анизотропия упругих свойств горных пород и состояние

АНИЗОТРОПИЯ УПРУГИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД
И СОСТОЯНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ КОРЫ В РАЗРЕЗЕ
КОЛЬСКОЙ СВЕРХГЛУБОКОЙ СКВАЖИНЫ
Ильченко В.Л., Горбацевич Ф.Ф. Геологический институт Кольского НЦ РАН
Одним из главных способов поиска и разведки месторождений полезных ископаемых
по-прежнему остается бурение скважин. Всё меньше остается ненайденных
месторождений, расположенных на небольших глубинах. Поэтому сверхглубокие
скважины, пройденные с научными целями с непрерывным отбором керна являются
необходимыми для создания основ освоения месторождений полезных ископаемых,
расположенных на больших глубинах. Анализ керна по всей длине сверхглубоких
скважин позволяет реконструировать древние геодинамические события, получать
данные о структуре и закономерностях эволюции напряженно-деформированного
состояния литосферы в настоящее время и, таким образом, прогнозировать
нежелательные события, которые могут повлечь за собой техногенные воздействия
человека на геологическую среду в будущем.
Практически на всех разрезах глубоких и сверхглубоких скважин, пройденных в
кристаллических породах, по крайней мере, для нижних горизонтов, наблюдается явное
расхождение между результатами интерпретации геофизической информации и
вскрытым геологическим разрезом. Для Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3),
например, удовлетворительное соответствие между геофизикой и геологией разреза
получено лишь до глубины около 4,5 км. Это расхождение во многом объяснилось при
анализе результатов изучения анизотропии упругих свойств керна этой скважины. На
глубине около 4,43 км проходит тектоническая граница (Лучломпольский разлом),
которая делит вскрытый скважиной массив на преимущественно слабо анизотропную
верхнюю часть и нижнюю, где преобладают сильно анизотропные породы,
проявляющие в большинстве своём орторомбический тип упругой симметрии и
проявляющие эффект линейной акустической анизотропии поглощения [1].
При изучении керна СГ-3 [2], Немецкой (КТБ) [3], Уральской [4] и некоторых других
глубоких скважин было установлено, что разрезы этих скважин по большей части
сложены породами, проявляющими анизотропию упругих свойств.
Как правило, элементы упругой симметрии образцов керна из скважин (и образцов с
поверхности [5]) не совпадают с ориентировками их текстур и старых (залеченных)
трещин. Такие несовпадения являются свидетельством суперпозиции геодинамических
режимов. При этом текстура породы (гнейсовидность, сланцеватость, линейность и
прочие) является результатом воздействия палеогеодинамических событий.
Пространственное положение элементов упругой симметрии, выявляемое при
исследованиях, отражает совокупное влияние изменений, обусловленных более
молодыми, действующими ближе к настоящему времени динамическими процессами.
Эти процессы ещё не успели привести к переупаковке зерен и текстурно-структурной
перестройке породы. Такие выводы вытекают, например, из анализа анизотропии
упругих свойств образцов керна СГ-3, отобранного из интервалов на глубине 1.7-1.9
км. В пределах этого участка в толщу метаосадков внедрено тело метабазитов с медноникелевым оруденением [6]. В интервале 4,3-5,0 км, который является зоной мощного
динамического воздействия [7], обусловленного сдвигом Лучломпольского разлома и в
интервале 9-11 км, породы которого находятся в весьма сложном напряженнодеформированном состоянии: во время проходки скважины наблюдались аномально
высокие скорости бурения. Влияние геодинамической обстановки в массиве в
окрестности СГ-3 происходит и в настоящее время, что довольно ярко выражено в
повышенной вывалоопасности стенок скважины и высокими показателями
анизотропии упругих свойств образцов керна (рис.1).
Ранее было установлено [9], что анизотропия упругих свойств пород является основной
причиной, отклоняющей от вертикали буровой инструмент, который в процессе
бурения стремится занять положение, нормальное к поверхности напластования и,
соответственно, плоскости упругой симметрии породы. Это обстоятельство позволило
построить модель упругой анизотропии и палеонапряжений массива, пройденного СГ-3
с выделением в этом массиве десяти структурно-анизотропных этажей (рис.2) [10].
