Гидрогеология зоны разлома - это изучение того, как хрупко деформированные породы изменяют потоки жидкости в различных литологических условиях , таких как обломочные , магматические и карбонатные породы . [1] Движение жидкости, которое можно количественно определить как проницаемость , может быть облегчено или затруднено из-за существования зоны разлома . [1] Это происходит потому, что различные механизмы, которые деформируют породы, могут изменять пористость и проницаемость в пределах зоны разлома. [1] [2] Жидкости, вовлеченные в систему разлома, обычно представляют собой грунтовые воды (пресные и морские воды) и углеводороды (нефть и газ). [3]
Обратите внимание, что проницаемость (k) и гидравлическая проводимость (K) используются в этой статье взаимозаменяемо для упрощения понимания.
Зону разлома можно в целом разделить на две основные части: ядро разлома (FC) и зону повреждения (DZ) [4] [5] (рисунок 1).
Ядро разлома окружено зоной повреждения. Оно имеет измеримую толщину, которая увеличивается с броском и смещением разлома, т.е. увеличением деформаций . [1]
Зона повреждения охватывает ядро разлома неравномерно в трехмерном виде, ширина которого может составлять от нескольких метров до нескольких сотен метров (перпендикулярно зоне разлома). [6] В пределах большой системы разломов можно обнаружить несколько ядер разломов и зон повреждения. [1] Более молодые ядра разломов и зоны повреждения могут перекрывать более старые.
Различные процессы могут изменять проницаемость зоны разлома в ядре разлома, а зона повреждения будет обсуждаться соответственно в следующем разделе. В целом, проницаемость зоны повреждения на несколько порядков выше, чем у ядра разлома, поскольку зоны повреждения обычно действуют как каналы (будет обсуждаться в разделе 3). [7] В зоне повреждения проницаемость уменьшается по мере удаления от ядра разлома. [7]
Существует множество классификаций для группировки зон разломов на основе их моделей проницаемости. Некоторые термины взаимозаменяемы, а некоторые имеют разные подгруппы. Большинство выражений перечислены в следующей таблице для сравнения. Категоризация Дикерсона широко используется и более проста для понимания в широком спектре исследований. [4]
Классификация зоны разлома может меняться в пространстве и во времени. Ядро разлома и зона повреждения могут вести себя по-разному, чтобы приспособиться к деформациям . [1] Более того, зона разлома может быть динамической во времени. Таким образом, модели проницаемости могут меняться для краткосрочных и долгосрочных эффектов. [1]
*K = Проницаемость/ Гидравлическая проводимость
*fz = зона разлома
*hr = вмещающая порода = недеформированная порода окружает зоны разломов
Зона разлома возникает в результате хрупкой деформации . [3] Многочисленные механизмы могут изменять проницаемость зоны разлома. Некоторые процессы временно влияют на проницаемость. Эти процессы увеличивают проницаемость на определенный период, а затем уменьшают ее позже: в этом случае, как и при сейсмических событиях, проницаемость не является постоянной во времени. [11] Физические и химические реакции являются основными типами механизмов. [1] Различные механизмы могут происходить по-разному в ядре разлома и зоне повреждения, поскольку интенсивности деформации, которые они испытывают, различны (таблица 3).
*+ = более вероятно, произойдет в
Образование полосы расширения в неконсолидированном материале является ранним результатом приложения растягивающих сил. [1] Разрушение минеральной структуры происходит вместе с полосой, однако никакого смещения за счет перемещения зерен не происходит [1] (рисунок 3).
Дальнейшая деформация вызывает смещения минеральных зерен путем вращения и скольжения. [3] Это называется полосой сдвига. Сеть пор перестраивается гранулярными движениями (также называемыми потоком частиц), следовательно, умеренно повышает проницаемость. Однако продолжающаяся деформация приводит к катаклазу минеральных зерен, что впоследствии еще больше снижает проницаемость (раздел 3.2.3) [1] (рисунок 4).
