CC BY
87
РЕШЕНИЕ «КИНЕМАТИЧЕСКОГО РЕБУСА» СИЛВЕСТЕРА НА ОСНОВЕ НОВОЙ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СДВИГОВ
А.И. Тимурзиев (ОАО «ЦГЭ»)
Введение
Общеприняты представления о господстве в земной коре условий сжатия или растяжения в ком -бинации со сдвигом. Эти кинематические условия противопоставляются друг другу и рассматриваются в контексте различных геодинамических режимов структурообразования. Крайнюю форму противопоставления условий структурообразования мы находим у A.G. Sylvester [9] в его классификации режимов транспрессии и транстенсии при формировании сдвигов. Ниже показаны несоответствия кинематики «цветковых моделей» транспрессии и транстенсии реальным трехмерным моделям зон сдвигания [1]. Примеры изучения зон сдвигания по результатам интерпретации сейсморазведки 3D в пределах разновозрастных осадочных бассейнов Земли свидетельствуют о формировании их в условиях чистого сдвига при одновременной реализации обстановок сжатия и растяжения во взаимно ортогональных сечениях. Сопоставительный анализ показывает, что модели «цветковых структур» (транспрессии и транстенсии) не соответствуют трехмерным моделям строения природных геологических структур, картируемых в последнее время в огромных количествах в разновозрастных осадочных бассейнах мира. В этой связи обосновывается, что существующие представления о напряженно-деформированном состоянии земной коры и структурных парагенезах зон сдвигания, восходящие к временам плоского (двухмерного) геологического мышления, являются неполными и требуют очевидного пересмотра. Автор настоящей статьи считает, что на этапах структурообразования объемное неравномерно-напряженное состояние, запечатленное в основных типах деформаций геосреды - во взаимно ортогональных (сжатие/растяжение) и диагональных (сдвиг) сечениях структур земной коры, - проявлялось одновременно.
Структурные парагенезы зон сдвигания по результатам моделирования
Существуют устоявшиеся представления о структурах разрушения, отвечающие механизму горизонтального сдвига, основанные на моделях Риделя1 (W. Riedel, 1929) и Андерсона2 (E. Anderson, 1951). В зонах сдвигания по модели Риделя (рис. 1) выделяются кулисно расположенные синтетические (R) и антитетические (R) сколы, составляющие с осью сдвига острый и близкий к 90° углы, трещины отрыва Т, P и L сколы, а также кулисы приразломных пликативных складок F, оси которых совпадают с ориентацией оси максимального сжатия.
Деформации зон сдвигания в экспериментах по физическому моделированию характеризуют процесс развития сдвига как разорванную во времени последовательность деформационных событий для пространственно обособленных структурных парагенезов. Анализ результатов экспериментов, выполненный Ю.Л. Ребецким (2007) показал, что поверхностные структурные парагенезы зон сдвигания хорошо изучены, чего нельзя сказать об объемных деформациях, так как методы физического моделирования не дают такой возможности. В соответствии с модельными представлениями Риделя и Андерсона интерпретируются природные структурные парагенезы для сменяющихся в процессе структурообразования геодинамических обстановок транспрессии и транстенсии. Обобщенные данные о структурных парагенезах зон сдвигания можно найти в работе [3], где вслед за [8] и [9] показаны основные типы деформаций для кинематических обстановок транспрессии и транстенсии (рис. 2).
Результаты физического моделирования, выполненные автором статьи совместно с лабораторией тектонофизики и геотектоники Геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова [2], объясняют формирование сдвиговых деформаций, характерных для осадочного чехла Западной Сибири [1], сочетанием двух типов горизонтального сдвига: вдоль вертикальной и вдоль горизонтальной плоскостей без участия транспрессии или транстенсии.
1 Соответствует модели простого сдвига в геомеханическом и кинематическом понимании.
2 Соответствует модели чистого сдвига в геомеханическом и кинематическом понимании.