Из анализа модели упругой анизотропии и палеонапряжений [10] в разрезе СГ-3 (рис.2)
можно сделать вывод о том, что данный разрез является ритмично расслоенным и это
расслоение выражено в чередовании интервалов, в которых направления максимальных
сжимающих напряжений отличаются на угол около 90о. Для структурно-анизотропных
этажей №№ 8 и 10 – это направление ЮВ 125-130о, для этажей №№ 4, 6, 9 - СВ 28-37о.
Кроме этого, здесь имеет место суперпозиция как минимум 2-х геодинамических
режимов, что выражено в появлении этажей №№ 5 и 7, имеющих субмеридианальную
ориентировку направления максимальных сжимающих напряжений.
Рис.1. Параметры упругой анизотропии пород по разрезу СГ-3: а – распределение
единичных значений показателя анизотропии В и поперечного размера скважины Р: 1диабазы, перидотиты, 2-амфиболиты, сланцы, 3-гнейсы, граниты, мигматиты, 4филлиты, туфы, 5-песчаники, алевролиты, 6-порфириты, 7-средний поперечный
интервальный размер Р скважины; б – распределение единичных значений угла α
(незалитые значки) между плоскостью упругой анизотропии пород и осью скважины и
угла γ (залитые значки) сланцеватости (слоистости, полосчатости) по отношению к
той же оси: 1-схема отсчета углов α и γ, 2-диабазы, 3-амфиболиты, перидотиты,
сланцы, 4-гнейсы, граниты, мигматиты, 5-филлиты, туфы, 6-песчаники, алевролиты,
7-порфириты.
Рис.2. Модель упругой анизотропии (а) и палеонапряжений (б) по разрезу СГ-3: 1-10 –
структурно-анизотропные этажи, различающиеся параметрами пространственного
положения плоскости анизотропии.
Установлено (на примерах СГ-3 [11] и КТБ [12]), что существует и другой – ритмичный
- тип расслоенности, который заключается в преобладании в чередующихся по разрезу
слоях либо вертикальной, либо горизонтальной компонент поля напряжений, что
аналогично распространению в какой-либо среде волны со сменой зон сжатия зонами
разрежения. Волнообразный характер наблюдается по всему разрезу СГ-3, проявляясь в
вариациях формы сечения ствола (круглая – эллиптическая) и его диаметра [10].
Вариации высоты столбиков керна по разрезу СГ-3 также носят волнообразный
характер (рис.3) [13]. По нашему мнению, минеральный состав и структура, от которых
зависит прочность горных пород, играют второстепенное значение, а главную роль в
расслоении принадлежит геодинамическим процессам. Геодинамические же процессы
действуют в соответствии с силами, обусловленными гравитационным межпланетным
(лунно-солнечным) взаимодействием, порождающим постоянное воздействие на
литосферу волн деформации [14] и глобальными движениями литосферных плит.
Иначе говоря, отдельные литосферные блоки находятся в поле постоянного
преобладающего бокового давления, которое сопровождается ритмичным волновым
воздействием сверху.
Рис.3.
Вариации
средней
высоты
извлеченного на поверхность керна СГ-3:
1 - с применением снаряда КДМ-195214/60, при скорости вращения долота
1250 об./мин; 2 - то же, скорость
вращения 350 об./мин; 3 - с применением
снаряда МАГ-195-214/60, при скорости
вращения долота 1250 об./мин; 4 - то
же, скорость вращения 350 об./мин.
Распределение образцов керна СГ-3 по
показателю упругой анизотропии имеет
сходство с графиком затухающего
колебания. В то же время аналогичное
распределение аналогов керна СГ-3, с
поверхности,
скорее,
может
быть
отражено экспонентой [15] (рис.4). Всё
это
может
быть
объяснено
контролирующей ролью действующих в
литосфере так называемых стоячих волн
[16] и предполагает переосмысление
законов распределения напряжений в
массивах горных пород. В этой связи
требуется более внимательно изучить это
явление, поскольку такие вариации
величин главных составляющих поля
напряжений должны учитываться в
расчетах напряженно-деформированного
состояния массивов, предназначенных для
проходки горных выработок.
Рис.4. Распределение образцов керна СГ-3
и их аналогов по показателю упругой
анизотропии В. Ряды: 1–керн СГ-3, 2 –
образцы с поверхности; В: 1–0-0.05, 2–
0.05-0.1, 3–0.1-0.15, 4–0.15-0.20, 5 –0.200.25, 6–0.25-0.30, 7–0.30-0.35, 8–0.35.-0.40,
9–0.40-0.45, 10 –0.45-0.50, 11–0.50-0.55,
12–0.55-0.60, 13 – 0.60-0.65, 14 – 0.65-0.70.
