3D-модель напряженного состояния в районе Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3)

УДК 551.242.1 А.В. Зайцев

ЗБ-МОДЕЛЬ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ В РАЙОНЕ КОЛЬСКОЙ СВЕРХГЛУБОКОЙ СКВАЖИНЫ

Построена компьютерная трехмерная модель напряженного состояния Печенгской структуры (Балтийский щит). Модель создана с помощью тектонофизического моделирования на оптически активных материалах. Достоверность выполненных исследований подтверждается сопоставлением результатов моделирования с данными об упруго-анизотропных свойствах пород разреза Кольской сверхглубокой скважины до глубины 12 км. Полученная модель может быть использована для выявления участков с повышенными значениями касательных напряжений, с которыми ассоциируются опасные геологические процессы.

Введение. Изучение характера тектонической раздробленности и полей напряжений в пределах геопространства Кольской сверхглубокой скважины (Балтийский щит) было выполнено в тесном сотрудничестве с геологами из Института физики Земли (ИФЗ) РАН и НПЦ "Кольская сверхглубокая".

На рассматриваемой территории пространственно совмещены комплексы архея (кольская серия) и нижнего протерозоя (печенгский комплекс). Основные события тектогенеза на данной территории проявлены в ребольскую, карельскую, байкальскую и каледонскую эпохи, а заключительный импульс активизации приходится на новейший этап. Сформированные на каждом из этих этапов элементы региональной структуры, а также структурные планы названных комплексов в целом в значительной степени определялись движениями по разрывно-линеаментным зонам, совпадающим с границами крупнейших блоков Кольского региона. С севера — это зона разлома Колмозеро—Воронье между Мурманским и Центрально-Кольским блоками, а с юга — система раз-ломных зон, относящихся к Беломорско-Лапланц-ской шовной зоне.

Большинство деформаций в природе проходит в исходно структурированной среде, где их реализация принципиально отлична от таковой в однородном материале. Это определяет специфику обобщения первичного геологического материала и упрощения в приложении к задачам тектонофизического моделирования.

Структурированность среды подразумевает наличие в ней разномасштабных, часто иерархически соподчиненных структурно-вещественных неоднород-ностей, например первичную расслоенность толщ, внедрившиеся геологические тела (дайку, силлы, интрузии), разрывные нарушения, трещиноватость и т.д., т.е. присутствие тех элементов внутренней структуры, которые определяют нарушенность геологической среды. Для более полного представления о характере структурной организации объема геопространства Кольской сверхглубокой скважины были использованы материалы площадного геологического карти-

рования, данные бурения, сейсмологические данные, полевые наблюдения.

Методика моделирования. Методическую основу исследований составляет сочетание анализа структурно-геологических данных с результатами тектонофизического моделирования деформаций в структурированной среде на оптически активных материалах. При этом в качестве исходной структурированности модельных образцов принималась их предельно упрощенная "нарезка" на блоки системой наиболее крупных разрывных нарушений, рассекающих объем геопространства. Эксперименты проводились на нескольких моделях, имитирующих структурированные вертикальные срезы—сечения северо-восточного простирания (рис. 1).

Направление приложения нагрузки при моделировании было выбрано исходя из следующих фактов: во-первых, использован морфоструктурный анализ рассматриваемой территории. Современная морфо-структура региона является отражением не только геодинамических событий неотектонического этапа, но и следствием избирательного характера активизации более ранних структурно-вещественных неодно-родностей. Анализ, выполненный на основе дешифрирования аэроснимков, полевой заверки выделенных линеаментов и элементов рельефа геопространства Кольской СГ-3, показывает весьма существенную активизацию элементов структуры на неотектоническом этапе. При этом закономерный характер расположения многих элементов морфоструктуры указывает на вполне определенные кинематические условия неотектонической активизации. В пределах Печенгской структуры и ее обрамления отмечено, что морфологические впадины выстраиваются в явный правосдвиговый кулисно-эшелонированный ряд вдоль разломов северо-западного простирания и в ле-восдвиговый ряд вдоль нарушений северо-восточной ориентировки. Помимо этого фиксируется надвиго-вый характер морфологических нарушений, протягивающихся вдоль побережья Баренцева моря и имеющих отчетливую южную вергентность. В совокупности эти факты позволяют сделать вывод о проявлении

Рис. 1. Схема расположения профилей в районе Кольской сверхглубокой скважины

здесь на новейшем этапе север-северо-восточного— юг-юго-западного сжатия.