Рис.1. Модели нагружения, отвечающие: а - простому (Риделя), б - чистому (Андерсона) сдвигу. Справа для модели Риделя дана схема деформирования и структурные парагенезы в зоне правого сдвига (ст, - ось максимального сжатия)
Кинематические несоответствия «цветковых структур»
Изучение смещений поверхности, связанных с крупными землетрясениями в Новой Зеландии, Японии, Калифорнии, привело к созданию учения о сдвигах (разломах со смещением по простиранию) [9]. Эволюция Вегенеровской концепции дрейфа континентов в теорию мобилизма во многом обязана учению о трансформных разломах [10], обосновавшему возможность масштабных горизонтальных перемещений литосферных плит. Классификация сдвигов [11], их геометрические, кинематические и динамические характеристики были оформлены на основе изучения горизонтальных сдвигов в обнажениях складчатых поясов. Как отмечал A. Sylvester [9], многие концепции и вопросы, касающиеся сдвигов, основаны на результатах исследований разлома San Andreas.
Главное ограничение, накладываемое на результаты этих исследований, состоит в том, что изучались препарированные эрозией разрезы, демонстрирующие отдельные фрагменты двумерных структурных парагенезов зон сдвигания.
Ранние модели сдвигов не могли учесть все сложные связи складчато-разрывных структур в их объемном взаимоотношении. В своей работе A. Sylvester формулирует ряд фундаментальных положений, включая природу образования кулисообразных складок и их связи с процессом образования сдвигов, которые остаются неясными [9].
При внимательном рассмотрении моделей «цветковых структур» [8, 9 и др.] обнаруживаются явные несоответствия кинематическим условиям строения природных сдвиговых зон, равно как и несоответствия между моделями разных авторов и моделями одного автора в разные годы. Ниже приводятся наиболее очевидные несоответствия (названные автором настоящей статьи «кинематическими ребусами» Силвестера) из графических иллюстраций «цветковых структур» зон сдвигания по работам [8, 9] (рис. 3):
• неверная кинематика сдвигов (на рис. 3-1, 3-2 и 3-5 правые сдвиги показаны как левые; на рис. 3-4 кинематика уже правая);
• «лопасти» кулис пересекают ось сдвига как сплошные тела, образуя «винтообразные» смести-тели разломов без осевого разрыва сплошности сдвига (в природе кулисы одного крыла структуры не пересекают осевую поверхность и не переходят в соседний блок);
• при встречном смещении противоположных блоков кулисы скользят по плоскости разрыва как по рельсам и скручиваются, а не разрываются и не смещаются относительно друг друга;
• для отдельной кулисы углы падения изменяются от нуля (относительно вертикали) в центре кулис (линия пересечения с осью сдвига) до максимальных величин на их окончаниях (в природе нулевому углу падения плоскости кулис отвечает линия их выклинивания над вертикальной проекцией плоскости сдвига);
• в «цветковых моделях» отсутствуют признаки выклинивания кулис в шовной зоне сдвига;
Сжатие - рас тяжение Прос ти сдвиг
Рис. 2. Схемы структурных парагенезов обстановок сжатия/растяжения (А) и простого сдвига (Б), транспрессии (В - Е, К) и транстенсии (Ж - И):
А - соотношение сопряженных систем сколов, трещин отрыва, складок, кливажа, стилолитовых швов, надвигов и сбросов (Расцветаев, 1987); Б - соотношение магистральной сдвиговой зоны: 1 - с оперяющими синтетическими (R) и антитетическими (R2) сколами Риделя, 2 - с осями складок, 3 - со структурами растяжения (трещины отрыва, грабены, впадины),
4 - с надвигами и покровами, 5 - комбинированное сочетание всех элементов разрывно-складчатого парагенеза (A. Sylvester [9]); В - структура «пальмового дерева» зон транспрессии [9]; Г - асимметричное развитие надвиговых структур в
сегменте сжатия зоны транспрессии [9]; Д - ситуация транспрессии в зоне изгиба поверхности сдвигового сместителя (Strike-slip ..., 1985); Е - обобщенный структурный парагенез транспрессии: 1 - магистральный сдвиг, 2 - надвиги,
3 - оси складок, 4 - трещины отрыва, 5 - синтетические сколы Риделя, 6 - антитетические сколы Риделя;
Ж - структура транстенсии в месте изгиба поверхности сдвига; З - структурный парагенез транстенсии на начальной стадии;
И - структуры транстенсии на продвинутой стадии развития; К - схема пространственного соотношения дивергентных и конвергентных систем разрывов в смежных структурах «пальмового дерева» (разрез):
1 - надвиги, 2 - области вторичного растяжения
• несоответствие кинематики моделей A. Sylvester (левый сдвиг) и K. Kwolek (правый сдвиг) при их морфологической идентичности;
• наличие антиформ внутри «цветка» транстенсии и синформ внутри «цветка» транспрессии, в то время как для «цветковых структур» характерны обратные соотношения.