Брекчирование относится к образованию угловатых, крупнозернистых фрагментов, внедренных в мелкозернистую матрицу . [13] Поскольку брекчия (порода, подвергшаяся брекчированию) часто является несвязной, проницаемость может быть увеличена до четырех или пяти порядков. [1] Однако пустотное пространство, увеличенное брекчированием, приведет к дальнейшему смещению вдоль зоны разлома за счет цементации, что приведет к сильному снижению проницаемости [1] (рисунок 5).
Трещины распространяются вдоль зоны разлома в направлении, соответствующем приложенному напряжению. [5] Повышение проницаемости контролируется плотностью, ориентацией, распределением длины, апертурой и связностью трещин. [4] Даже трещина с апертурой 100-250 мкм все еще может значительно влиять на движение жидкости (рисунок 6). [1]
Осадки, как правило, из различных формаций, с разными размерами зерен, физически смешиваются деформацией, что приводит к более плохо отсортированной смеси. Поровое пространство заполняется более мелкими зернами, увеличивая извилистость (в данном случае минеральный масштаб) потока жидкости через систему разломов. [1]
Глинистые минералы являются филлосиликатными , другими словами, имеют пластинчатую структуру. [14] Они являются эффективными агентами, которые блокируют потоки жидкости через зону разлома. [14] Глинистые пятна, деформированные слои глины, которые развиваются вдоль зоны разлома, могут действовать как изоляция углеводородного резервуара, т.е. иметь чрезвычайно низкую проницаемость, которая почти препятствует всем потокам жидкости (рисунок 7). [1]
Катаклаз относится к всепроникающему хрупкому разрушению и измельчению зерен. [15] Этот механизм становится доминирующим на глубине более 1 км и с более крупными зернами. [1] С увеличением интенсивности катаклаза образуются разломы , часто с присутствием глины. [1] Наибольшее сокращение происходит на потоках, перпендикулярных полосе. [1]
Уплотнения и цементация обычно приводят к снижению проницаемости за счет потери пористости. [1] Когда большая область, состоящая из зоны разлома, испытывает уплотнение и цементацию, потеря пористости во вмещающей породе (недеформированная порода, окружающая зону разлома) может быть больше, чем у породы зоны разлома. Следовательно, жидкости вынуждены течь через зону разлома. [1]
Растворенные вещества, переносимые флюидами, могут либо повышать, либо понижать проницаемость за счет растворения или осаждения (цементации). [1] [16] Какой именно процесс происходит, зависит от геохимических условий, таких как состав породы, концентрация растворенных веществ, температура и т. д. [1] Изменения пористости в основном контролируют, продолжается ли взаимодействие флюида с породой или замедляется в качестве сильной реакции обратной связи .
Например, такие минералы, как карбонаты , кварц и полевые шпаты, растворяются при взаимодействии жидкости с породой из-за повышенной проницаемости. [1] Дальнейшее введение жидкостей может либо непрерывно растворять, либо иным образом повторно осаждаться минералы в ядре разлома, и таким образом изменять проницаемость. [1] Поэтому то, будет ли обратная связь положительной или отрицательной, в значительной степени зависит от геохимических условий.