Во-вторых, субмеридиональное сжатие подтверждается данными решения фокальных механизмов очагов землетрясений. Ближайшее землетрясение, по которому имеется решение очага, расположено восточнее рассматриваемой территории — на крупном разломе Карпинского. Этот разлом имеет северо-западное простирание, по которому устанавливается правосдвиговое смещение, такое смещение могло быть вызвано только общим субмеридиональным сжатием.

Таким образом, направление приложения нагрузки при моделировании геопространства Кольской сверхглубокой скважины было принято север-северовосточным.

Поляризационно-оптический метод исследования напряжений на прозрачных моделях (метод фотоупругости) основан на способности большинства прозрачных изотропных материалов (стекло, целлулоид, бакелит, отвержденные эпоксидные смолы, желатин, агарин и др.) под действием напряжений (деформаций) приобретать свойство двойного лучепреломления. Величина двойного лучепреломления связана с величиной напряжения и может быть измерена

Рис. 2. Характер напряженного состояния вдоль профиля № 1 по данным тектонофизического моделирования на оптически активных материалах. Цифрами обозначены разломы: 1 — Южно-Порьиташский, 2 — Порьиташский, 3 — Луотинский, 4 — Куэтсьярвинский, 5 — Телевинский. I — величина касательных напряжений (в % от максимального); II — кинематическая характеристика разрывных нарушений;

III — эллипсы напряжений и ориентировки осей сжатия—растяжения

оптическим методом. Экспериментальные исследования проводятся на прозрачных моделях путем просвечивания их поляризованным светом.

Моделирование напряженного состояния геопространства Кольской сверхглубокой скважины проводилось с помощью желатин-глицеринового студня, физические свойства которого хорошо изучены. Кроме того, в многочисленных работах разработаны критерии применимости этого материала для тектонофизического моделирования [Бондаренко, 1989; Осокина, 1989; Осокина, Бондаренко, 1989.

Результаты моделирования. Эксперименты проводились на нескольких моделях, имитирующих структурированные вертикальные срезы—сечения северо-восточного простирания через Печенгскую впадину. В качестве основных элементов исходного структурирования модели были выбраны главные разрывные нарушения, включающие тектоническую границу подошвы ждановской свиты и Телевинский разлом, проходящий по подошве Печенгской структуры. ГИС-технологии позволили в единой системе координат совместить на общих разрезах структурно-геологическую и экспериментальную информацию.

Моделирование проводилось путем поперечного сжатия желатиновых образцов с исходной "нарезкой", имевших длину и высоту, пропорциональную протяженности и глубине геологического профиля, а толщину около 2,5—3 см. На поверхность образца перед началом деформации наносили круглые маркеры, которые находились внутри блоков и в непосредственной близости от разрывов. Получающиеся картины напряженного состояния, выраженные распределением изохром нескольких порядков, фиксировались в поляризованном свете. Всего выполнено 6 серий экспериментов на шести субпараллельных профилях.

Модель по профилю № 1. На этом профиле, пересекающем северо-западную часть Печенгской структуры (рис. 2), можно выделить несколько небольших участков с повышенными значениями напряжений, все они приурочены к зонам сочленения Порьиташ-ского и Луотинского разломов, имеющим крутые углы падения, с пологими разломами подошвы ждановской свиты и Телевинского разлома. Зоны пониженных значений напряжений расположены в нижней части крупного блока, ограниченного Луотин-ским и Куэтсьярвинским разломами.

Модель по профилю № 2. Общая картина полей напряжений на этом профиле, расположенном юго-западней профиля № 1, более сложная, хотя общие особенности их распределения сохраняются (рис. 3). Так, зоны повышенных значений напряжений таюке приурочены к контактам крутопадающих разломов (Порьиташского, Луотинского и Мехтсьяурского) с пологими разломами подошвы ждановской свиты и Телевинского разлома. Зоны пониженных значений напряжений расположены в висячих крыльях Порьиташского и Луотинского разломов и в середине крупных блоков, ограниченных Луотинским, Мехтсьяур-ским и Кириеджипорским разломами.