Рис. 3. Кинематическая модель «цветковых структур» по Sylvester and Smith (1976); Gamond and Odonne (1983),
Naylor and others (1986), Sylvester (1988), Kwolek (2004):
1 - структура «тюльпан», левосдвиговая транспрессия (A. Sylvester, 1988); 2 - структура «пальмовое дерево», левосдвиговая транстенсия (A. Sylvester, 1988); 3 - структура «тюльпан», правосдвиговая транспрессия (K. Kwolek, 2004); 4 - винтообразная форма отдельных сколов Риделя при простом правом сдвиге, реконструированная по горизонтальным разрезам при экспериментах на песчаных моделях (Naylor and others, 1986); 5 - винтообразная форма осевых поверхностей двух кулисообразных складок при простом левом сдвиге (Naylor and others, 1986)
Несоответствия, обнаруженные в модели Риделя, распространяются на набор и соотношения структурных парагенезов природных зон сдвигания. Это относится как к фактам невыраженно-сти риделевских (Я и Я) сколов, Р и Ь сколов, так и несоответствия ориентировки кулис складок ¥ простиранию оси максимального сжатия. В отличие от модели Риделя в природе простирание приразломных пликативных складок поперечно вектору максимальных касательных напряжений ттах. Другие несоответствия приводятся ниже при обсуждении новой кинематической модели зон сдвигания.
Новая кинематическая модель сдвига. Как основной структурный объект, являющийся предметом изучения, структуры горизонтального сдвига (СГС) имеют черты морфологического подобия с «цветковыми структурами», однако термин СГС более емкий по форме и содержанию [5]. Сопоставительный анализ показывает, что постановка вопроса о формировании тектонических структур в условиях транспрессии или транстенсии некорректна: «тюльпан» и «пальма» - кинематические парагенезы зон сдвигания и раздельно не существуют.
В условиях выраженных структурных форм, сформированных сдвигами фундамента, в различных сечениях чехла осадочного бассейна находят отражение структурные парагенезы и индикаторы условий сжатия, растяжения и сдвига одновременно. Выраженность или невыраженность признаков проявления этих кинематических условий нагружения определяется выбором сечения для наблюдения, относительной деформированностью структуры на фоне регионального деформационного поля, масштабом и мерностью (2-х или 3-х) наблюдений.
Эти выводы подтверждаются фактическим материалом. На рис. 4 представлена авторская кинематическая модель СГС. Показаны реальные сейсмические профили 3D по Северному куполу Еты-Пуровского вала (Западная Сибирь) в 4-х критических сечениях, отражающих различный стиль деформаций и одновременное проявление на площади всех известных структурно-кинематических парагенезов зон сдвигания. Положение сечений на СГС показано на карте углов наклона, характеризующей строение кулисной зоны оперяющих разломов чехла для горизонтального сдвига фундамента на уровне баженовской свиты верхней юры (размеры участка 11x17 км). Сечение 1-1 отражает господствующие на своде структуры условия меридионального сжатия (ось omax), сечение 2-2 -широтного растяжения (ось omin), сечения 3-3 и 4-4 - горизонтального сдвига (ось Tmax), встречного на разных крыльях складки.
