Трещина — это любое разделение в геологической формации , например, соединение или разлом , который разделяет породу на две или более частей. Иногда трещина образует глубокую трещину или щель в породе. Трещины обычно возникают из-за напряжения, превышающего прочность породы, в результате чего порода теряет сцепление вдоль своей самой слабой плоскости. [1] Трещины могут обеспечивать проницаемость для движения жидкости , такой как вода или углеводороды . Сильно трещиноватые породы могут стать хорошими водоносными горизонтами или углеводородными резервуарами , поскольку они могут обладать как значительной проницаемостью , так и трещинной пористостью .
Трещины являются формами хрупкой деформации. [2] Существует два типа процессов первичной хрупкой деформации. Растяжение приводит к образованию соединений . Сдвиговые трещины являются первыми начальными разрывами, возникающими в результате сдвигающих сил, превышающих прочность сцепления в этой плоскости.
После этих двух начальных деформаций можно наблюдать несколько других типов вторичной хрупкой деформации, таких как фрикционное скольжение или катакластическое течение на реактивированных соединениях или разломах.
Чаще всего профили изломов имеют форму лезвия, эллипсоида или круга.
Трещины в горных породах могут образовываться как из-за сжатия, так и из-за растяжения. Трещины, вызванные сжатием, включают сбросы . Трещины также могут быть результатом сдвигового или растягивающего напряжения. Некоторые из основных механизмов обсуждаются ниже.
Во-первых, существует три типа переломов (независимо от механизма):
Более подробную информацию по этому вопросу см. в разделе Механика разрушения .
В горных породах содержится много уже существующих трещин, в которых можно исследовать развитие разрыва при растяжении или разрушения по типу I.
Первая форма — осевое растяжение. В этом случае применяется удаленное растягивающее напряжение σ n , позволяющее микротрещинам слегка раскрыться по всей области растяжения. По мере раскрытия этих трещин напряжения на кончиках трещин усиливаются, в конечном итоге превышая прочность породы и позволяя трещине распространяться. Это может происходить в периоды быстрой эрозии покрывающих пород. Складчатость также может обеспечивать растяжение, например, вдоль вершины оси антиклинальной складки. В этом сценарии растягивающие силы, связанные с растяжением верхней половины слоев во время складкообразования, могут вызывать разрывы растяжения, параллельные оси складки.
Другим, похожим механизмом разрыва при растяжении является гидравлический разрыв . В естественной среде это происходит, когда быстрое уплотнение осадка, расширение термической жидкости или закачка жидкости приводит к тому, что поровое давление жидкости, σ p , превышает давление наименьшего главного нормального напряжения, σ n . Когда это происходит, разрыв при растяжении открывается перпендикулярно плоскости наименьшего напряжения. [4]
Растяжение трещин может также быть вызвано приложенными сжимающими нагрузками, σ n , вдоль оси, как в бразильском испытании диска. [3] Эта приложенная сила сжатия приводит к продольному расщеплению. В этой ситуации крошечные разрывы растяжения образуются параллельно оси нагрузки, в то время как нагрузка также заставляет любые другие микротрещины закрываться. Чтобы представить это, представьте себе оболочку с нагрузкой сверху. Нагрузка прикладывается к верхнему краю, стороны оболочки открываются наружу, хотя на них ничего не тянет. Быстрое осаждение и уплотнение иногда могут вызывать эти трещины.
Разрывы при растяжении почти всегда называют суставами , то есть переломами, при которых не наблюдается заметного скольжения или сдвига.
