБ, уходящая на 80-90 км на шельф. Учитывая, что в архейских породах СГ-3 были выявлены флюидонасыщенные зоны, пониженные значения Ур/УБ могут интерпретироваться как область существования на глубинах 8-15 км волновода с зональным распределением фаз флюида области перехода Суша-Море.
Для глубинных горизонтов земной коры (преимущественно в ее нижней части) накопление газообразной фазы флюида еще может быть связано с перманентным локальным образованием и разрушением экранов на пути флюидных потоков за счет вариаций объема массивов пород, вызванных изменением концентрации легких газов [Гуфельд, 2007]. Вполне вероятно, что поток легких газов в ряде случаев обеспечивает длительное по геологическим меркам функционирование глубинных разломов.
Значительные изменения упругих свойств РН в зависимости от фазового состава флюида позволяют на качественном уровне по данным сейсмических наблюдений делать прогнозную оценку преимущественного фазового наполнения зон РН. На рис. 2-3 соответственно приведены расчетные зависимости Ур от пустотности (пористости и трещиноватости) и УБ/Ур. Как видно из рис. 2, с увеличением пустотности Ур падает, приближаясь в пределе к Ур в заполнителе пустот, при этом в газе падение скорости больше, чем в воде. Еще большее различие фазового состава флюида наблюдается на графиках для УБ/Ур (рис. 3). Отсюда следует, что параметры УБ/Ур совместно с Уб и Ур позволяют прогнозировать фазовый состав флюида.
В таблицах 1-2 представлены результаты лабораторных измерений, соответственно скорости и упругих параметров в зависимости от газо- и водонасыщения [Физические свойства..., 1984].
Для всех представленных в таблицах пород водонасыщение приводит к относительному увеличению скорости и коэффициента Пуассона, при этом диапазоны значений Ур почти для всех видов пород перекрываются. Кроме того, наблюдаются значительные вариации Уб, Ур и УБ/Ур в зависимости от фазового состава флюида даже при значениях пористости в ненарушенных кристаллических и метаморфических породах. Причем, литологический состав пород имеет подчиненное значение.
Таблица 1
Скорость распространения продольных волн (в км/с) в кристаллических породах (по Н.Б. Дортман и М.Ш. Магиду) при различном газо- и водонасыщении
[Физические свойства..., 1984]
Газо- Водо-
Порода насыщенная насыщенная о,
порода порода г/см3 %
УРшт - УРтах УРшт - УРтах Урсред
Гранит биотит-амфиболитовый 2,3-4,2 4,9-5,4 5,2 2,61-2,66 1,4-3,0
Мигматит- плагиогранит 3,0-5,3 5,45-6,3 5,8 2,63-2,68 0,4-1,1
Гнейс амфиболит-биотитовый* 1,9-3,6 4,7-5,2 5,0 2,59-2,65 1,2-4,5
Гнейс амфиболит-биотитовый* 3,15-5,65 5,5-6,3 5,8 2,64-2,72 0,3-0,9
Гнейс кианит-гранит-биотитовый* 2,6-3,8 4,3-5,0 4,7 2,69-2,76 1,6-2,8
Гнейс кианит-гранит-биотитовый* 4,0-5,4 5,65-6,1 5,8 2,74-2,80 0,4-1,5
Гранулит плагиоклазовый 4,4-5,6 5,45-6,0 5,75 2,80-2,88 -
Сиенит нефелиновый 3,3-4,45 5,4-6,2 5,8 2,62-2,67 0,5-1,5
Сиенит 4,8-5,4 6,0-6,5 6,2 2,69-2,78 0,3-0,9
Гнейсо-диорит гиперстеновый 4,1-5,85 5,9-6,4 6,2 2,79-2,83 0,2-0,7
Диорит гиперстеновый 5,4-5,7 6,2-6,65 6,5 2,86-2,89 0,1-03
Габбро-норит - 6,1-6,81 6,5 2,86-2,95 0,2-06
Норит 6,3-7,0 6,65-7,1 6,8 2,89-3,0 0,1-0,5
Пироксенит 7,1-8,2 7,7-8,51 8,1 3,29-3,33 0,1-0,5
* - образцы пород взяты из обнажений, остальные из скважин
Таблица 2
Упругие модули в кристаллических породах в газонасыщенном (I) и водонасыщенном (II) состоянии (по М.Ш. Магиду) [Физические свойства., 1984]
Порода Динамический метод Статистический метод
Е, ГПа О, ГПа о Е, ГПа о
I II I II I II I II I II
Гранит биоти-Товый 54,5 71 23,4 29,0 0,20 0,24 71,4 70,3 0,22 0,27
Диорит гипер-стено-вый 79,0 92 31,0 38,5 0,23 0,24 84,0 84,2 0,24 0,25
Габбро-норит 120,5 134 49,5 54,0 0,20 0,23 122,0 117.2 0,27 0,29
Биоти- товый гнейс 46,8 57 17,0 22,0 0,20 0,29 56,6 58,5 0,17 0,26
Трещины и поры оказывают неодинаковое влияние на сейсмические волны (рис. 4), трещины существенно больше снижают Ур, при этом возрастает различие между газо- и водонасыщением. Следовательно, чем больше в породе трещин и пор, тем больше будет различие между упругими параметрами газо- и водонасыщенных пород.