Землетрясения могут либо увеличивать, либо уменьшать проницаемость вдоль зон разломов, в зависимости от гидрогеологических условий. Зарегистрированные выбросы горячих источников показывают, что сейсмические волны в основном увеличивают проницаемость, [11] [17] [18] но иногда может происходить и уменьшение выброса. [19] Временные масштабы изменений могут достигать тысяч лет. [16] Гидравлический разрыв пласта (фрекинг) требует увеличения взаимосвязанности порового пространства (другими словами, проницаемости) сланца, чтобы позволить газу течь через породу, и очень небольшая преднамеренно вызванная сейсмическая активность магнитудой меньше 1 применяется для увеличения проницаемости породы. [20]
Если взять в качестве примера землетрясение в Чили в 2017 году , то временное увеличение расхода речного потока в шесть раз указывает на шестикратное увеличение проницаемости вдоль зоны разлома. [11] Тем не менее, сейсмические эффекты являются временными и обычно длятся месяцами; в случае Чили они длились полтора месяца, а затем постепенно снижались до первоначального расхода. [11]
Пористость (φ) напрямую отражает специфическое хранение породы. А хрупкое образование изменяет поры различными механизмами. Если поры деформированы и соединены вместе, проницаемость породы увеличивается. [2] С другой стороны, если деформированные поры разъединяются друг с другом, проницаемость породы в этом случае уменьшается. [2]
Минеральные зерна могут растворяться при наличии потока жидкости. Пространства, изначально занятые минералами, будут свободны как пустоты, увеличивая пористость породы. [2] Минералы, которые обычно растворяются, это полевой шпат , кальцит и кварц . [1] Поры растворения зерен , возникающие в результате этого процесса, могут увеличивать пористость.
Минеральные зерна разбиваются на более мелкие части в результате разлома. Эти более мелкие фрагменты будут реорганизованы и далее уплотнены, образуя более мелкие поровые пространства. [2] Эти процессы создают внутризерновые поры трещин и трансзерновые поры трещин.
Важно знать, что уменьшение пористости не равнозначно уменьшению проницаемости. Трещины, брачификация и начальная стадия катаклаза могут соединять поровые пространства трещинами и полосами расширения, увеличивая проницаемость. [2]
Минеральные зерна могут осаждаться при наличии потока жидкости. Пустоты в породах могут быть заняты осаждением минеральных зерен. Минералы заполняют пустоты и, следовательно, уменьшают пористость. [1] Разрастание, осаждение вокруг существующего минерального зерна кварца является обычным явлением. [2] А разросшиеся минералы заполняют уже существующие поры, уменьшая пористость. [2]
Глинистые минералы являются филлосиликатными , другими словами, имеют пластинчатую структуру. [14] Они являются эффективными агентами, которые блокируют потоки жидкости. Каолинит , который изменяется из калиевого полевого шпата в присутствии воды, является распространенным минералом, который заполняет поры. [2] Осадки и инфильтрация влияют только на материалы на небольшой глубине, следовательно, больше глинистых материалов заполняют поры, когда они находятся ближе к поверхности. Тем не менее, развитие зоны разлома приводит к тому, что жидкость течет глубже. [2] Таким образом, это способствует отложению глины на глубине, уменьшая пористость.
Литология оказывает доминирующее влияние на контроль механизмов, которые будут иметь место вдоль зоны разлома, следовательно, изменяя пористость и проницаемость. [1]
*↑ = механизм, повышающий проницаемость
*↓ = механизм, снижающий проницаемость
Все сбросы можно разделить на три типа. Это нормальный сброс , обратный сброс (надвиг) и сдвиг . Эти различные типы сбросов обеспечивают смещение различными структурными способами.
Различия в движениях сбросов могут благоприятствовать или не благоприятствовать определенным механизмам изменения проницаемости. [1] Однако основным контролирующим фактором проницаемости является тип породы. [1] Поскольку характеристики породы контролируют, как может развиваться зона сброса и как могут перемещаться жидкости. Например, песчаник, как правило, имеет более высокую пористость , чем сланец. Деформированный песчаник в трех различных системах сбросов должен иметь более высокую удельную емкость , а значит, и проницаемость, чем сланец. Подобный пример, как прочность (сопротивление деформации), также значительно зависит от типов породы, а не от типов сбросов. Таким образом, геологические особенности породы, вовлеченной в зону сброса, являются более доминирующим фактором. [1] [2]
С другой стороны, тип разлома может не быть доминирующим фактором, а вот интенсивность деформации является. [1] [6] Чем выше интенсивность напряжений, приложенных к породе, тем сильнее она будет деформирована. Порода испытает большее событие изменения проницаемости. Таким образом, величина приложенного напряжения имеет значение.
