ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2011, № 3, с. 34-45
УДК 550.343.6
ТЕНЗОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ФЛЮИДОНАСЫЩЕННЫХ СРЕД
© 2011 г. И. Г. Киссин
Институт физики Земли РАН 123995 Москва, ул. Б. Грузинская, 10, e-mail: iskissin@mail.ru Поступила в редакцию 16.06.2009 г.
Рассматриваются основные свойства тензочувствительности флюидонасыщенных сред, выявленные по результатам многочисленных наблюдений за реакцией подземных вод на подготовку землетрясений и иные геодинамические процессы. Эта реакция отражает изменения напряженно-деформированного состояния среды и служит важным фактором перераспределения напряжений под влиянием флюидов. Выделены две сферы проявления тензочувствительности — на участках, где действуют напряжения, и в приповерхностной зоне, доступной наблюдениям. Определены условия, в которых проявляется аномально высокая, нулевая и отрицательная тензочувствительность. На характер тензочувствительности существенно влияют особенности наблюдательных систем и геологического разреза. Показано, что учет тен-зочувствительности необходим при определении роли флюидов в развитии очагов землетрясений и для интерпретаций флюидных предвестников.
ВВЕДЕНИЕ
Тензочувствительность (ТЧ) — реакция геофизической среды на изменения ее напряженно-деформированного состояния. Характеристики тензочувствительности исследовались преимущественно для однофазной (твердой) среды применительно к отдельным геофизическим показателям, например условиям распространения сейсмических волн [Гамбурцев, 1992; Сейсмический мониторинг ...,
1986]. Наличие свободной воды в горных породах существенно влияет на их физические свойства и, в частности, на тензочувствительность таких пород. Это четко проявляется в механизме электропроводности трещиноватых увлажненных пород [Челидзе,
1987]. Характерный признак тензочувствительности — ее нелинейность, которая определена для различных геофизических показателей, связанных с изменениями напряженно-деформированного состояния среды [Николаев, 1987].
Ранее автором изучалась ТЧ флюидных систем по данным наблюдений за гидрогеологическими предвестниками землетрясений. Была установлена недостаточно четкая, иногда слабая зависимость этих предвестников от параметров землетрясений, выделены высокоамплитудные и отдаленные предвестники [Киссин, 1985, 1988]. В дальнейшем, при разработке метода гидрогеофизического мониторинга, позволяющего следить за деформациями земной коры по изменениям гидрогеологических показателей, выяснилась особая роль ТЧ систем скважина—водоносный горизонт. Были выделены основные типы таких систем по характеру ТЧ [Киссин, 1993].
В статье рассматриваются основные свойства тензочувствительности флюидонасыщенных сред, выявленные по многочисленным наблюдениям за реакцией подземных вод на землетрясения, современные движения земной коры и другие геодинамические процессы. Эти свойства представляют интерес с двух позиций: для геофизического мониторинга среды и для изучения геодинамических процессов, связанных с флюидами, когда необходимо знать, как флюиды влияют на напряженно-деформированное состояние среды. Специфика ТЧ насыщенных сред заключается в том, что напряжения разным образом воздействуют на каждую фазу (твердую, жидкую, а в некоторых случаях и газовую), и эти воздействия определяют общую реакцию среды.
Необходимо различать две сферы проявлений ТЧ: первая — в местах расположения тех или иных фрагментов среды, подверженных воздействиям, вторая — на участках, доступных для регистрации различных показателей, характеризующих изменения среды. Наблюдения за реакцией подземных вод на возмущения возможны только в пределах глубин, достигнутых скважинами, и при этом обе такие сферы могут не совпадать. Изменения некоторых других геофизических полей, например электропроводности, могут быть определены и на больших глубинах, где действуют напряжения. Как показывает опыт наблюдений, реакции подземных вод на изменения состояния среды проявляются очень часто и охватывают широкий спектр различных воздействий. В соответствии с выделением двух указанных сфер для первой (in situ, по аналогии с использованием этого термина в геологии) следует рассматривать тензочувствительность среды, для второй (на участках наблюдений) — тензочувствительность си-
1 -г к].
/////, У/. ///////,
V V V V V
V V V V
hl ^ АА1
Т <
А1 ////А/// /и ± / / / /////
IV V V V
V//////. '/////
II V V V
V///////////// //
V V
ш
ч
===>
Рис. 1. Схемы реакции системы скважина—водоносный горизонт на деформации в разных условиях. Внутриблоковые структуры: а — однослойная, б — двух- и многослойная; приразломные структуры: в — зона разлома с изменяющейся проницаемостью, г — нарушение экранирующих свойств разлома.
1 — проницаемые породы, 2 — водоупорные породы, 3 — тектонические нарушения, 4 — пути фильтрации, 5 — пьезометрический уровень воды и диапазон его изменений (пунктир), 6 — направления стресса, 7 — пути фильтрации подземных вод после деформации.