Не исключено, что волновому закону подчинено возникновение и характер зон
аномально высоких пластовых давлений (АВПД) в нефтегазоносных толщах осадочных
горных пород которые существенно усложняют проходку скважин.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант №-03-05-64169 и ИНТАС-01-0314.
ЛИТЕРАТУРА
1. Горбацевич Ф.Ф. Анизотропия поглощения сдвиговых колебаний в горных породах.
//Изв. АН СССР. Сер.: Физика Земли. 1990. №5. С.70-79.
2. Горбацевич Ф.Ф. Акустополярископия горных пород. Апатиты, 1995, 204 с.
3. Горбацевич Ф.Ф., Козловская О.В., Розаев А.Е., Шамрай Г.И. Инженерногеологическая характеристика пород разреза Уральской сверхглубокой скважины.
//Изв.РАН, сер.: Геоэкология. 1993. №-5, с.66-74.
4. Ковалевский М.В., Горбацевич Ф.Ф., Хармс У., Дальхайм Х.-А. Упругоанизотропные свойства горных пород по разрезу немецкой сверхглубокой скважины
(KTB) в интервале 4.1-4.7 км. //Минералогия во всем пространстве сего слова. Ч.1.
Труды I Ферсмановской научной сессии Кольского отделения РМО, посвященной 120летию со дня рождения А.Е.Ферсмана и А.Н.Лабунцова. г. Апатиты, 22-23 апреля 2004
г. – Апатиты: Изд-во «K & M», 2004.- С.62-64.
5. Воче-ламбинский архейский геодинамический полигон Кольского полуострова.
Апатиты, 1991, с.46-53.
6. Горбацевич Ф.Ф., Ильченко В.Л., Смирнов Ю.П. Геодинамическая обстановка в
интервале 1.7-1.9 км Кольской сверхглубокой скважины. //Геоэкология. Инженерная
геология. Гидрогеология. Геокриология. №1, 2000, с.70-77.
7. Ильченко В.Л., Горбацевич Ф.Ф., Смирнов Ю.П. Анизотропия упругих свойств
керна и состояние пород околоствольного массива Кольской сверхглубокой скважины
в зоне Лучломпольского разлома. //Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология.
Геокриология. №3, 2005, с.1-11.
8. Ильченко В.Л., Горбацевич Ф.Ф., Смирнов Ю.П. Упругая анизотропия образцов
керна Кольской сверхглубокой скважины из интервала 8.7-11.4 км. //Геоэкология.
Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. №3, 1999, с.151-159.
9. Бахвалов А.И., Кузнецов Ю.И., Пономарев В.Н. и др. Магнитометрические
исследования Кольской сверхглубокой скважины.//Советская геология. 1989. №9, с.8387.
10. Кольская сверхглубокая. Научные результаты и опыт исследований. – М.: МФ
«Технонефтегаз», 1998. - 260 с.
11. Ильченко В.Л. Природа упругой анизотропии керна Кольской сверхглубокой
скважины. Автореферат канд.дисс., С.-Пб, 2000, 16 с.
12. M.Brudy, M.D.Zoback, K.Fuchs, F.Rummel, J.Baumgartner. Estimation of the complete
stress tensor to 8 km depth in the KTB scientific drill holes: Implications for crustal strength.
//Journ. of Geoph. Res, V.102, No.B8, pp.18,453-18,475, august 10, 1997.
13. Горбацевич Ф.Ф. Определение величин скорости распространения упругих волн в
анизотропных образцах малых размеров. Методич. рекомендации. Апатиты, 1977, 28 с.
14. Добролюбов А.И. Бегущие волны деформации. Изд. 2-е, испр. – М.: Едиториал
УРСС, 2003, 44 с.
15. Il’chenko V.L. On presence of Wave component in variations of anisotropy of elastic
properties of core samples from the Kola superdeep borehole (SD-3). //Proceedings of the 5th International Conference “Problems of Geocosmos”, St.-Peterburg, 2004, p.221-225.
16. Ильченко В.Л. Стоячие волны как вероятная причина расслоенности литосферы. //
Акустические измерения и стандартизация. Ультразвук и ультразвуковые технологии.
Геоакустика. Акустика речи. Медицинская и биологическая акустика. Атмосферная
акустика. Сборник трудов X сессии Российского акустического общества. Т.2. М.:
ГЕОС, 2000. С. 215-218.