Не менее важно, что определение категории проницаемости зон разломов (барьеров, барьеров-каналов и каналов) является основной областью исследования. [1] Другими словами, как ведут себя зоны разломов при прохождении через них флюидов.
Исследования зон разломов признаны дисциплиной структурной геологии , поскольку она занимается изучением того, как деформировались горные породы; в то время как исследования движения флюидов сгруппированы в области гидрологии . [1] [4] Существует в основном два типа методов, используемых для изучения зон разломов структурными геологами и гидрологами (рисунок 7).
Испытание на месте включает получение данных из скважин , кернов и проектов туннелирования. [1] Обычно существование зоны разлома обнаруживается по измерению различных гидравлических свойств по всей ее протяженности, поскольку зоны разломов редко бурятся (за исключением проектов туннелирования) (рисунок 8).
Гидравлические свойства горных пород определяются либо непосредственно из образцов, взятых с обнажений , либо из неглубоких зондирующих скважин/ разведочных шурфов [1], затем для горных пород на глубине делаются прогнозы структуры разломов (рисунок 8).
Пример крупномасштабного испытания водоносного горизонта , проведенного Хэдли (2020), автор использовал 5 скважин, выровненных перпендикулярно зоне разлома Сэндвич в США, и наблюдал просадки , а также скорости восстановления уровня воды в каждой скважине. [3] Из доказательств того, что скорости восстановления ниже для скважин, расположенных ближе к зоне разлома, предполагается, что зона разлома действует как барьер для движения грунтовых вод на север, влияя на запасы пресной воды на севере. [3]
Из исследования обнажения разлома Зуккале в Италии, проведенного Musumeci (2015), выводы о поверхностном обнажении и взаимосвязи поперечных сечений используются для определения количества и механизма деформационных событий, произошедших в регионе. [25] Более того, присутствие брекчий и катаклазитов, которые образовались при хрупкой деформации, [25] предполагает, что существовала начальная стадия увеличения проницаемости, способствующая притоку богатых CO 2 водных флюидов . [26] Флюиды вызвали низкосортный метаморфизм и растворение и осаждение (т. е. растворение под давлением ) в минеральной окалине, которая сформировала слоистое ядро разлома, следовательно, значительно усиливая эффект уплотнения. [26]
Подземные жидкости, в частности грунтовые воды, создают аномалии для сверхпроводящих гравитационных данных , которые помогают изучать зону разлома на глубине. [27] Метод объединяет гравитационные данные и условия грунтовых вод, чтобы определить не только проницаемость зоны разлома, но и является ли зона разлома активной или нет. [27]
Геохимические условия минеральных жидкостей, воды или газов, могут быть использованы для определения существования зоны разлома путем сравнения геохимии источника жидкостей, при условии, что известны условия водоносных горизонтов . [28] Жидкости могут быть классифицированы по концентрациям общих растворенных веществ, таких как общее количество растворенных твердых веществ (TDS) , фаза Mg - Ca - Na / K , фаза SO4 - HCO3 - Cl и другие растворенные следовые элементы . [28] [29]
Выбор подходящего подхода(ов) к изучению имеет важное значение, поскольку при определении структуры проницаемости зоны разлома существуют погрешности. [4]
В кристаллических породах исследования, сфокусированные на подземных исследованиях, благоприятствуют открытию структуры зоны разлома канала; в то время как поверхностные методы благоприятствуют комбинированной структуре зоны разлома барьер-канал. [4] Те же самые отклонения, в меньшей степени, существуют и в осадочных породах . [4]
Предубеждения могут быть связаны с различиями в масштабах изучения. Для структурных геологов очень сложно проводить исследование обнажений на обширном участке; аналогично, для гидрологов дорого и неэффективно сокращать интервалы между скважинами для тестирования. [4]
Экономически целесообразно изучать сложную систему, особенно для засушливых/полузасушливых регионов, [30] где ресурсы пресной воды ограничены, и потенциальных областей с хранилищами углеводородов. [1] [3] [21] Дальнейшие исследования зоны разлома, являющейся результатом деформации, дали представление о взаимодействии между землетрясениями и гидротермальными жидкостями вдоль зоны разлома. [16] [27] Более того, гидротермальные жидкости, связанные с зоной разлома, также предоставляют информацию о том, как накапливались рудные месторождения . [16]
Секвестрация углерода — это современный метод, работающий с атмосферным углеродом . Одним из методов является закачка атмосферного углерода в определенные истощенные нефтяные и газовые резервуары на глубине. Однако наличие зоны разлома действует как уплотнение или канал, [21] влияя на эффективность образования углеводородов.
