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

Глава 4. Реконструкции напряженно-деформированного состояния.

Выполнен обзор методов реконструкций напряженно-деформированного состояния земной коры. Изложена методика реконструкций на основе структурно-кинематического анализа трещинных систем по данным сейсморазведки 2Д и 3Д и анализа линеаментов. Выполнены массовые реконструкции напряженного состояния земной коры для различных осадочных бассейнов Северного полушария и их тектонофизическая интерпретация.

Методика исследований. Основы структурно-геоморфологического метода реконструкций напряженно-деформированного состояния земной коры заложены нами в начале 80-х годов [1-4] при комплексировании геолого-геофизических данных, дистанционных, полевых и структурно-геоморфологических исследований на Мангышлаке и окончательно оформлены к середине 80-х [5-10] для прогноза трещинно-разрывных зон новейшего растяжения при поисках и разведке залежей УВ с трещинными коллекторами. На новом этапе возможности метода расширены за счет включения в комплекс исследований данных сейсморазведки 3Д [7-8]. Важность этого определяется качественно новым кинематическим типом разрывных структур (отрывы), картируемых сейсморазведкой 3Д в отличие от сейсморазведки 2Д (сколы). В основе методов реконструкций напряженного состояния анализ трещинных систем и различных структурных парагенезов, служащих индикаторами разрядки напряжений. По рисунку и кинематике трещинных систем решается обратная задача восстановления типа напряженного состояния и ориентировки осей напряжений. Разломы фундамента, чехла и линеаменты рельефа служат структурно-кинематическими индикаторами разрядки напряжений на различных глубинных уровнях и временных интервалах. Для изучения истории развития разломов привлекались данные по азимутальному распределению разломов. История развития разломов изучалась путем восстановления кинематики вертикальных и горизонтальных движений, анализа углов скола в системе материнский сдвиг - оперяющий сброс, выраженных в углах встречи оперяющих разломов к плоскости сдвига в фундаменте и чехле.

По результатам изучения СГС обоснованы кинематические принципы интерпретации трещинных систем (разломов и линеаментов), разработана методика сквозных (рельеф-фундамент) реконструкций напряжений на основе кинематического анализа линеаментов рельефа и разломов фундамента и чехла по данным сейсморазведки 2Д/ЗД. Для Северного полушария установлены общие и неизвестные ранее закономерности пространственной организации трещинных систем и осей сдвигового поля палеонапряжений и новейших напряжений. Анализ трещинных систем по изученным бассейнам Северного полушария показал, что сейсморазведка 2Д картирует в фундаменте и чехле физические плоскости (сечения сколов) диагональных систем, в отличие от 3Д, которая картирует в чехле не физические плоскости сдвигов, а вторичные структуры разрушения (сечение отрыва). Выделяя разные кинематические типы разломов, в совокупности эти два метода дают полную картину ориентировки сколов и отрывов, что позволяет восстановить оси и тип напряжений земной коры без привлечения дополнительных индикаторов.

На примере бассейна Иллизи видно (рис.4.1), что сейсморазведка 2Д картирует сдвиги фундамента и чехла (сколы) в одном сечении. По данным 3Д разломы фундамента (сколы) и чехла (отрывы) косо ортогональны. В совокупности два сдвиговых сечения в соответствии с правилом сопряженных пар сколов идентифицируют субширотный отрыв, который и картируется по данным 3Д в чехле как оперяющие кулисы сдвига фундамента. Максимум линеаментов рельефа (СЗ) не совпадает с сечениями сколов по данным 2Д/3Д, совпадение с простиранием трещин по замерам в скважинах (FMI) характеризует их как молодые проницаемые системы трещин отрыва новейшего поля напряжений.