Чтобы полностью понять эффекты приложенного растягивающего напряжения вокруг трещины в хрупком материале, таком как скала, можно использовать механику разрушения . Концепция механики разрушения была первоначально разработана А. А. Гриффитом во время Первой мировой войны. Гриффит рассматривал энергию, необходимую для создания новых поверхностей путем разрыва материальных связей, в сравнении с упругой энергией деформации растянутых связей, освобожденных. Анализируя стержень под равномерным натяжением, Гриффит определил выражение для критического напряжения, при котором будет расти благоприятно ориентированная трещина. Критическое напряжение при разрушении определяется как,
[4]
где γ = поверхностная энергия, связанная с разорванными связями, E = модуль Юнга , а a = половина длины трещины. Механика разрушения обобщила, что γ представляет собой энергию, рассеиваемую при разрушении, а не только энергию, связанную с созданием новых поверхностей
Линейная упругая механика разрушения (LEFM) строится на подходе баланса энергии, принятом Гриффитом, но обеспечивает более обобщенный подход для многих проблем трещин. LEFM исследует поле напряжений вблизи вершины трещины и основывает критерии разрушения на параметрах поля напряжений. Одним из важных вкладов LEFM является коэффициент интенсивности напряжений , K, который используется для прогнозирования напряжения в вершине трещины. Поле напряжений задается как
где — коэффициент интенсивности напряжений для трещин в режиме I, II или III, а — безразмерная величина, которая изменяется в зависимости от приложенной нагрузки и геометрии образца. По мере приближения поля напряжений к вершине трещины, т. е . , становится фиксированной функцией . Зная геометрию трещины и приложенные напряжения в дальней зоне, можно предсказать напряжения в вершине трещины, смещение и рост. Скорость высвобождения энергии определяется для связи K с энергетическим балансом Гриффита, как было определено ранее. В обоих подходах LEFM и баланса энергии предполагается, что трещина не имеет сцепления за вершиной трещины. Это создает проблему для геологических приложений, таких как разлом, где трение существует по всему разлому. Преодоление трения поглощает часть энергии, которая в противном случае пошла бы на рост трещины. Это означает, что для роста трещин в режимах II и III LEFM и балансы энергии представляют собой локальные трещины напряжения, а не глобальные критерии.
Трещины в горной породе не образуют гладкую траекторию, как трещина в лобовом стекле автомобиля или высокопластичная трещина, как порванный пластиковый пакет из продуктов. Горные породы являются поликристаллическим материалом, поэтому трещины растут за счет слияния сложных микротрещин, которые возникают перед вершиной трещины. Эта область микротрещин называется зоной хрупкого процесса. [4] Рассмотрим упрощенную двухмерную сдвиговую трещину, как показано на изображении справа. Сдвиговая трещина, показанная синим цветом, распространяется, когда трещины растяжения, показанные красным цветом, растут перпендикулярно направлению наименьших главных напряжений. Трещины растяжения распространяются на небольшое расстояние, затем становятся стабильными, позволяя сдвиговой трещине распространяться. [5] Этот тип распространения трещин следует рассматривать только в качестве примера. Разрушение в горной породе представляет собой трехмерный процесс с трещинами, растущими во всех направлениях. Также важно отметить, что как только трещина растет, микротрещины в зоне хрупкого процесса остаются позади, оставляя ослабленный участок горной породы. Этот ослабленный участок более восприимчив к изменениям порового давления и расширения или уплотнения. Обратите внимание, что это описание формирования и распространения учитывает температуры и давления вблизи поверхности Земли. Горные породы глубоко под землей подвержены очень высоким температурам и давлениям. Это заставляет их вести себя в полухрупком и пластичном режимах, что приводит к существенно разным механизмам разрушения. В пластичном режиме трещины ведут себя как разрываемый пластиковый пакет. В этом случае напряжение на вершинах трещины идет по двум механизмам, один из которых будет управлять распространением трещины, а другой — притуплять вершину трещины . [6] В зоне хрупко-пластичного перехода материал будет проявлять как хрупкие, так и пластичные черты с постепенным наступлением пластичности в поликристаллической породе. Основная форма деформации называется катакластическим течением, которое приводит к разрушению и распространению трещин из-за смеси хрупко-фрикционных и пластических деформаций.
