О вкладе рифогенных образований в формирование природно-ослабленных зон в соляной толще

УДК 622.831 А.К. Федосеев

О ВКЛАДЕ РИФОГЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ В ФОРМИРОВАНИЕ ПРИРОДНО-ОСЛАБЛЕННЫХ ЗОН В СОЛЯНОЙ ТОЛЩЕ

Построена модель формирования осадочного чехла над рифогенными образованиями. Показано, что в соляной толще над рифогенными постройками в процессе формирования осадочного чехла создаются предпосылки к образованию зон трещиноватости. На основании многовариантных численных экспериментов определены основные факторы, влияющие на возможное формирование природно-ослабленных зон в соляной толще над рифом, и проведена оценка их влияния.

Ключевые слова: рифы, осадочный чехол, напряженно-деформированное состояние, трещины, механика растущих тел.

Рифовые образования имеют широкое развитие в разрезе осадочного чехла Урало-Поволжья [1]. Многочисленную и разнообразную по своему строению группу составляют рифы позднедевонско-ран-некаменоугольного возраста. На территории Соликамской впадины, в строении которой принимает участие верхнепермская галогенная формация, данные структуры в виде одиночных рифов и их массивов формировались в позднедевонскую эпоху в условиях глубоководного шельфа. Эти образования оказали определяющую роль на структурный план вышележащей части разреза. Однако их роль этим не ограничивается. Результаты анализа и обобщения сейсморазведочных материалов на площади Верхнекамского месторождения солей показали наличие осложнений волновой картины в интервале подошвы соляной толщи [2], которые по ряду признаков соответствуют зонам разрывных нарушений [3]. Эти осложнения встречаются, в основном, на крыльях структур об-лекания девонско-турнейских рифовых

массивов и над стыками блоков фундамента.

Косвенным подтверждением присутствия разрывных нарушений в осадочном чехле над рифогенными образованиями является очаговое распределение вторичного преобразования пород соляной толщи, проявляющееся в замещении каменной солью трех и более продуктивных пластов калийной залежи. Ранее для нефтеперспективных интервалов геологического разреза установлено уменьшение скоростей сейсмических волн [4] и их повышенное затухание [5] по периферии рифогенных образований (аномалии "кольцевого" типа).

Геомеханическое обоснование возможности влияния рифогенных формаций на состояние соляной толщи рассматривалось в работе [6]. Комплекс выполненных методических исследований выявил снижение прочностных свойств соляных пород над рифогенны-ми постройками девонско-турнейского возраста [7].

Приуроченность выявленных осложнений строения соляной толщи к рифо-генным постройкам может быть обу-

словлена изменением литостатического поля напряжений при формировании перекрывающих толщ.

Для оценки достоверности этой гипотезы выполнялось математическое моделирование изменения напряженно-деформированного состояния осадочного чехла в процессе его формирования. Этот анализ включал исследование распределения напряжений в осадочной толще и оценку возможности образования в ней зон повышенной трещиноватости. Геомеханические исследования проводились для разработанных на основе решения прямой задачи сейсморазведки обобщенных физико-

геологических моделей девонских и пермских рифогенных образований. При построении моделей принимался ряд допущений: породы осадочного чехла залегают согласно; риф имеет однородное строение; накопление отложений, перекрывающих риф, происходило в условиях некомпенсированного прогибания.

Формирование осадочного чехла над рифогенными образованиями может быть представлено в виде процесса последовательного наращивания слоев различных осадочных пород, и, таким образом, подпадает под общую постановку краевой задачи дискретного наращивания стареющего тела [6]. В первом приближении не учитывался реологический характер деформирования породного массива в процессе осадкона-копления, а изменение свойств происходило дискретно, по мере формирования новых слоев. Однако, даже в такой постановке отсутствие информации о силовых воздействиях на породный массив в процессе его формирования, а также об изменении его физикомеханических свойств в геологическом времени может стать существенным препятствием при математическом мо-

делировании процесса осадконакопле-ния.