в
h
h
2
1
г
7
стемы скважина—водоносный горизонт. В данном случае под термином скважина — водоносный горизонт понимается насыщенный коллектор (пласт или трещинная зона), вскрытый наблюдательной скважиной.
ТЕНЗОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ СИСТЕМЫ СКВАЖИНА-ВОДОНОСНЫЙ ГОРИЗОНТ
Показатели ТЧ, которые могут быть зафиксированы непосредственными наблюдениями, зависят от структуры системы скважина—водоносный горизонт. Эти показатели определяют чаще всего по вариациям уровня или давления подземных вод, реже — по их химическому составу, соотношению нефть—вода в добывающих скважинах или другим характеристикам. Применительно к изменениям уровня (давления) подземных вод ДА коэффициент тензочувствительности
К =
ДН Д|е|.
(1)
При этом изменение деформации Д|е| должно быть определено с учетом особенностей флюидной
системы. Величину эту нельзя рассматривать только как изменение объемной деформации, ибо сдвиговые нарушения в зонах разломов могут оказывать существенное влияние на пути фильтрации и распределение флюидных давлений в среде.
При сжатии насыщенной среды флюидное давление повышается, при растяжении — снижается. При этом коэффициент К остается положительным, поскольку учитывается абсолютная величина деформации Д | е| и повышение или снижение уровня ДА в соответствии с уменьшением или увеличением порового пространства. Нередки случаи, когда К = 0 или К < 0, что позволяет рассматривать соответственно нулевую или отрицательную тензочув-ствительность. Т.К. Рамазановым [1985] получено строгое решение задачи о реакции флюидного давления на периодические длинноволновые возмущения напряженного состояния насыщенного пласта, связанные с подготовкой землетрясений и воздействием земноприливных сил. Однако эта реакция существенно зависит от характера ТЧ. В достаточно однородной среде (рис. 1а) флюидное давление Рф или отражающий его уровень воды ДА находятся в слабо нелинейной зависимости от объемных дефор-
Ah
скважине определяется соотношением [Киссин, 1988]
h =
h i T + h T-Ti + T2 ,
(2)
As
Рис. 2. Схема реакций уровня подземных вод или иных геофизических показателей (АЛ) в зависимости от изменения деформаций (Ае).
Тензочувствительность: а — нормальная, б — нулевая, в — аномально низкая, г —отрицательная, д — аномально высокая.
маций (рис. 2а). При этом амплитуда земноприлив-ных колебаний уровня подземных вод обычно не превышает 1—2 см. Такой случай соответствует указанному решению [Рамазанов, 1985].
Если скважина вскрывает среду неоднородную по фильтрационным показателям, возможны два типичных варианта: двух- или многослойная структура, структура с разрывным нарушением. В этом случае водоносные горизонты или системы трещин гидравлически разобщены (разделены слабопроницаемыми барьерами), поэтому характеристики содержащихся в них вод — флюидного давления Рф или пьезометрического уровня Л (см. рис. 1б), а также качественных показателей — будут в большей или меньшей степени различаться. Давление воды в наблюдательной скважине зависит от взаимодействия указанных водоносных горизонтов или систем трещин. При этом пьезометрический уровень воды в
где h1, h2 и 71, Т2 — соответственно пьезометрические уровни (напоры) и водопроводимости каждого горизонта. Подобные выражения могут быть получены и для других показателей подземных вод. Когда водоносные горизонты или трещинные зоны деформируются, их пористость и проницаемость на каждом участке (I, II) не останутся постоянными. При этом флюидные показатели, фиксируемые в скважине, также изменятся.
В структурах с разрывными нарушениями, которые пересекают слои с различными значениями Рф или h (см. рис. 1в), тензочувствительность зависит от фильтрационных характеристик нарушения. Эти различия могут сохраняться только при слабой водопроницаемости разлома или ее полном отсутствии. Если деформации вызывают раскрытие разлома, появляется фильтрационная связь между соседними массивами и напоры воды в приразломной зоне резко изменяются. Это возможно под воздействием не только растягивающих, но и сдвиговых деформаций, когда образуются открытые каналы в трещинах сложной конфигурации, или при вертикальных смещениях блоков по разлому, что приведет к изменению фильтрационных связей. Встречаются и иные эффекты, если, например, при сжатии проводящий разлом закрывается и создает преграду между соседними блоками, что вызовет изменение напоров в них. В указанных вариантах неоднородных сред иногда наблюдается сильно нелинейная зависимость уровня или давления воды от деформаций. При этом нередки проявления нулевой, отрицательной или аномально высокой ТЧ.
Нулевая или аномально низкая тензочувствительность (коэффициент К близок к нулю или очень мал) характеризует условия, когда изменения деформаций Д|е| не вызывают значимых реакций подземных вод (см. рис. 2б, 2в). Такие условия имеют место в структурах с разрывными нарушениями, если деформации концентрируются в зонах нарушений, где изменяются фильтрационные характеристики, и не затрагивают ненарушенные блоки. Другим примером могут служить трещиноватые породы при малых углах между направлениями трещин и вектора напряжений.
Отрицат
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.