Особенностью СГС является наличие сбросов на своде поднятия (сечение 2-2), в то время как в общепринятых представлениях положительные «цветковые структуры» (Positive Palm Tree -Transpression) формируются на взбросах. И наоборот, сечение 1-1 демонстрирует наличие взбросов на фоне локального прогиба, в то время как отрицательные «цветковые структуры» (Negative Tulip Structure - Transpression) формируются на сбросах. Для обоих типов «цветковых структур» (транспрессии и транстенсии) характерно схождение оперяющих разломов к фундаменту и раскрытие «цветков» вверх по разрезу. Для СГС сечения сжатия (1-1) и растяжения (2-2) имеют противоположные направления схождения разломов: в первом случае раскрытие «цветков» происходит вниз («клин» вверх), во втором - вверх («клин» вниз). Важной особенностью СГС является наличие на своде поднятия внутри грабен-прогиба (сечение 2-2) антиформ, а внутри горст-поднятия (сечение 1-1) - синформ, в отличие от противоположных им по знаку форм в моделях «цветковых структур» (Pull Apart Basins и Push Up Ridges соответственно). Для СГС движение пород внутри «клина», определяющее кинематику разломов, происходит в сторону сужения «клина», в моделях «цветковых структур» такое строение характерно только для режима транстенсии.
Автором настоящей статьи установлена единая для севера Западной Сибири (независимо от типа структур и простирания сдвига) субмеридиональная3 ориентировка оперяющих кулис чехла, подтвержденная многочисленными реконструкциями напряженно-деформированного состояния земной коры (в том числе приведенным на рис. 4-6) по результатам интерпретации данных 3D сейсморазведки. Идентифицируя положение оси максимальных нормальных сжимающих напряжений, кулисные системы оперения сдвигов фундамента позволили установить устойчивое субмеридиональ-ное направление вектора регионального сжатия для новейшего сдвигового поля напряжений [6, 7].
Этот вывод подтвержден и более поздними прямыми определениями ориентировки осей напряжений по результатам записи пластового микроимиджера в скважинах, мониторинга процесса гидроразрыва пластов сейсмическими методами, исследованиями на ориентированном керне (О .А. Чащин, 2006). По данным овализации ствола скважин и изучения техногенных трещин, промысловым данным и результатам лабораторных исследований ориентированных образцов керна, преимущественное развитие трещин после гидроразрыва пластов на месторождениях УВ Западной Сибири происходит по азимуту 340-350° (Р.Н. Мухаметзянов и др., 2006).
Другая важная отличительная особенность представленной автором кинематической модели СГС состоит в том, что в сечениях 3-3 и 4-4 (см. рис. 4) происходят одновременно внутрислойные сдвиги (горизонтальный сдвиг в горизонтальной плоскости), приводящие к пластическому нагнетанию пород и сдваиванию разреза отдельных интервалов осадочного чехла (рис. 7).
3 Единственным известным исключением из этого правила является Северо-Комсомольское месторождение, на котором основной северовосточный сдвиг осложнен сетью оперяющих кулис меридионального и широтного простирания (при этом последняя является единственной на уровне кровли верхнего мела).
724
756
820
852
884
916
940
852
Сечение сдвига (диагональные 3-3 и 44)
-« уши — ■ ■■ ■■ - - - - - - ■ - -» ■
1576 1448 1235 1965 18Э7 1709 1581 1453
Рис. 4. Еты-Пуровский вал. Кинематическая модель структур горизонтального сдвига: на карте углов наклона показано положение сечений сжатия (меридиональное 1-1), растяжения (широтное 2-2) и сдвига (диагональные 3-3 и 4-4)
ПРОБЛЕМЫ РЕСУРСНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГАЗОДОБЫВАЮЩИХ РАЙОНОВ РОССИИ ДО 2030 Г.
2159 2031 1903 1775 1647 1519 1391 1263 1135 1007 879 751 623 495 367 239
111
13 24
ТорР.12
2157
ВРЇ£-1_і;ор’
ВРІ61_йстЬ-4:
"і?'*1 >
1525
1653
1717
1781
1845
2073
1901
2029
То^Діг
ТорВР11-0
ВР1В-4;иЬ©і13
АсЬДЗ_ЗР’.