Описание суставов может быть сложным, особенно без визуальных данных. Ниже приведены описания типичных геометрий суставов естественного излома, которые могут встречаться в полевых исследованиях: [7]
Разломы являются еще одной формой трещин в геологической среде. При любом типе разлома активная трещина испытывает сдвиговое разрушение, поскольку грани трещины скользят относительно друг друга. В результате эти трещины кажутся крупномасштабными представлениями трещин II и III режима, однако это не обязательно так. В таком большом масштабе, как только происходит сдвиговое разрушение, трещина начинает искривляться в том же направлении, что и трещины растяжения. Другими словами, разлом обычно пытается ориентироваться перпендикулярно плоскости наименьшего главного напряжения. Это приводит к сдвигу вне плоскости относительно исходной плоскости отсчета. Поэтому их не обязательно можно квалифицировать как трещины II или III режима. [7]
Дополнительной важной характеристикой сдвиговых трещин является процесс, посредством которого они порождают трещины крыла , которые являются трещинами растяжения, образующимися на кончике распространения сдвиговых трещин. Поскольку грани скользят в противоположных направлениях, на кончике создается напряжение, и создается трещина моды I в направлении σ h-max , которое является направлением максимального главного напряжения.
Критерий разрушения при сдвиге — это выражение, которое пытается описать напряжение, при котором сдвиговой разрыв создает трещину и разделение. Этот критерий в значительной степени основан на работе Чарльза Кулона, который предположил, что пока все напряжения являются сжимающими, как в случае с разрушением при сдвиге, сдвиговое напряжение связано с нормальным напряжением следующим образом:
σ s = C+μ(σ n -σ f ), [7]
где C — сцепление породы или касательное напряжение, необходимое для разрушения, при условии, что нормальное напряжение поперек этой плоскости равно 0. μ — коэффициент внутреннего трения, который служит константой пропорциональности в геологии. σ n — нормальное напряжение поперек трещины в момент разрушения, σ f — давление поровой жидкости. Важно отметить, что давление поровой жидкости оказывает значительное влияние на касательное напряжение, особенно там, где давление поровой жидкости приближается к литостатическому давлению , которое является нормальным давлением, вызванным весом вышележащей породы.
Это соотношение служит для определения огибающей кулоновского провала в теории Мора-Кулона .
Фрикционное скольжение является одним из аспектов, которые следует учитывать при сдвиговом разрыве и разломообразовании. Сила сдвига, параллельная плоскости, должна преодолеть силу трения, чтобы сдвинуть грани трещины друг относительно друга. При разрыве фрикционное скольжение обычно оказывает существенное влияние только на реактивацию существующих сдвиговых трещин. Для получения дополнительной информации о силах трения см. раздел трение .
Сдвиговая сила, необходимая для смещения разлома, меньше силы, необходимой для разрушения и создания новых разломов, как показано на диаграмме Мора-Кулона . Поскольку земля полна существующих трещин, а это означает, что для любого приложенного напряжения многие из этих трещин с большей вероятностью будут смещаться и перераспределять напряжение, чем возникать новые трещины. Показанная диаграмма Мора дает наглядный пример. Для заданного напряженного состояния в земле, если существующий разлом или трещина существуют, ориентированные где-то от −α/4 до +α/4, этот разлом будет смещаться до того, как будет достигнута прочность породы и сформируется новый разлом. Хотя приложенные напряжения могут быть достаточно высокими, чтобы образовать новый разлом, существующие плоскости разрушения будут смещаться до того, как произойдет разрушение.
