Роль разломов в формировании фильтрационных неоднородностей верхнего гидрогеологического этажа

Подробности

Автор: Крапивнер Р.Б., Плугина Т.А., Язвин А.Л.

В процессе гидрогеологических исследований в платформенных областях России ГИДЭК неоднократно сталкивался с проблемой влияния современной геодинамической обстановки на гидрогеологические условия верхних горизонтов геологического разреза. При этом, наблюдались не только отмечаемые обычно гидрогеологические последствия дифференцированных тектонических движений – связь между литологически разобщенными водоносными горизонтами, поступление флюидов из нижних гидрогеологических этажей в верхние и, наоборот, проникновение поверхностных вод в нижние горизонты и т.п., но и изменение фильтрационных свойств деформируемых массивов горных пород.

В осадочном чехле, в том числе в его верхних горизонтах, существуют локальные поля тектонических напряжений, обусловленные деформацией слоев над дифференцированно перемещающимися участками поверхности фундамента: крыльями разломов, куполовидных или линейных складок и пр. Эти движения, в свою очередь, являются реакцией более или менее жестких пород фундамента на глобальные или региональные поля тектонических напряжений, происхождение которых обсуждается в рамках различных геотектонических гипотез и здесь не рассматривается.. Считается, что наиболее распространенным кинематическим типом неотектонически активных разломов являются сдвиги, в том числе сбросо- и взбросо-сдвиги. Первые формируются в сдвиговом поле тектонических напряжений, в однородных сплошных средах под углом скалывания (α~30-35°) к направлению осей наибольшего сжатия. На практике из-за неоднородности деформируемой среды, а также из-за активизации древних разломов, образовавшихся в ином поле тектонических напряжений, чаще всего α₁>α либо α₂<α (рис.1 А). В первом случае в обстановке дополнительного горизонтального сжатия развиваются взбросо-сдвиги, во втором, при дополнительном горизонтальном растяжении – сбросо-сдвиги [1]. В осадочном чехле над разломом фундамента образуется область его динамического влияния (ОДВР), ширина которой определяется, в основном, мощностью чехла [5]. Вдоль оси этой области из-за максимальной концентрации напряжений [3, 7] породы испытывают динамическое уплотнение (над взбросо-сдвигом) или разуплотнение (над сбросо-сдвигом), благодаря чему проницаемость пластов существенно изменяется по латерали без видимого изменения их литологии и гипсометрического положения. В первом случае из-за закрытия существовавших ранее трещин и уменьшения пористости они могут играть роль барражных «стенок», во втором, из-за противоположных процессов, представлять собой зоны повышенной проницаемости.

В процессе эволюции ОДВР в ней формируются вторичные разрывные нарушения разнообразной ориентировки, и в заключительную стадию разлом фундамента достигает поверхности, а вторичные разрывы становятся оперяющими. Проницаемость главного и вторичных разрывных нарушений зависит от их кинематического типа: она максимальна для разломов со сбросовой и минимальна для разломов со взбросовой компонентами смещения.

Амплитуда горизонтального смещения вдоль разлома сдвигового типа постепенно уменьшается от его центральной части по направлению к продольным окончаниям, что сопровождается горизонтальным сжатием и динамическим уплотнением пород в лобовых частях секторов сжатия и их горизонтальным разуплотнением в тыловых частях секторов растяжения. Подобная трансформация напряженного состояния (а, следовательно, и фильтрационных свойств) пород по простиранию разлома сдвигового типа обусловлена тем, что после его возникновения траектории осей наибольшего сжатия и наибольшего растяжения регионального поля тектонических напряжений в окрестностях разлома изменяют свое направление, что иногда приводит к образованию вторичных разрывных нарушений (рис.1Б).