Сечениям сдвигов по данным сейсморазведки 2Д отвечает плоскость максимальных касательных напряжений. По данным сейсморазведки 3Д в чехле максимум на розах-диаграммах (сечение отрывы) совпадает с осью максимальных сжимающих напряжений, ортогонально ей выделяется ось минимальных сжимающих напряжений. На основе геометрии вторичных структур разрушения восстанавливается плоскость, разделяющая блоки со встречным падением кулисных сбросов (с различной полярностью), как проекция оси горизонтального сдвига фундамента в чехле (угол между плоскостью сдвига и оперяющими кулисами равен углу скола). Эта плоскость - шовная зона сдвига по фундаменту. Ей отвечает плоскость максимальных касательных напряжений. Динамопара главного сдвигового сечения выражена не всегда.

Важным наблюдением, определяемым современным взглядом на проблему и вытекающим из наших ранних исследований [10], является совпадение ориентировки трещинных систем фундамента и чехла по данным интерпретации потенциальных полей и сейсморазведки 2Д. По данным 3Д в чехле картируется одна система отрывов, а на уровне фундамента - полный набор структур разрушения: две пары сколов диагональной системы и максимум отрыва на биссектрисе острого угла, образуемого динамопарой сколов. Для трещинных систем Западно-Сибирской и Туранской плит, Алжирской Сахары, Прикаспия и Зондского шельфа установлены схожие геометрические и азимутальные характеристики, а также кинематические и динамические условия разрывообразования. Имеющий место разброс максимумов простирания систем разломов в диапазоне 15^o, связан со структурной неоднородностью деформируемых пород. Плоскость разломов одной системы редко бывает строго ориентирована на большом пространстве, она имеет интервальное распределение вокруг оси азимутального максимума.

Анализ кинематики структурных парагенезов в пределах СГС осадочных бассейнов Северного полушария позволил обосновать существование как минимум двух полей напряжений сдвигового типа (палео- и неотектонических) с ортогонально ориентированным положением нормальных осей и знакопеременными (реверсными) движениями по плоскостям сколовых сечений. Установленная устойчивость основных направлений разрядки касательных напряжений для Северного полушария позволяет расширить понятие принципа унаследованности развития тектонических структур, распространив его на поля напряжений, определяющие заложение и формирование складчатых и разрывных дислокаций. С другой стороны, полученные по данным сейсморазведки 3Д соотношения разновозрастных и разноориентированных вторичных структур разрушения, характеризуя этапы коренных перестроек структурного плана, служат основой создания динамических схем тектонического районирования на основе синтеза представлений об унаследованности и динамике геологических процессов.

Глобальным следствием полученных результатов является необходимость объяснения с геотектонических позиций существование для осадочных бассейнов Северного полушария двух устойчивых сдвиговых полей с единообразно (ортогонально) ориентированными осями напряжений доновейшего (субширотная палеотранспрессия, правосдвиговая для I-III квадрантов и левосдвиговая для II-IV квадрантов) и новейшего (субмеридиональная транспрессия, левосдвиговая для I-III квадрантов и правосдвиговая для II-IV квадрантов) этапов развития. Для перевода полученных выводов в ранг закономерности для Земли необходимо изучить параметры догерцинских трещинных систем и палеонапряжений (для рассмотренных нами бассейнов герцинская фаза наиболее поздняя), увеличить статистику и выполнить аналогичные исследования для Южного полушария.

О простирании осей сдвигов и осей напряжений. На севере Западной Сибири (Надым-Пурской впадина) по кровле горизонта Б крайние значения азимутов простирания разломов для динамопар сколов СВ (20-50^o) и СЗ (300-340^o) образуют двойной угол скола (2α), величина которого не превышает 90^o (80^o и 70^o). Этот факт доказывает единственно возможное, безальтернативное субмеридиональное положение оси максимальных нормальных сжимающих напряжений σ_max при формировании разломов осадочного чехла севера Западной Сибири. С учетом диапазона изменения min и max значений азимутов простирания кулис и величины угла скола α =< 45^o, ось σ_max не может выйти из крайних значений сектора меридионального сжатия, диапазон которых составляет ССЗ 340^o - ССВ 15^o (рис.4.2). Таким образом, ось максимальных сжимающих напряжений σ_max в пределах севера Западной Сибири испытывала флуктуации относительно меридиана с дискретом в диапазоне 15 5^o. Диапазон крайних значений азимутов простирания кулисных разломов составляет 35^o и равен углу скола. Это указывает на возможное изменение положения осей напряжений скачкообразно с шагом, кратным углу скола.