Модель по профилю № 3. Самый протяженный осевой профиль проходит через центральную часть Печенгской структуры (рис. 4). Общая картина поля напряжений получилась сильнодифференцирован-ной, с чередованием участков с повышенной и пониженной нагруженностью. Четко локализуются концентраторы напряжений и зоны явного разряжения. Из крупных областей повышенных значений напряжений можно выделить зону, находящуюся в лежачем и висячем крыльях Порьиташского разлома. Крупная зона пониженных значений напряжений находится в лежачем крыле Кириеджипорского разлома. Эта зона осложнена небольшими участками с повышенными

Рис. 3. Характер напряженного состояния вдоль профиля N° 2 по данным тектонофизического моделирования на оптически активных материалах. Цифрами обозначены разломы: 1 — Южно-Порьиташский, 2 — Порьиташский, 3 — Луотинский, 5 — Мехтсьяурский, 6 — Кириеджипорский, 7 — Телевинский; 4 — подошва ждановской свиты. Условные обозначения см. на рис. 2

Рис. 4. Характер напряженного состояния вдоль профиля N° 3 (осевой) по данным тектонофизического моделирования на оптически активных материалах. Цифрами обозначены разломы: 1 — Южно-Порьиташский, 2 — Порьиташский, 3 — Суппварский, 4 — Луотинский, 5 — Ритоайвинский, 6 — подошва ждановской свиты, 7 — Кириеджипорский, 8 — Западный Палоярвинский, 9 — Телевинский, 10 —

Восточный Палоярвинский. Условные обозначения см. на рис. 2

значениями напряжений, приуроченными к пересечениям разломов Кириеджипорского, Телевинского с Ритоярвинским разломом. Появление такой крупной зоны пониженных значений, вероятно, связано со специфической трапециевидной формой этого блока.

Модель по профилю № 4. Профиль имеет схожее строение с профилем N° 3. На нем также фиксируется сильнодифференцированная картина распределения полей напряжений (рис. 5). От предыдущего его отличает менее выраженный максимум значений напряжений в висячем крыле Порьиташского разлома.

Модель по профилю № 5 очень схожа с моделью по профилю № 1. Здесь тоже выделяются участки повышенных значений напряжения в местах пересечения круто падающих Порьиташского и Дамасского разломов с пологими подошвами ждановской свиты и Пе-ченгской структуры (рис. 6).

Модель по профилю № 6. Профиль расположен в юго-восточной части Печенгской впадины. Общая структура задана двумя крутопадающими на северо-восток (70°) Широтным и Олежярвинским разломами. Эти разломы подсечены Кучимтундровским нарушением юго-западного падения и пологой подошвой Печенгской структуры, представленной Теле-винским разломом (рис. 7). Зоны повышенных значений напряжений приурочены к пересечению Олежя-рвинского и Кучимтундровского разломов и пересечению Кучимтундровского разлома с подошвой Печенгской структуры. Зоны пониженных значений напряжений приурочены к пересечению Широтного и Кучимтундровского разломов. Помимо этого пониженные значения напряжений фиксируются в верхней части профиля — между Широтным, Олежярвинским и Кучимтундровским разломами.

Рис. 5. Характер напряженного состояния вдоль профиля № 4 по данным тектонофизического моделирования на оптически активных материалах. Цифрами обозначены разломы: 1 — Южно-Порьиташский, 2 — Порьиташский, 3 — Суппварский, 4 — Кириеджипорский, 5 — подошва ждановской свиты, 6 — Луотинский, 7 — Западный Палоярвинский, 8 — Восточный Палоярвинский, 9 — Телевинский. Условные

обозначения см. на рис. 2

Рис. 6. Характер напряженного состояния вдоль профиля № 5 по данным тектонофизического моделирования на оптически активных материалах. Цифрами обозначены разломы: 1 — Южно-Порьиташский, 2 — Порьиташский, 3 — Суппварский, 4 — подошва ждановской свиты,

5 — Дамасский, 6 — Телевинский. Условные обозначения см. на рис. 2

Моделирование на серии вертикальных субпараллельных разрезов через Печенгскую структуру позволило не только составить представление о характере напряженного состояния в разных сечениях рассматриваемого пространства, но и построить объемную ЗО-модель (до глубины 15 км) вариаций напряженного состояния. Эта модель, построенная с помощью программного продукта АгсС18, позволяет наглядно представить трехмерное распределение потенциальных зон концентраторов напряжений и объемов их предположительной разрядки. Модель дает возможность рассчитать карты напряженного состояния по горизонтальным сечениям любого уровня глубинности.