Микротрещины, которые пересекают уплотнительную единицу и породу коллектора, могут значительно повлиять на миграцию углеводородов. [21] Полоса деформации блокирует боковой (горизонтальный) поток CO2 , а уплотнительная единица удерживает CO2 от вертикальной миграции [21] (Gif 1). Распространение микротрещины , которая пересекает уплотнительную единицу, вместо того, чтобы иметь деформационную полосу внутри уплотнительной единицы, облегчает восходящую миграцию CO2 ( Gif 2). Это позволяет жидкости перемещаться из одного резервуара в другой. [21] В этом случае полоса деформации по-прежнему не облегчает боковой (горизонтальный) поток жидкости. [21] Это может привести к потере закачанного атмосферного углерода, что снизит эффективность связывания углерода.
Зона разлома, которая смещает герметизирующие единицы и породы-коллекторы, может выступать в качестве канала для миграции углеводородов. [6] Сама зона разлома имеет более высокую емкость хранения (удельную емкость) , чем у пород-коллекторов, поэтому перед миграцией в другие единицы зона разлома должна быть полностью заполнена [6] (Gif 3). Это может замедлить и сконцентрировать миграцию жидкости. Зона разлома способствует вертикальному нисходящему движению CO2 из -за его плавучести и разницы в пьезометрическом напоре , т.е. давление / гидравлический напор больше на большей высоте, что помогает хранить CO2 на глубине. [6]
Регионы, которые являются или были сейсмически активными и с наличием зон разломов, могут указывать на наличие рудных месторождений . Исследование случая в Неваде, США, проведенное Хоуальдом (2015), изучало, как сейсмически вызванные флюиды накапливают минеральные отложения , а именно агломерат и золото , вдоль пространств, образованных зоной разлома. Были идентифицированы и датированы два отдельных сейсмических события по концентрациям изотопов кислорода , за которыми последовали эпизоды восходящей миграции гидротермальных флюидов через проницаемую нормальную зону разлома. [16] Минерализация началась, когда эти горячие гидротермальные флюиды, богатые кремнием, встретились с холодной метеорной водой, просачивающейся вдоль зоны разлома, пока система конвективного потока не была закрыта. [ 16] Для отложения минералов сейсмические события, которые приносят гидротермальные флюиды, не являются единственным доминирующим фактором, проницаемость зоны разлома также должна быть достаточной для пропуска потоков флюидов. [16]
Другой пример, взятый из Sheldon (2005), также показывает, что развитие зоны разлома, в данном случае путем сдвигового сброса , способствует минерализации. Внезапное расширение, произошедшее вместе со сдвиговыми событиями, увеличивает пористость и проницаемость вдоль зоны разлома. [31] Большее смещение приведет к большему увеличению пористости. [31] Если событие сброса прорезает уплотнительную единицу , которая герметизирует ограниченный водоносный горизонт жидкостей под избыточным давлением, жидкости могут подняться через зону разлома. [31] Затем минерализация будет происходить вдоль зоны разлома путем растворения под давлением , [31] уменьшая пористость зоны разлома. Канал потока жидкости вдоль зоны разлома будет закрыт, когда поры будут почти заняты вновь осажденными рудными минералами. [31] Для образования этих экономических рудных месторождений с жильной структурой должны произойти множественные сейсмические события. [31]
{{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite book}}
: CS1 maint: другие ( ссылка )