Приведенные выше теоретические соображения находят подтверждение в материалах геолого-гидрогеологических работ на некоторых месторождениях пресных подземных вод. Так, по результатам бурения в комплексе с геоморфологическими признаками в бассейне р. Лесной Зай (левобережье Камы, Южный купол Татарского свода, глубина залегания кристаллического фундамента ~ 1700м) была выделена серия разломов северо-восточного простирания протяженностью от 10-12 км до 30 км. Фрагментарно они совпадают с разломами фундамента, выделенными по геофизическим данным, либо располагаются на непосредственном продолжении таких разломов. Разрывные нарушения проникли в верхнюю часть осадочного чехла, где смещают верхнепермские породы, а также плиоценовые отложения и среднечетвертичный аллювий высокой речной террасы (рис.2). Амплитуда вертикального смещения чаще всего составляет 10-12м и изредка достигает 20-25м. Резкие горизонтальные изгибы вдоль трасс разломов узких водораздельных гребней и структурных осей субмеридиональных неотектонических поднятий, выраженных по верхнепермским слоям, указывают на то, что они имеют компоненту левостороннего сдвигового смещения. Для наиболее крупного (30км) Налимкинского разлома амплитуда горизонтального сдвига за неотектонический этап оценивается в 200-250м. Это означает, что средняя величина деформации одноосного сжатия или растяжения в одноименных секторах окрестностей разлома составляет 1.6-1.7%. Поскольку основная доля деформации сосредоточена в лобовых частях секторов сжатия и тыловых частях секторов растяжения (рис.1Б), величина ее здесь значительно выше среднего значения и в соответствии с экспериментальными данными может достигать 5-10% и более [3]. Вследствие этого проницаемость верхнепермских песчаников и известняков на таких участках существенно изменяется, что было подтверждено результатами опытных и опытно-эксплуатационных откачек. Так, повышенные в 2-5 раз по сравнению с соседними площадями удельные дебиты в нижнеказанских отложениях на правобережье р.Лесной Зай несколько ниже устья р.Налимка приурочены к тыловой части сектора растяжения одного из выделенных по геологическим данным разломов сдвигового типа.(рис.2). В лобовой части сектора сжатия соседнего с севера разлома расположена барражная зона, обусловившая резкое различие фактических понижений в скважинах №№109 и 112 и асимметрию депрессионной воронки (рис. 3). Отражение ее на геофильтрационной модели путем задания зоны с проводимостью в нижнеказанских отложениях 10м² в сутки ( при средних значениях этого показателя 400-600м² в сутки и более) позволило добиться хорошего совпадения натурных и модельных понижений в этих скважинах. В аналогичной структурной обстановке находится и другая барражная зона, проявленная у продольного окончания крайнего с юга разлома сдвигового типа (рис.2).

Наиболее протяженный Налимкинский разлом, по всей вероятности, является взбросо-сдвигом, то есть формировался в условиях дополнительного поперечного сжатия. Вследствие этого вдоль него вытянута узкая (не более первых десятков метров) барражная зона, проявившаяся в аномально высоком гипсометрическом положении уровней подземных вод. При задании в геофильтрационной модели проводимости нижнеказанских отложений в этой зоне от 1 до 50 м² в сутки достигается хорошее соответствие с наблюдаемым положением уровня подземных вод и величиной их разгрузки в р. Налимку, измеренной по гидрометрическим постам.

Локальные изменения фильтрационных свойств отложений верхнего гидрогеологического этажа, связанные с современной активностью разломов фундамента, установлены и на севере Западно-Сибирской плиты. Геологические признаки такой активности были продемонстрированы ранее [2]. При переоценке запасов подземных вод Когалымского водозабора в водоносном горизонте олигоценовых отложений (атлымская и новомихайловская свиты нерасчлененно) на меридиональной линии водозабора была выявлена асимметричная воронка депрессии с существенно более крутым изменением динамических уровней подземных вод между скважинами №№1Р и 16Н (рис.4). Последнее свидетельствует о существование между указанными скважинами барражной зоны. Обнаружение сходной по форме асимметричной депрессионной воронки на одной из буровых линий поперечных к линии водозабора указывает на северо-восточную (или северо-северо-восточную) ориентировку этой барражной зоны. На геофильтрационной модели удовлетворительное совпадение с фактически наблюдаемой формой депрессионной воронки достигается при задании в упомянутой зоне (при ее ширине ~200м) усредненного коэффициента фильтрации 0,5м в сутки, тогда как по обе стороны от нее он составляет 2-8м в сутки. Наличие барражной зоны не находит отражения в литологии водовмещающих отложений: они повсеместно представлены песками с маломощными прослоями алевритов и глин, а эффективная мощность отложений, вмещающих водоносный горизонт, не испытывает резких изменений по латерали. Слои залегают субгоризонтально и нигде не смещены разрывными нарушениями. Тем не менее, в свете изложенного в начале нашего сообщения, это не противоречит предположению о связи слабо проницаемой барражной зоны с геодинамическими условиями участка.