2413
1777
1577
1641
1705
1769
Рис. 5. Вынгаяхинский вал. Кинематическая модель структур горизонтального сдвига: на карте углов наклона показано положение сечений растяжения (широтное 1-1), сжатия (меридиональное 2-2) и сдвига (диагональные 3-3 и 4-4)
ЭТИЧЕСКОГО РЕБУСА»» СИЛВЕСТЕРА НА ОСНОВЕ НОВОЙ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СДВИГОВ
775 647 519 391 263
СИпе=219 Шпе=363 РерЪИ=2522
Рис. 6. Усть-Часельская площадь. Кинематическая модель структуры горизонтального сдвига: на карте углов наклона показаны сечения сдвига (диагональное 1-1), сжатия (меридиональное 2-2) и растяжения (широтное 3-3)
О внутрислойном горизонтальном сдвиге. В предложенной модели роль фундамента не ограничивается локализацией плоскости горизонтальных сдвигов в вертикальном сечении СГС. Будучи границей раздела физических свойств «жесткого» фундамента и «пластического» чехла, поверхность фундамента является границей тектонического срыва, по которой тангенциальные напряжения сдвига в горизонтальной плоскости реализуются в деформациях пластического течения,
Тіте
<]] ^ ^ках
Т-жах і ^~>
Ку = Ц, / Ь б
Рис. 7. Западно-Комсомольская площадь: а - пример черепичного залегания разорванных пластов юрской толщи (структура «домино»); б - модельное представление горизонтального сокращения пространства вследствие внутрислойного горизонтального сдвига в горизонтальной плоскости. Эффект снижается к кровле фундамента (А) и к кровле баженовской свиты верхней юры (Б) (Ку - коэффициент укорочения пласта: отношение суммарной длины разорванных фрагментов (Ц) первично сплошного пласта к текущей длине деформированного пласта (І), Ку = 1,28)
послойного шарьирования и сдваивания разреза за счет черепичного перекрытия разорванных пластов в интервале вспарывания чехла оперяющими кулисами сдвигов фундамента.
Модельное представление внутрислойного сдвига на примере Западно-Комсомольской площади Западной Сибири (см. рис. 7) позволяет оценить величину горизонтального сжатия (укорочения) пространства вследствие горизонтального сдвига в горизонтальной плоскости. Как видно из сейсмического профиля, проходящего параллельно оси сдвига, эффект укорочения снижается к кровле
фундамента (А) и к кровле баженовской свиты верхней юры (Б). Коэффициент укорочения пласта (Ку), рассчитанный для средней части разреза как отношение суммарной длины разорванных фрагментов (n х l) первично сплошного пласта к остаточной длине деформированного пласта (L) превышает 1,25. Расчеты показывают, что в центральной шовной части горизонтального сдвига фундамента в интервале максимального внутрислойного сдвига осадочного чехла сокращение пространства достигает трети от первичного горизонтального залегания деформированной толщи. Понятно, что величина сокращения пространства в горизонтальной плоскости должна быть компенсирована кратной величиной (без учета уплотнения пород) расширения пространства в вертикальной плоскости за счет приращения неседиментационной мощности.
Следствием внутрислойного сдвига в горизонтальной плоскости на границе фундамента и чехла в пределах СГС возникают различные постседиментационные аномалии: аномальный разрез баженовской и ачимовской свит, реверсные разломы и другие явления, вызванные пластическим нагнетанием пород и локальными приразломными изменениями мощностей. Наиболее яркое явление, сопровождающее СГС, - зеркало складчатости (см. рис. 4, сечения 3-3 и 4-4). Этим термином автор обозначает горизонтальное положение на теле антиклинального поднятия поверхности черепичного залегания разорванных компетентных пластов, формирующих в матриксе пластического заполнения структуру «домино». Встречное падение этой структуры по разные стороны шва горизонтального сдвига по фундаменту идентифицирует направление действия максимальных касательных напряжений Tmax. Индикатором ориентировки вектора Tmax является и направление встречного заваливания оперяющих сбросов по разные стороны от шва магистрального сдвига.
Важность этого наблюдения связана с тем, что для структур, осложненных горизонтальными сдвигами фундамента, применение классического метода анализа мощностей существенно ограничено, поэтому в него требуется внести коррективы. В методологическом плане ревизия метода анализа мощностей для палеотектонических реконструкций необходима с целью учета доли неседи-ментационной части в общей мощности отложений, измененных за счет тектонического нагнетания пород в зонах динамического влияния СГС. Обсуждение этого вопроса не является предметом настоящей статьи.