Одной из важных идей при оценке поведения трения внутри трещины является влияние неровностей , которые являются неровностями, выступающими из шероховатых поверхностей трещин. Поскольку обе поверхности имеют выпуклости и выступающие части, не вся поверхность трещины фактически касается другой поверхности. Кумулятивное влияние неровностей заключается в уменьшении реальной площади контакта , что важно при установлении сил трения. [7]
Иногда жидкости внутри трещины могут вызывать распространение трещины при гораздо более низком давлении, чем первоначально требовалось. Реакция между определенными жидкостями и минералами, из которых состоит порода, может снизить напряжение, необходимое для разрушения, ниже напряжения, необходимого для остальной части породы. Например, вода и кварц могут реагировать, образуя замену молекул O молекулами OH в решетке кварцевого минерала вблизи вершины трещины. Поскольку связь OH намного ниже, чем с O, она эффективно снижает необходимое растягивающее напряжение, необходимое для расширения трещины. [7]
В геотехнической инженерии трещина образует нарушение сплошности , которое может оказывать большое влияние на механическое поведение (прочность, деформация и т. д.) грунта и скальных массивов, например, при строительстве туннелей , фундаментов или склонов .
Трещины также играют важную роль в добыче полезных ископаемых. Одним из аспектов энергетического сектора является добыча из естественно трещиноватых пластов. В Соединенных Штатах имеется большое количество естественно трещиноватых пластов, и за последнее столетие они обеспечили существенный прирост чистой добычи углеводородов в стране.
Ключевая концепция заключается в том, что хотя низкопористые, хрупкие породы могут иметь очень малую естественную способность хранения или потока, порода подвергается напряжениям, которые генерируют трещины, и эти трещины на самом деле могут хранить очень большой объем углеводородов, которые могут быть извлечены с очень высокой скоростью. Одним из самых известных примеров плодородного естественно трещиноватого резервуара является формация Остин Чок в Южном Техасе. Мел имел очень маленькую пористость и еще меньшую проницаемость. Однако тектонические напряжения с течением времени создали один из самых обширных трещиноватых резервуаров в мире. Прогнозируя местоположение и связанность сетей трещин, геологи смогли спланировать горизонтальные стволы скважин, чтобы пересечь как можно больше сетей трещин. Многие люди приписывают этому месторождению рождение настоящего горизонтального бурения в контексте разработки. Другим примером в Южном Техасе являются известняковые формации Джорджтаун и Буда.
Более того, недавний рост распространенности нетрадиционных резервуаров на самом деле является, отчасти, продуктом естественных трещин. В этом случае эти микротрещины аналогичны трещинам Гриффита, однако они часто могут быть достаточными для обеспечения необходимой производительности, особенно после завершения, чтобы сделать то, что раньше было малорентабельными зонами, коммерчески продуктивными с повторяющимся успехом.
Однако, хотя естественные трещины часто могут быть полезными, они также могут выступать в качестве потенциальных опасностей при бурении скважин. Естественные трещины могут иметь очень высокую проницаемость , и, как следствие, любые различия в гидростатическом балансе вниз по скважине могут привести к проблемам управления скважиной. Если встречается система естественных трещин с более высоким давлением, быстрая скорость, с которой пластовая жидкость может течь в ствол скважины, может привести к быстрому перерастанию ситуации в выброс, либо на поверхности, либо в более высоком подземном пласте. И наоборот, если встречается сеть трещин с более низким давлением, жидкость из ствола скважины может очень быстро течь в трещины, вызывая потерю гидростатического давления и создавая потенциал для выброса из пласта дальше вверх по стволу скважины.
С середины 1980-х годов 2D и 3D компьютерное моделирование сетей разломов и трещин стало обычной практикой в науках о Земле. [8] Эта технология стала известна как моделирование «DFN» (дискретная сеть трещин) [9] , позже преобразованное в моделирование «DFFN» (дискретная сеть разломов и трещин) [10] .
Технология состоит из определения статистических вариаций различных параметров, таких как размер, форма и ориентация, и моделирования сети трещин в пространстве полувероятностным способом в двух или трех измерениях. Компьютерные алгоритмы и скорость вычислений стали достаточно способны захватывать и моделировать сложности и геологические изменчивости в трех измерениях, что проявилось в том, что стало известно как «Протокол DMX». [11]
Список терминов, связанных с переломами: [7] [12]