Город Когалым расположен в центральной части Западно-Сибирской плиты. Герцинский фундамент здесь расчленен разломами северо-восточного простирания, некоторые из них ограничивают грабен-рифты, выполненные вулканогенно-осадочными триасовыми отложениями и представляющие собой фрагменты крупного Аганского желоба. Юрские, меловые, палеогеновые и четвертичные отложения плитного чехла имеют мощность ~3,5км. В послетриасовое время, по мнению ряда авторов, разломы рифтовых желобов фундамента плиты функционировали как сдвиги, вследствие чего они почти не влияют на литолого-фациальный состав и мощность стратиграфических подразделений осадочного чехла. По всей вероятности, район г.Когалым находится в области динамического влияния активного в настоящее время разлома северо-восточной ориентировки, входящего в систему разломов Аганского желоба (рис.5). Не исключено, что он проникает и в осадочный чехол, но не достигает гипсометрического уровня олигоценовых отложений, являющихся объектом гидрогеологических исследований. Латеральное перемещение крыльев разлома вызывает рост напряжений в не смещенной надразломной части плитного чехла (т.е. внутри ОДВР), что при определенных условиях (a₁>a, рис.1А) должно вызывать существенное динамическое уплотнение надразломной зоны из-за ее развития в обстановке дополнительного латерального сжатия. Это динамическое уплотнение достигает наибольших значений в наиболее напряженной части ОДВР, где в фильтрационном поле и проявляется слабо проницаемая барражная зона. Косвенно выдвинутое предположение подтверждается поведением кровли многолетнемерзлых пород, понижающейся внутри намечаемой ОДВР на 15-20м на расстоянии в 500м. Последнее обусловлено понижением температуры плавления льда при повышении давления в напряженном массиве мерзлых пород.

Более определенно влияние активных разломов на проницаемость рыхлых отложений верхних горизонтов плитного чехла севера Западной Сибири устанавливается на примере Южного водозабора г.Ханты-Мансийска. Водозабор расположен на поверхности II-й надпойменной террасы, узкой полосой протягивающейся вдоль подножья склона известного в литературе Самаровского останца водораздельной равнины. Он состоит из тесной группы скважин, остановленных в кровле глин верхнеэоценовой тавдинской свиты и оборудованных фильтрами в интервале глубин 220-230м для эксплуатации нижней части водоносного горизонта, приуроченного к мощноой (~140-150м) преимущественно песчаной толще олигоценовых отложений (атлымская и новомихайловская свита нерасчлененно, рис.6, 7). При этом, эксплуатация двух скважин (№№2,5) сопровождалась интенсивным выделением газа, вследствие чего они в конце концов были остановлены. Компоненты спонтанного газа (в процентах к объему): СН₄ – 69,3, СО- 0,0005, СО₂ –5,5, N₂-24,85, Ar (О₂) – 0,57 и тяжелые углеводороды – 0,2. Состав растворенного газа из-за различной растворимости составляющих его компонентов несколько иной: СН₄ – 55,0 , СО₂ – 30,0, N₂-14, О₂ – 1,0, Не+Ne – 0,003, С₂Н₆ –0,128 .Состав газа типичен для нефтегазоносных областей, что наряду с повышенным (по сравнению с атмосферным) содержанием гелия указывает на поступление флюида из относительно глубоких горизонтов осадочного чехла. Приуроченность газопроявлений к узкой (первые метры) линейной зоне (ССЗ 334°), расположенной непосредственно над кровлей регионального водоупора, сложенного мощной (сотни метров) палеоцен-эоценовой глинистой толщей, указывает на ее локальную вертикальную проницаемость по разрывному нарушению такого же направления. Его геологические признаки обнаружены в невысоком искусственном обрыве в основании пологого склона Самаровского останца ко II-й надпойменной террасе (рис.6). Здесь под мощным (3м) делювием слоистые пески и валунные суглинки верхнеплиоценовой салехардской свиты собраны в приразломную складку с косым шарниром, причем наиболее крутое (угол падения 77°) и, следовательно, граничащее непосредственно с разломом крыло складки простирается по направлению ССЗ 332°, параллельно линии расположения скважин с интенсивным выделением газа. При падении сместителя на восток-северо-восток (62°) под углом ~65°)он должен пересечь кровлю глин регионального водоупора как раз по этой линии. Плановая ориентировка крыльев приразломной складки с косым шарниром указывает на то, что он обладает компонентой левостороннего сдвигового смещения. Учитывая элементы тектонической структуры, иллюстрируемые геологическим разрезом (рис.7), можно утверждать, что выявленный неотектонически активный разлом является левосторонним сбросо-сдвигом, т.е. формировался в обстановке дополнительного латерального растяжения, чем и объясняется его повышенная проницаемость.