Заключение
Показанные несоответствия кинематики зон сдвигания позволяют утверждать, что «цветковые модели» нуждаются в пересмотре. Примеры изучения СГС по данным сейсморазведки 3D свидетельствуют о формировании их в условиях чистого сдвига при одновременной реализации обстановок сжатия и растяжения во взаимно ортогональных сечениях. Модели транспрессии и транстен-сии не соответствуют трехмерным моделям строения природных геологических структур осадочных бассейнов. Важность этого вывода обусловлена тем, что безоговорочное принятие кинематических моделей транспрессии и транстенсии приняло «вселенский» масштаб, и на их основе сегодня объясняются закономерности структурообразования складчатых поясов и кратонов, рифтовых и покровно-надвиговых структур земной коры [3, 4, 8-11]. Это учение широко используется для объяснения строения и формирования осадочных бассейнов [4, 8, 9]. Налицо тенденция упрощения и сведения всего многообразия геотектонических условий структурообразования, связанных с риф-товым, надвиговым и сдвиговым типами напряженно-деформированного состояния земной коры, к геомеханическим моделям транспрессии и транстенсии как единственным и универсальным механизмам структурообразования.
Список литературы
1. Гогоненков Г.Н. Горизонтальные сдвиги фундамента Западной Сибири / Г.Н. Гогоненков, А.С. Кашик, А.И. Тимурзиев // Геология нефти и газа. - 2007. - № 3. - С. 3-11.
2. Гогоненков Г.Н. Механизм формирования нефтегазоносных структур «пропеллерного» типа (на примере Западной Сибири) / Г.Н. Гогоненков, М.А. Гончаров, Н.В. Короновский и др. // Общие и региональные проблемы тектоники и геодинамики: материалы XLI Тектонического совещания. -Т. 1. - М.: ГЕОС, 2008. - С. 204-208.
3. Морозов Ю.А. Структурообразующая роль транспрессии и транстенсии / Ю.А. Морозов // Геотектоника. - 2002. - № 6. - С. 3-4.
4. Осадочные бассейны: методика изучения, строение и эволюция / под ред. Ю.Г. Леонова, Ю.А. Воложа. - М.: Научный мир, 2004.
5. Тимурзиев А.И. Механизм и структуры скрытой эксплозивной разгрузки глубинных флюидов в фундаменте и верхней части земной коры / А.И. Тимурзиев // Углеводородный потенциал фундамента молодых и древних платформ. Перспективы нефтегазоносности фундамента и оценка его роли в формировании и переформировании нефтяных и газовых месторождений: материалы Междунар. науч. конфер. - Казань: Изд-во Казанского ун-та, 2006. - С. 262-268.
6. Тимурзиев А.И. Технология прогнозирования фильтрационной неоднородности трещинных коллекторов на основе реконструкций напряженно-деформированного состояния земной коры по результатам интерпретации сейсморазведки 3Д / А.И. Тимурзиев // ТЭК России - основа процветания страны: сб. докл. конфер., посвященной 75-летию ВНИГРИ. - СПб.: ВНИГРИ, 2004. -С. 128-139.
7. Тимурзиев А.И. Реконструкции напряженно-деформированного состояния земной коры для прогнозирования фильтрационной неоднородности коллекторов (на примере Еты-Пуровского месторождения) / А.И. Тимурзиев // Перспективы нефтегазоносности Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции: материалы науч.-практич. конфер., посвященной 60-летию образования Тюменской области. - Тюмень: ЗапСибНИИГГ, 2004. - С. 292-297.
8. NaylorM. Fault geometries in basement-induced wrench faulting under different initial stress states / M. Naylor at al. // Journal of Structural Geology. - 1986. - Vol. 8. - N. 7. - P. 737-752.
9. Strike-slip faults / A.G. Sylvester // Geological Society of America Bulletin. - 1988. - Vol. 100. -P. 1666-1703.
10. Wilson J.T. Continental drift, transcurrent, and transform faulting / J.T. Wilson // The Sea.- New-York: Wiley-Interscience, 1970. - Vol. 4. - Рart II. - Р. 623-644.
11. Woodcock N.H. Strike-sleep duplexes / N.H. Woodcock, M. Fisher // Journal of Structural Geology. -1986. - Vol. 8. - № 7. - P. 725-735.