Поскольку главным отличительным свойством пород в зонах РН является значительное количество пор и трещин, флюид будет играть основную роль в формировании контрастных неоднородностей волнового поля и, соответственно, появляется принципиальная возможность классифицировать зоны РН по фазовому составу флюида.
В зонах РН фазовый состав флюида оказывает существенное влияние на соотношение рассеянной и зеркальной компонент волнового поля, а также на соотношение Ур и Уб этих компонент. Поскольку по своей природе РН является геологическим телом, рассеивающим сейсмические волны, рассеянные волны вносят значительный вклад в результирующее поле от РН. Отсюда его сейсмической моделью РН может служить отдельная шероховатая граница или пласт с шероховатыми границами. В общем случае трещиноватая среда является азимутально-частотным фильтром [Бугаевский, 1987; Талонов, Тулинов, 1989; Урупов, Трушников, 1992]. Для сравнительно узкополосного сигнала, в зависимости от соотношения 1/Х ( X - длина волны), среда может представлять собой фильтр низких частот, фильтр высоких частот или режекторный фильтр (в том случае, когда частота максимума спектра близка к собственной частоте среды).
Как показывают результаты экспериментальных исследований, параметры и характеристики поля рассеянных волн позволяют делать прогнозную оценку фазового состава флюида в зонах РН. В работе [Ушаков Г.Д, Ушаков М.Г, 1993] приведены результаты изучения изменений коэффициентов отражения продольной и поперечной волн на контакте с различной степенью шероховатости (И) контакта при статическом давлении и наличии жидкости на нем. Рассеяние энергии упругой волны на шероховатой границе определяется в основном углом скольжения падающей волны по отношению к поверхности границы и отношением высоты выступа поверхности к длине волны. Чем больше длина волны и меньше угол скольжения, тем менее значительным будет влияние шероховатости границы на отражающие свойства волны, соответственно, тем меньше разность фаз между отражениями на отдельной неровности шероховатой границы (от
подошвы и вершины неровности). Согласно [Басс, 1972]: д = 2РЬ8та, где Р = 2р/1, а - угол скольжения, 1 - длина волны, И - высота неровности. Эксперименты проводились на сухой и смоченной маслом границе раздела (с шероховатостью И = 0,008 мм), сформированной слоями из медной заготовки. На сухой границе происходит существенное отражение энергии с высоким уровнем амплитуд временных импульсов (и, соответственно, их амплитудно-частотных спектров, рис. 5).
При смачивании границы раздела маслом амплитуды импульсов Р-волн исчезают и сейсмотрасса преобразуется в прямую линию. Дальнейшие опыты показали, что при уменьшении акустической прозрачности (И/1) границы коэффициенты отражения Р-волн увеличиваются. Следовательно, для продольных волн наличие влаги на границе слоев нивелирует эффект рассеяния и тем самым сглаживает влияние неоднородностей. Уменьшение рассеянной составляющей (по сравнению с зеркальной компонентой отражения) способствует уменьшению затухания волны.
Совсем иной характер изменения амплитуд наблюдается для Б-волн. На той же границе, смоченной маслом, амплитуды отражений возрастают (рис. 5Г). При увеличении статического давления на сухой и смоченной границе раздела различие между значениями амплитуд уменьшается, а при давлении 8,6 МПа - полностью исчезает. Особенностью отраженных Б-волн является то, что коэффициенты отражения на смоченной границе раздела всегда больше, чем на сухой. Также было установлено, что давление весьма неоднозначно изменяет коэффициенты отражения продольных и поперечных волн при разных показателях акустической прозрачности (Ь/Х) и фазового состава данной границы.