На рис.4.2 на азимутальный круг наложена генерализованная схема проявления хрупких (разрывных) деформаций в земной коре для сдвигового поля напряжений. Разрядка напряжений теоретически может быть осуществлена через разрывообразование в 8-ми азимутальных секторах ортогональных (четыре сектора) и диагональных (четыре сектора) систем планетарной делимости земной коры. Темным цветом выделены сектора диагональной сети сдвиговых деформаций для ортогональной сетки напряжений (меридиональное сжатие - широтное растяжение и широтное сжатие - меридиональное растяжение). Светлым цветом выделены сектора ортогональной сети сдвиговых деформаций для диагональной сетки напряжений (СЗ сжатие - СВ растяжение и СВ сжатие - СЗ растяжение). Вокруг диагональных сечений сколов образуется поле рассеяния (структурный индеферент, Δ = 15^o в обе стороны от луча), связанное с перескоком основного сколового сечения под действием ротационного режима полярного сжатия-растяжения в условиях перестройки деформационной ячейки. При меридиональном сжатии активизируются сколовые сечения СВ 30^o (плоскость СВ 45^o между секторами I-ССВ и II-ВСВ за минусом индеферента Δ = -15^o) и СЗ 330^o (плоскость СЗ 315^o между секторами VII-ЗСЗ и VIII-ССЗ за минусом индеферента Δ = -15^o), приспосабливаясь к остромеридиональной геометрии ромба деформационной ячейки. При широтном сжатии активизируются сколовые сечения СВ 60^o (плоскость СВ 45^o между секторами II-ВСВ и III-ВЮВ за минусом индеферента Δ = -15^o) и СЗ 330^o (плоскость СЗ 315^o между секторами VII-ЗСЗ и VIII-ССЗ за минусом индеферента Δ = -15^o), приспосабливаясь к остроширотной геометрии ромба деформационной ячейки.

Следствием такой модели деформирования являются розы-диаграммы простирания трещинных систем и линеаментов с широкими азимутальными лучами диагональных и узкими лучами ортогональных максимумами по изученным бассейнам.

Кинематический тип нарушения. Активизация правого или левого сдвига определяется углом встречи плоскости сместителя с осью σ_max, что связано в свою очередь с двумя переменными в координатах пространства: 1) азимут простирания плоскости сместителя и 2) азимут простирания оси σ_max. Одно из направлений динамопары сдвига (рис.4.2) в силу несимметричного положения оси сжатия σ₁ к плоскостям тангенциальных напряжений, приобретают доминирующую сдвиговую компоненту за счет меньшего угла скола (α₁ < α₂) грани деформационной ячейки с осью сжатия σ₁. При меньшем угле скола требуется меньшее касательное усилие для преодоления предела прочности пород на скол, начала пластической деформации пород, хрупкого разрыва и смещения смежных блоков вдоль плоскости сдвига. Сдвиг формируется за счет объединения плоскостей роя микросколов. Деформации сдвига на первичных плоскостях скола опережают на том из сечений, которое находится под меньшим углом с осью максимальных напряжений сжатия σ₁. Это в равной степени справедливо для вертикального и горизонтального сечений. То из направлений динамопары, которое получает большее тангенциальное ускорение, получает большую сдвиговую компоненту. Второе направление динамопары сколов оказывается подчиненным и морфологически представлено фрагментами, смещенными активным сдвигом.