Еще более высокой проницаемостью обладает разлом раздвигового типа, выявленный в основании склона Самаровского останца к пойме Иртыша в толще сильно дислоцированных в приразломной зоне отложений верхнеплиоценовой салехардской свиты. Он имеет ширину 2,2-3,3м и заполнен смесью тектонизированных, поставленных на «головы» пластообразных тел и линз салехардских песков, алевритов, валунных суглинков и палеогеновых глин Разлом характеризуется субширотным простиранием, почти вертикальным падением и, судя по своей морфологии и ориентировке напряженных приразломных дислокаций, относится к категории правосторонних раздвиго-сдвигов. В 0,5км западнее на его линии уже на пойме Иртыша была пройдена мелкая (15,5м) скважина, вскрывшая на глубине 8,8м под шестиметровой пачкой суглинков слабо влажные газонасыщенные пески мощностью 0,2м. Ниже пески до забоя водонасыщены, уровень воды в скважине установился на глубине 4,1м, т.е. давление в газовой шапке около 0,5 атмосферы. Состав спонтанного газа: СН₄-83,2%, СО₂-14,2%, N₂- 2,5%..Рассматриваемое газопроявление расположено в 0,7км к юго-западу от охарактеризованного выше газопроявления Южного водозабора, в осевой зоне антиклинального поднятия юго-западного простирания, амплитуда которого по кровле тавдинских глин составляет 20-25м. Приповерхностное скопление газа в зоне разлома, крыльями которого в верхней части геологического разреза служит, как и на Южном водозаборе, мощная преимущественно песчаная олигоценовая толща, стало возможным только из-за ее высокой проницаемости, обусловленной кинематикой разлома. Благодаря этому газ не рассеивается полностью в олигоценовых песках, а достигает поверхности, скапливаясь под суглинистыми отложениями современной поймы.

Резюмируя изложенное выше, еще раз подчеркнем, что, в зависимости от кинематического типа разрывных нарушений, они могут либо служить путями облегченной вертикальной фильтрации флюидов, либо, наоборот, играть роль полунепроницаемых экранов на пути горизонтального движения потока. В свете современных представлений о стадийном развитии разломов и областей их активного динамического влияния, обособляющихся над верхними кромками сместителей и у их продольных окончаний, в окрестностях развивающегося разлома, в том числе в еще не затронутых им частях геологического разреза, могут существовать участки динамического уплотнения с резко пониженной проницаемостью и разуплотнения, характеризующиеся высокой проводимостью. К сожалению, специальных исследований о гидрогеологических аспектах этой проблемы не проводилось, поэтому приведенные примеры отражают факты, случайно обнаруженные в процессе детальных исследований на водозаборах или при проведении групповых откачек.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гзовский М.В. Основные вопросы тектонофизики и тектоника Байджансайского антиклинория. Ч.III и IV. М.:Недра, 1963. 544с.

2. Крапивнер Р.Б., Смирнов И.И. Происхождение Мало-Атлымских и Хуготских дислокаций в нижнем течении р.Обь (Западная Сибирь) // Геотектоника 2001, №2. с.32-40.

3. Стоянов С.С. Механизм формирования разрывных зон. М.: Недра, 1977, 144с.

4. Сурков В.С., Жданова В.П., Жеро О.Г. Связь тектоники фундамента и платформенного чехла Западно-Сибирской плиты. Новосиб.: СНИИГГИМС, Территор. геол. фонд., 1976. 150с.

5. Шерман С.И., Борняков С.А., Буддо В.Ю. Области динамического влияния разломов. Новосиб.: Наука, 1983. 112с.

6. Anderson E.M. Dynamics of faulting. 2-d ed., 1951. 206 p.

7. Tchalenko J.S. Similarities between shear zones of different magnitude // Bull. Geol. Soc. Am.,1970. v.81 №6. p. 1625-1640.