Деформирование любого выделенного элемента геологического разреза в отсутствие других силовых источников (например, тектонических движений) осуществляется под действием собственного веса и веса вышележащих пород. Если предположить, что на постсе-диментационной стадии формирования произвольного элемента разреза не происходит значительного перемещения материала, то yh = const (у - удельный

вес пород, h - мощность отложений) на любой момент геологического времени. Данное допущение существенно упрощает постановку задачу и снижает неопределенность расчетной модели, поскольку в этом случае на каждом шаге решения нагрузку вышележащих пород можно задать исходя из современных плотностных свойств и мощностей.

На участках субгоризонтального залегания пластов для условий литостатического поля напряжений, на основе современного геологического разреза и закона изменения модуля деформации, можно построить итерационную процедуру для определения “исходной” мощности геологических пластов (условной мощности невесомого слоя). Тогда основной задачей параметрического обеспечения является оценка изменения механических свойств пород в процессе осадконакопления и литофикации.

Априори можно утверждать, что в геологическое время происходит увеличение прочностных и деформационных показателей пород. Однако количественные выражения этих зависимостей для различных литологических разностей неизвестны. Можно выделить три основных этапа упрочнения (рис.1): за счет начального гравитационного уплотнения материала, вследствие установления новых физико-химических

Рис. 1. Изменение прочностных и деформационных свойств пород в процессе осадконакопления

связей и переход к современным свойствам. Решающую роль будет очевидно играть второй этап, поэтому для упрощения модели литофикации аппроксимируем кривую кусочно-линейной функцией, с преобразованием пологих участков в горизонтальные. Тогда достаточно рассмотреть линейный закон упрочнения и варьировать только его градиент.

Численная реализация математических моделей проводилась с использованием осесимметричной схемы метода конечных элементов [7]. Решение осуществлялось поэтапно в приращениях перемещений с учетом сформированного на предыдущей стадии начального поля напряжений. Полученное распределение перемещений и соответствующее поле напряжений рассматривались как начальные для следующего этапа решения. В рамках принятого алгоритма это отражало процесс постепенного деформирования структурных элементов осадочного чехла. Полный цикл математического моделирования продолжался до соответствия геомеханической схемы расчета современной физикогеологической модели осадочного чехла. Для выявления основных закономерностей изменения напряженно-

деформированного состояния осадочного чехла рассматривался геологический разрез, состоящий из однородных по конечным свойствам и законам упрочнения слоев одинаковой мощности.

Полученные результаты показали (рис. 2), что наличие рифовых построек отражается на характере распределения напряжений в вышележащих толщах. Например, в осадочных отложениях, приуроченных к склоновой части рифа, наблюдается увеличение вертикального напряжения (рис. 2, б). В то же время у основания рифа имеет место относительная разгрузка. Распределение радиальных (рис. 2, а) и тангенциальных (рис. 2, в) напряжений характеризуется наличием зон пониженных сжимающих напряжений над рифом в средней и верхней частях осадочного чехла. Зона повышенных касательных напряжений (рис. 2, г), так же как и вертикальных, приурочена к склоновой части рифа. При этом характер распределения напряжений указывает, что зона влияния рифа увеличивается с удалением от его свода вверх по разрезу.

Опасность образования в соляной толще трещин субвертикальной ориентации оценивалась по параметру S = Тп / О п, адекватному критерию Кулона-Мора (Тп , Оп - касательное и нормальное напряжение соответственно). Очевидно, что чем больше параметр S, тем выше вероятность образования зон вертикальной трещиноватости в осадочном чехле на стадии его формирования.

На рис. 3 представлено характерное распределение критериального параметра в осадочных отложениях над рифом. Зона его максимума находится непосредственно над склоном рифа.

в) 0

г) о4

к^-риф 05™ ...

Рис. 2. Изменение напряженно-деформированного состояния осадочного чехла над рифом

С удалением вверх по разрезу зона влияния рифа увеличивается, а степень его воздействия уменьшается. Вторая зона повышенных значений критерия расположена в верхней части осадочного чехла, и именно она оказывает непосредственное влияние на возможность образования трещин в соляной толще.

