Новейшая сдвиговая тектоника осадочных бассейнов: тектонофизический и флюидодинамический аспекты (в связи с нефтегазоносностью)

Глава 2. Моделирование структур разрушения в зонах сдвигания.

В работе выполнено обобщение результатов изучения структур разрушения, формирующихся в осадочном чехле в зонах сдвига (скалывания), полученных по результатам тектонофизического моделирования. Источником анализа явились результаты совместной работы с лабораторией тектонофизики ИФЗ РАН по изучению механизма горизонтального сдвига. Помимо работ по моделированию, выполненному в лаборатории тектонофизики ИФЗ РАН, обобщены результаты работ российских и зарубежных исследователей (М.В.Гзовский, С.А.Борняков, Г.Клоос, Э.Клоос, А.В.Михайлова, Д.Н.Осокина, В.Ридель, С.Стоянов, И.С.Чаленко и др.), изучавших деформации зон сдвигов в экспериментах по физическому моделированию.

Структурные парагенезы зон сдвигания по результатам моделирования. Существуют устоявшиеся представления о структурах разрушения, отвечающие механизму горизонтального сдвига, основанные на моделях Риделя и Андерсона. В зонах сдвигания по модели Риделя (рис.2.1) выделяются кулисно расположенные R и R' сколы, составляющие с осью сдвига острый и близкий к 90^o углы, трещины отрыва Т, P и L-сколы, а также кулисы приразломных пликативных складок F, оси которых совпадают с ориентацией оси максимального сжатия.

Выполненный обзор результатов моделирования зон сдвигания показал, что как постановка экспериментов, так и интерпретация наблюдений требуют дополнительно анализа, поскольку достаточно часто они проводились без учета базисных положений механики и природных процессов, не воспроизводимых в экспериментах. Анализ результатов экспериментов показал, что поверхностные структурные парагенезы зон сдвигания хорошо изучены, чего нельзя сказать об объемных деформациях, так как методы физического моделирования не дают такой возможности.

Математическое моделирование. Результаты теоретического анализа моделей зон сдвигания в условиях продольного сдвига путем математического моделирования излагаются по результатам совместных работ с лабораторией тектонофизики (группа Ребецкого Ю.Л.) и геомеханики (Мухамедиев Ш.А., Рыжак Е.И.) ИФЗ РАН и института физики прочности и материаловедения СО РАН (группа Стефанова Ю.П.).

Показано, что при физическом моделировании сдвига, не выполняется условие подобия по гравитационным напряжениям. В силу этого, а также из-за того, что наблюдения ведутся только на поверхности моделей, увидеть при моделировании влияние на характер разрушения этих напряжений не представляется возможным. На самом же деле роль гравитационных напряжений в природных процессах очень велика. При интерпретации природных структур разрушения используются результаты, полученные в экспериментах. Показано, что такая интерпретация структур, наблюдаемых на поверхности, может оказаться верной только для механизма нагружения в виде однородного по глубине плоского простого сдвига. В случае реализации простого сдвига в природных условиях, напряженное состояние существенно неоднородно по глубине и в этом случае структуры разрушения, формирующиеся в глубине массива, могут отличаться от тех, что наблюдаются на поверхности не только по простиранию, но и по кинематическому типу. Однако многие исследователи на основании подобного анализа мысленно продолжают наблюдаемые типы структур разрушения на глубину. Наблюдения за подобными изменениями во внутренних объемах горных пород стало возможным с развитием методов сейсморазведки 3Д.

Исследования механизмов локализации при образовании эшелонных структур, выполненные Ш.А. Мухамедиевым и Е.И.Рыжак, показали, что строение кулисообразных систем нарушений в Западной Сибири имеет заметные расхождения с результатами опытов В.Риделя, С.Стоянова, Дж.Байерли и др. по сдвигу полосы: угол, образуемый нарушениями с осью полосы, далек от углов, типичных для сдвиговых нарушений Риделя. По их мнению, это может быть связано с наложением на сдвиговые напряжения сжимающих напряжений в направлении вдоль или поперек полосы, что приводит к повороту осей напряжений и к соответствующему повороту площадок максимального касательного напряжения, плоскостей локализации деформаций и т.п.

Работами Ю.П.Стефанова по численному моделированию (в 2D постановке плоской деформации) формирования полос локализованного сдвига в горизонтальных и вертикальных сечениях среды при разрывном смещении фундамента установлено, что в условиях сдвиговой деформации толщи среды в горизонтальных сечениях формируется квазипериодическая система полос локализованного сдвига Риделя. Угол наклона полос локализованной деформации к направляющей сдвига составляет 10^o-12^o. С увеличением глубины ширина зоны, в которой сосредоточены полосы локализации сужается, с соответствующим ростом степени деформации в ней. Расстояние между полосами локализованного сдвига возрастает с увеличением эффективной сдвиговой прочности, а следовательно и с глубиной. В вертикальных сечениях среды вблизи плоскости разрывного смещения формируются полосы локализованной деформации, наклон которых изменяется с глубиной. Наименьший угол наклона полос локализации (~10^o) наблюдается в нижних слоях, вблизи основания и при уменьшении глубины (удалении от основания) возрастает. Анализ результатов численного моделирования показал несоответствия как по углам, образуемым полосами локализованной деформации с осью сдвига, так и по изменению расстояния между полосами локализованного сдвига с глубиной (получена обратная картина). В вертикальных сечениях получена модель листрического разлома, не имеющая ничего общего с природными объектами. Как следствие вывод авторов о том, что более точный анализ деформирования среды может быть получен при трехмерном моделировании процесса.

Физическое моделирование выполнялось в рамках совместного проекта по моделированию структурообразования в условиях сдвиговых деформаций, приближенных к геологическим условиям севера Западной Сибири в лаборатории тектонофизики и геотектоники Геологического факультета МГУ. Во всех экспериментах (моделирование деформаций фундамента в отсутствие чехла, чехла над отдельным сдвиговым разломом фундамента в вариантах жесткого и пластичного фундамента) в чехле удалось воспроизвести лишь крутопадающие трещины отрыва и сколы Риделя. При этом трещины отрыва не получали дальнейшего развития, а объединялись в сколы Риделя, простирание которых незначительно отклонялось от простирания сдвигового разлома в фундаменте. Между тем в исследуемом районе углы падения сбросов находятся в диапазоне 50-70^o, а их простирание заметно (на 35-55^o) отличается от простирания сдвига фундамента. С учетом дополнительных экспериментов (моделирование гравитационной нагрузки чехла и суперпозиции двух типов горизонтального сдвига: вдоль вертикальной плоскости и вдоль горизонтальной плоскости) результаты физического моделирования объясняют формирование сдвиговых деформаций, характерных для севера Западной Сибири, сочетанием двух типов горизонтального сдвига: вдоль вертикальной и вдоль горизонтальной плоскостей без участия транспрессии или транстенсии.

Общим результатом выполненных аналитических исследований и экспериментальных работ является не более чем общее приближение модельных решений к сложным природным структурным парагенезам зон сдвигания и, как следствие, осознанная всеми участниками работ, необходимость дальнейших исследований в этой области.