Дизъюнктивная тектоника и новейшее напряженное состояние геопространства Кольской сверхглубокой скважины

Глава 3. 3D модель напряженного состояния геопространства СГ-3.

Работы по изучению напряженного состояния Печенгской структуры и ее обрамления в разное время проводили Г.А. Марков (1965, 1973, 1980, 1981), П.Н. Николаев (1977, 1992), Ф.Ф. Горбацевич, Ю.П Смирнов (1998) и Н.Ю. Васильев. В начале этой главы описан вклад каждого из этих ученых в данную проблему.

Общая идеология исследования и методические подходы. В отличие от предыдущих исследований, наша работа основывается на понимании того факта, что 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, различных, часто иерархически соподчиненных структурно-вещественных неоднородностей, например первичную расслоенность толщ, внедрившиеся геологические тела (дайки, силлы, интрузии), разрывные нарушения, трещиноватость и т.д. Для более полного представления о характере структурной организации объема геопространства Кольской сверхглубокой скважины были использованы материалы площадного геологического картирования, результаты бурения, сейсмологические данные и полевые наблюдения.

Методическую основу исследований составляет сочетание анализа структурно-геологических данных с результатами тектонофизического моделирования деформаций в структурированной среде на оптически активных материалах, проводившихся в Лаборатории тектонофизики и геотектоники им. В.В. Белоусова Геологического факультета МГУ. При этом в качестве исходной структурированности модельных образцов принималась их предельно упрощенная "нарезка" на блоки системой наиболее крупных разрывных нарушений, рассекающих объем геопространства.

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 и вследствие возникших при этом упругих деформаций приобретать свойство двойного лучепреломления. Величина двойного лучепреломления связана с величиной напряжения и может быть измерена 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 [Осокина, Бондаренко, 1989; Бондаренко, 1989, Осокина, 1989].

Модели с <площадным> типом нарезки. Модель состояла из прямоугольного образца желатина, нарезанного на разновеликие блоки <разрывными нарушениями> в соответствии с картиной блоковой делимости фундамента Печенгской впадины и ее обрамления. Сжатие встречное, двухстороннее, в направлении северо-восток - юго-запад. В результате моделирования выделяется несколько крупных зон с повышенными значениями напряжения, большая часть из них располагается в правом борту долины реки Печенга; также весьма сильно оказался нагружен блок, располагающийся в центре Печенгской структуры, и один блок с крупным концентратором располагается в правом борту реки Титовка, в зоне сочленения разломов Титовский и Колмозеро-Воронье. Проведенное сравнение результатов моделирования с картой плотностей линеаментов, построенной для этой территории, показало высокую степень их схожести. Это сходство объясняется тем, что земная кора, представляющая собой сложную иерархически построенную систему блоков, при приложении к ней внешней нагрузки перераспределяет напряжения. В результате этого перераспределения возникают участки концентраторов напряжений, которые проявляют большую тектоническую активность, чем соседние, и, следовательно, выраженность их строения в линеаментной сети представлена более ярко.

Моделирование напряженного состояния, выполненного таким способом, недоучитывает горизонтальную неоднородность геологической среды. Изучение геопространства Кольской сверхглубокой скважины показало, что важную роль для Печенгской структуры имеют пологие надвиги, в то время как вертикальные разрывы носят подчиненный характер. Поэтому предложена новая методика создания моделей напряженного состояния полого-надвиговых структур - моделирование на вертикальных разрезах.

Моделирование на вертикальных разрезах. Эксперименты проводились на нескольких моделях, имитирующих структурированные вертикальные срезы-сечения северо-восточного простирания (параллельно оси максимального сжатия) через Печенгскую впадину. В качестве основных элементов исходного структурирования модели были выбраны главные разрывные нарушения, включающие тектоническую границу проходящую по подошве ждановской свиты.

Моделирование проводилось путем поперечного (имитировавшего природное горизонтальное сжатие ЮЗ-СВ направления) 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 наносились 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 было выполнено шесть серий экспериментов на шести субпараллельных профилях.

Обобщение результатов моделирования на разрезах. 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 3D-модель (до глубины 15 км) вариаций напряженного состояния. Эта модель, построенная с помощью программного продукта IRAP RMS, 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 3D-модели наиболее хорошо выраженная цепочка повышенных значений напряжений протягивается вдоль Порьиташского разлома. Эта зона приподнята в центральной части (в районе профиля N 4). Она расположена на глубинах от 1 до 6 км, постепенно погружается в западном и восточном направлении, достигая глубины 12 км. Крупный максимум находится в пределах профиля N 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 N 2, 3, 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 Ламасского и Телевинского разломов (профиль N 5). Небольшой максимум фиксируется на профиле N 6 в зонах пересечения Телевинского и Кучимтундровского разломов и Олежарвинского с Кучимтундровским.

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 напряжениям по стволу СГ-3.

Изучение физических, в том числе упругих, параметров по разрезу Кольской сверхглубокой скважины открывает уникальную возможность представить реальную модель изменений 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 скважиной СГ-3. Результаты, полученные в последнее время, позволяют составить общее представление об упруго-анизотропных свойствах кристаллических пород разреза и, соответственно, об исходных параметрах напряжений.

Ф.Ф. Горбацевичем и Ю.П. Смирновым в разрезе СГ-3 были выделены 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 меняется 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 соотносятся с зонами повышенных 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.