На ЗО-модели наиболее хорошо выраженная цепочка повышенных значений напряжений протягивается вдоль Порьиташского разлома. Эта зона припод-

нята в центральной части (в районе профиля № 4). Она расположена на глубине от 1 до 6 км, постепенно погружается в западном и восточном направлении, достигая глубины 12 км. Крупный максимум находится в пределах профиля № 4 на глубине 13—15 км и приурочен к нижним частям Кириеджипорского и Луотинского разломов. Серия небольших по объему концентраторов четко трассируется по узлам пересечения Кириеджипорского и Телевинского разломов в пределах профилей № 2—4 и расположена на глубине 5—6 км. В пределах Луотинского разлома также наблюдаются небольшие зоны с повышенными значениями напряжений в местах его пересечения с подошвой ждановской свиты. Кроме того, встречаются отдельные зоны, не протягивающиеся вдоль разломов, а локализующиеся в каком-либо одном его сечении. Так, отмечается зона на участке пересечения Ла-

масского и Телевинского разломов (профиль № 5). Небольшой максимум фиксируется на профиле № 6 в зонах пересечения Телевинского и Кучим-тундровского разломов и Оле-жярвинского разлома с Кучим-тундровским.

Эта территория была выбрана для моделирования еще и потому, что здесь находится уникальный объект — Кольская сверхглубокая скважина (СГ-3), пробуренная до глубины 12 262 м, следовательно, есть возможность сравнить результаты моделирования с данными по упругой анизотропии и палеонапряжениям по стволу СГ-3.

Изучение физических, в том числе упругих, параметров по разрезу Кольской сверхглубокой скважины открывает уникальную возможность представить реальную модель изменения свойств и состояния кристаллических пород верхней части земной коры до глубины 12 км. К настоящему времени получен сравнительно большой объем данных по всему разрезу, вскрытому СГ-3. Результаты, полученные в последнее время, позволяют составить общее представление об упруго-анизотропных свойствах кристаллических пород разреза и соответственно об исходных параметрах палеонапряжений.

Ф.Ф. Горбацевичем и Ю.П. Смирновым в разрезе СГ-3 выделено 10 структурно-анизотропных этажей [Кольская сверхглубокая... 1984]. Сопоставление выделенных этажей с изменением напряженного состояния, полученного в результате моделирования, позволило установить их тесную корреляцию. Так, величина напряженного состояния метается на границах между вторым и третьим, четвертым и пятым, пятым и шестым, шестым и седьмым, седьмым и восьмым структурно-анизотропными этажами. Анизотропия пород, слагающих разрез СГ-3, и зоны повышенной кавернозности ствола скважины хорошо

Рис. 7. Характер напряженного состояния вдоль профиля N2 6 по данным тектонофизического моделирования на оптически активных материалах. Цифрами обозначены разломы: 1 — Широтный, 2 — Олежярвинский, 3 — Кучимтундровский, 4 — Телевенский. Условные обозначения см. на рис. 2

соотносятся с зонами повышенных значений напряжений. Таким образом, сопоставление данных, полученных геофизическими методами, с данными, полученными в результате моделирования, дает косвенное подтверждение того, что условия моделирования выбраны правильно и модель верно отражает современное распределение поля напряжений в геопространстве Кольской сверхглубокой скважины.

Заключение. Итак, для района Кольской сверхглубокой скважины построена трехмерная модель напряженного состояния. Модель позволяет выявить участки повышенных значений касательных напряжений, с которыми могут быть связаны различные опасные геологические процессы (сейсмичность, горные удары и т.д.). Эти зоны локализованы главным образом в местах пересечения пологих региональных надвигов с относительно более крутыми взбросами. Достоверность модели подтверждена независимыми исследованиями упруго-анизотропных свойств кристаллических пород разреза Кольской сверхглубокой скважины.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бондаренко П.М. Моделирование тектонических полей напряжений элементарных деформационных структур // Экспериментальная тектоника (методы, перспективы, результаты). М.: Наука, 1989.

2. Кольская сверхглубокая. Исследования глубинного строения континентальной коры с помощью бурения Кольской сверхглубокой скважины. М.: Недра, 1984.

3. Осокина Д.Н. Моделирование тектонических полей напряжений, обусловленных разрывами и неоднородностя-ми в земной коре // Экспериментальная тектоника (методы, перспективы, результаты). М.: Наука, 1989.

4. Осокина Д.Н., Бондаренко П.М. Вопросы применения поляризационно-оптического метода в экспериментальной тектонике для моделирования тектонических полей напряжений // Там же.

Поступила в редакцию 13.11.2007