Для оценки влияния тех или иных факторов на результаты моделирования и снижения параметрической неопределенности модели были проведены многовариантные численные эксперименты. По их результатам были выявлены следую-

щие закономерности:

- уменьшение градиента роста механических параметров (коэффициента упругости) ведет к незначительному понижению значений критерия (а, значит, и к уменьшению вероятности образования трещин) в верхних слоях осадочного чехла. В целом, картина распределения остается неизменной;

- изменение начальных свойств пород практически не оказывает влияния на характер распределения критерия и на его зависимость от градиента;

- увеличение современных средних механических свойств ведет к снижению значений критерия в верхних слоях осадочного чехла; понижение же ведет к росту критериального параметра;

- увеличение крутизны склона рифа, как и увеличение его высоты при постоянной крутизне, ведет к росту критериального параметра в диапазоне соляной толщи;

Рис. 3. Распределение критериального параметра S 144

о -

-1000 -

-2000 -

- наличие в осадочной толще пластов с пониженными по сравнению с вмещающими породами механическими свойствами (характерный пример - ар-тинский горизонт) приводит к расширению зоны повышенных значений критерия в соляной толще с одновременным снижением этих значений. В случае если пониженными свойствами обладают пласты, непосредственно облегающие риф, наблюдается заметное повышение значений критерия в интервале соляной толщи;

- рифогенные образования пермского периода, ввиду их небольших размеров, сами по себе оказывают незначительное влияние на формирование зон возможной повышенной трещиноватости в со-

1. МирчинкМ.Ф., Мкртчян О.М., Хатья-нов Ф.И. и др. Рифы Урало-Поволжья, их роль в размещении залежей нефти и газа и методикапо-исков. М., Недра, 1974.

2. Санфиров И.А., Семерикова И.И. Отображение в сейсмических волновых полях геологических моделей разрывно-складчатых зон на Верхнекамском месторождении калийных солей. Построение физико-геологической модели и системный подход при истолковании результатов геофизических исследований. Пермь: Пермский ун-та, 1993. С. 13-14.

3. Лисин В.П., Маловичко А.А., Неволин Л.П. и др. Выделение тектонических нарушений в отложениях терригенного девона на территории Удмуртской АССР по данным МОГТ. Г еология, поиски и разведка горючих полезных ископаемых. Пермь, 1983. С.36-44.

4. Неволин Л.П., Новоселицкий ВМ, Санфиров И.А. Многовариантные структурные построения на основе использования закономерностей латеральной изменчивости сейсмических скоростей в пределах разнотипных локальных поднятий. Геология, поиски и разведка месторо-

ляном зеркале, однако при соответствующем расположении относительно девонских рифов могут усиливать влияние последних.

Как следует из полученных закономерностей, для оценки влияния рифо-генных структур на возможность образования трещин в соляной толще иногда может оказаться достаточным знание современных характеристик рифа и осадочной толщи над ним. В то же время устойчивость результатов по начальным свойствам пород и законам их упрочнения делают осмысленной задачу усложнения модели процесса литофикации за счет учета физической, химической, термодинамической и других составляющих.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ждений горючих полезных ископаемых. Пермь, 1982. С. 50-57.

5. Ованесов Г.П., Алексеев Г.П., Белоликов Н.И. и др. Геологическая эффективность геофизических работ в Волго-Уральской нефтегазоносной провинции. М.: Недра, 1980. 253 с.

6. Барях А.А., Еремина Н.А., Кудряшов

A.И., Прийма Г.Ю., Санфиров И.А. О влиянии рифогенных образований на структуру верхних этажей осадочного чехла. Докл. АН, 1998, том 363, № 3.

7. Асанов В.А., Барях А.А., Кудряшов А.И., Санфиров И.А. Взаимосвязь физикомеханических свойств соляных пород с особенностями геологического строения массива. Пробл. безопасн. и совершенств. горных работ. (Мельниковские чтения). Тез. докл. Межд. конф. Пермь, 1999.

8. Арутюнян НХ., Дроздов А.Д., Наумов

B.Э. Механика растущих вязкоупругопластических тел. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. 472 с.

9. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: МирД975. 541 с.

— Коротко об авторе --------------------------------------------------------------

Федосеев Антон Кимович - мл. научный сотрудник, лаб. механики горных пород, Горный Институт УрО РАН, e-mail: rm_anton_mi-perm.ru