Физическое моделирование позволило выявить в трещиноватой среде механизм захвата упругой энергии [Гельчинский и др., 1978; Караев, 1982; Виноградов и др., 1992]. Область диффузионного рассеяния (1/1 = 1) с высокой плотностью трещин и большими углами падения характеризуется захватом упругой энергии трещиноватой средой [Виноградов, Троицкий, Соловьева, 1992]. Этот механизм проявляется в увеличении длительности волнового пакета (коды колебаний) и увеличении длительности трасс, которые зависят от количества рассеянной энергии (диффузное рассеяние), что, в свою очередь, приводит к кажущемуся падению скорости сейсмических волн. Это свойство позволяет по падению скорости волн не только выделять область трещиноватости, но и обосновать возможность присутствия преимущественно газовой фазы флюида в зоне РН.
Изучение Уб и Ур при различных вариациях жесткости и пористости показало прямую зависимость Уб от жесткости матрицы материала при различных значениях пористости [Гаранин, 1973]. Данные, полученные при определении упруго-деформационных свойств образцов осадочных и кристаллических пород (при насыщении их водой), позволили сделать следующие выводы. В насыщенных образцах осадочных пород в большинстве случаев значения Ур/УБ сначала уменьшаются, затем возрастают или остаются постоянными. При насыщении образцов водой общей тенденцией для Уб является ее неизменность или уменьшение, при этом Ур может как увеличиваться, так и уменьшаться. Уменьшение Уб при насыщении всегда больше, чем Ур [Воларович и др., 1979].
Влияние давления при водонасыщении пород на скорость продольных и поперечных волн всегда выше или остается в пределах ошибки измерения, по сравнению с сухими образцами. В кристаллических породах влияние водонасыщения на зависимости скоростей от давления качественно одинаково: величины ёУБ/ёр и ёУр/ёр при каждом значении давления (р) всегда меньше в водонасыщенных образцах. С позиции интерпретации данных отраженных волн это означает, что водонасыщенные породы осадочного чехла и консолидированной коры меньше рассеивают упругую энергию.
Водонасыщение для гранитоидов оказывает существенное влияние на Ур/УБ. В атмосферных условиях Ур/УБ в сухих породах составляет 1,55-1,73, в водонасыщенных -1,76-1,83. У всех гранитоидов кривые зависимостей Ур/УБ от давления для насыщенных образцов лежат выше, чем для сухих. Увеличение Ур/УБ при испытании образцов кристаллических пород объясняется [Воларович и др., 1979] тем, что в исследованных породах отсутствуют минералы, способные к относительно быстрому взаимодействию с водой, например, глинистые минералы. Ур после насыщения может только возрастать. Ни в одной породе не было зарегистрировано уменьшение Ур после насыщения ее водой, и для гранитоидов характерной чертой оказалось ее увеличение после насыщения вплоть до 22% [Воларович и др., 1979].
При колебаниях геодинамического поля происходит изменение объема порово-трещинного пространства и, соответственно, насыщение среды водой. Характер изменения Ур при водонасыщении может быть объяснен на основе контактной модели. На начальной стадии происходит заполнение капилляров и микротрещин, что приводит к увеличению площади контактов и заметному росту Ур. При дальнейшем (неполном)
насыщении жидкость заполняет поровое пространство, площадь контактов увеличивается медленно, Ур растет плавно. Полное насыщение приводит к резкому увеличению контактной поверхности, Ур увеличивается до значений в двухфазной среде [Петкевич, 1976]. Рост Ур означает, что происходит уменьшение количества и эффективного размера неоднородностей, препятствующих распространению волны.
Поровое пространство пород разделяется на щелевидные поры и объемные поры. Поэтому присутствие воды может оказывать двоякое влияние на уб. С одной стороны, насыщение водой способствует увеличению скорости этих волн за счет сдвиговой упругости связанной воды в щелевых порах, с другой - возбуждение дополнительной массы вещества в щелевых и объемных порах уменьшает У б. Отмеченные выше физические особенности распространения Б-волн служат важнейшим фактором при прогнозировании фазового состава флюида в зонах РН.
Таким образом, результаты физического моделирования доказывают возможность разделения волновых полей по фазовому составу флюида данных полевых сейсмических наблюдений.
Выводы
Предлагаемая классификация РН на основе учета проницаемости РН (фильтрации и инфильтрации) очень важна при геодинамической, тектонофизической, сейсмологической и других характеристиках геологического строения территорий.
Флюид может увеличивать и уменьшать акустическую контрастность РН. Прогноз и систематизация РН по фазовому составу флюида может значительно повысить эффективность геофизических исследований глубинного строения недр, в том числе при поисках месторождений полезных ископаемых.
ЛИТЕРАТУРА
Басс Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние на статистически неровной поверхности. М.: Наука, 1972. 406 с.
Бугаевский А.Г. Два метода оценки эффективных модулей упругости трещиноватых сред // Физика Земли. 1987. № 2. С. 3-7.
Виноградов С.Д., Троицкий П.А., Соловьева М.С. Изучение распространения упругих волн в среде с ориентированной трещиноватостью // Физика Земли. 1992. № 5. С. 42-56.
Воларович М.П., Томашевская И.С., Будников В.А. Механика горных пород при высоких давлениях. М.: Наука, 1979. 152 с.
Гаранин В.А. Особенности распространения продольных и поперечных волн в консолидированных пористых средах // Прикладная геофизика. М.: Недра, 1973. Вып. 71. С. 23-28.
Гельчинский Б.Я., Караев Н.А., Бейлькин Г.Я., Коган Л.Д. Теоретико-модельные исследования полей, образующихся на структурах разрыва // Сейсмические волновые поля в зонах разломов / Под ред. А.В. Николаева. М.: Наука, 1978. С. 60-78.
Горяинов Н.Н., Ляховицкий Ф.М. Сейсмические методы в инженерной геологии. М.: Недра, 1979. 143 с.
Гуфельд И.Л. Сейсмический процесс. Физико-химические аспекты. Королев: ЦНИИМАШ, 2007. 160 с.
Казанский В.И., Лобанов К.В. Глубинное строение и рудоносность древней континентальной земной коры (по результатам исследований Кольской сверхглубокой скважины) // Проблемы рудной геологии, петрологии, минералогии и геохимии. М.: ИГЕМ РАН, 2004. С. 34-52.
Караев Н.А. Волновые поля, формируемые на гетерогенных зонах // Вопросы динамической теории распространения сейсмических волн. Л., 1982. Вып. XXII. С. 110-131.
Кошемчук С.К., Магомедов М.А., Алехин Ю.В., Лакштанов Л.З. Двухфазная фильтрация в системах вода-газ. Экспериментальное и теоретическое исследование // Экспериментальное и теоретическое моделирование процессов минералообразования. М.: Наука, 1998. С. 279-296.
Летников Ф.А., Балышев С.О. Петрофизика и геоэнергетика тектонитов. Новосибирск: Наука, 1991. 148 с.
Петкевич Г. И. Информативность акустических характеристик неоднородных геологических сред. Киев: Наукова Думка, 1976. 214 с.
Талонов А.В., Тулинов Б.М. Упругие волны в среде, ослабленной трещинами // Физика Земли. 1989. № 4. С. 33-41.
Урупов А.К., Трушников Э.Б. Двухмерное ультразвуковое моделирование распространения продольных волн в среде с одной системой трещин // Физика Земли. 1992. № 11. С. 29-53.
Ушаков Г.Д., Ушаков М.Г. Экспериментальное изучение рассеивания упругих волн на шероховатой границе раздела // Геология и геофизика. 1993. № 2. С. 103-111.
Физические свойства горных пород и полезные ископаемые (петрофизика). Справочник геофизика / Под ред. Н.Б. Дортман. М.: Недра, 1984. 455 с.
Фридман А.И. Природные газы рудных месторождений. М.: Недра, 1970. 192 с. Эфрос Д.А. Исследование фильтраций неоднородных систем. Л.: ОНТИЗ, 1963.
351 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Рис 1. Классификация разрывных нарушений в зависимости от проницаемости для флюида и его фазового состава
^_I_
0,4 0,8 П
Рис. 2. Зависимость скорости продольных волн от пустотности при заполнении пор воздухом (1), водой (2) и льдом (3) [Горяинов, Ляховицкий, 1979]
Рис. 3. Зависимость отношения скорости поперечных и продольных волн от пористости при заполнении пор воздухом (сплошная линия) и водой (пунктирная линия) для значений УБ/Ур в твердой фазе породы, равных 0,6; 0,5; 0,4 [Горяинов, Ляховицкий, 1979]
Рис. 4. Скорость продольных волн в моделях с порами (а) и в моделях с поровыми плоскостями (б). Заполнитель порового пространства: 1 - воздух, 2 - вода (по М.Ш. Магиду) [Физ. свойства..., 1984]
0,4 1,2 1,6 2,0 2,4 0,4 1,2 1,6 2,0 2,4
Рис. 5. Временные импульсы отраженных Р- и Б-волн и их амплитудно-частотные спектры на границе раздела медь-медь с шероховатостью И = 0,008 мм при разных давлениях: А - на сухой границе; Б - на смоченной маслом границе [Ушаков Г.Д, Ушаков М.Г, 1993]
