Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ методических принципов неотектонического картирования и возможностей гис-технологий в моделировании разломно-блоковых структур 11
1.1. Краткий обзор принципов построения неотектонических карт различного масштаба 11
1.2. Трехмерная модель разломно-блоковых структур как основа построения неотектонической карты и недостатки существующих методов моделирования 12
1.3. Определение глубины проникновения разлома: история вопроса и выбор решения для объемного моделирования 13
1.4. Обзор существующих ГИС-технологий объемного моделирования для решения прикладных геологических задач 15
1.5. Возможности совмещения программных комплексов ArcGIS и Paradigm Geophysical для разработки эффективной методики 3D-моделирования разрывных нарушений с учетом
реальной пространственной ориентации плоскостей их сместителей 18
Защищаемое положение 28
ГЛАВА 2. Экспериментальное изучение напряженного состояния среды в зоне наклонной трещины 30
2.1. Программа ANSYS и обзор возможностей конечно-элементного анализа 32
2.2. Построение трехмерной модели геологической среды, осложненной наклонной трещиной 2.2.1. Постановка задачи 34
2.2.2. Построение геометрии трехмерной модели геологической среды, осложненной наклонной трещиной 36
2.2.3. Задание механических свойств элементам модели 39
2.2.4. Генерация конечно-элементной сетки 40
2.2.5. Задание параметров симуляции 42
2.3. Моделирование напряженно-деформированного состояния среды в зоне наклонной трещины 43
2.3.1. Моделирование напряженно-деформированного состояния среды в зоне наклонной трещины при сжатии 45
2.3.2. Моделирование напряженно-деформированного состояния среды в зоне наклонной трещины при сдвиге 52
Защищаемое положение 60
2.4. Изучение количественных параметров зоны аномального напряженного состояния 61
Защищаемое положение 65
ГЛАВА 3. Решение прикладных задач на основе объемного моделирования локальных, региональных и генеральных разломных структур с учетом углов их падения 67
3.1. Анализ разломно-блоковых структур площадки объектов ядерной энергетики ФГУП
«ГХК», г. Железногорск (локальный масштаб структур) 68
3.1.1. Геологическое описание Байкало-Енисейской разломной зоны 69
3.1.2. Построение карты разломов 70
3.1.3. Построение объемной модели разломно-блоковых структур 74
3.1.4. Анализ разломно-блоковой структуры ближней зоны площадки ФГУП «ГХК» 76
3.2. Анализ неотектонических разломно-блоковых структур территории г. Иркутска
(региональный масштаб структур) 80
3.2.1. Построение карты разломов 80
3.2.2. Создание трехмерной модели разломно-блоковых структур 84
3.2.3. Анализ устойчивости геологической среды города 88
Защищаемое положение 97
3.3. Использование результатов моделирования при анализе разломно-блоковых
нефтегазоносных структур на примере юга Сибирской платформы (генеральный масштаб
структур) 98
3.3.1. Геологическое строение и сейсмологические особенности юга Сибирской платформы 100
3.3.2. Формирование базы данных глубокого бурения 102
3.3.3. Построение региональных структурных карт по основным отражающим литолого-стратиграфическим горизонтам 104
3.3.4. Отбор и генерализация результатов исследований тектонического строения юга Сибирской платформы 120
3.3.5. Построение моделей траппов 122
3.3.6. Построение объемной структурно-тектонической модели юга Сибирской платформы 128
Рекомендации по использованию методики объемного моделирования разрывных нарушений с учетом реальной пространственной ориентации их плоскостей при решении прикладных задач геологии 133
Заключение 135
Использованная терминология 138
Библиографический список 139
- Определение глубины проникновения разлома: история вопроса и выбор решения для объемного моделирования
- Построение геометрии трехмерной модели геологической среды, осложненной наклонной трещиной
- Построение карты разломов
- Отбор и генерализация результатов исследований тектонического строения юга Сибирской платформы
Введение к работе
Актуальность проведенного исследования обусловлена нарастающим интересом к методам трехмерного геологического моделирования, позволяющего более качественно обрабатывать геологические данные, а нередко и получать прирост информации. В настоящее время построение трехмерных цифровых геологических моделей стало естественной составляющей процесса разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений. В то же время, разработанные технологии 3D-моделирования лишь в последнее время стали привлекаться для решения прикладных задач геологии.
Одной из важных прикладных задач геологии является анализ влияния разломов на изменение геологической среды, особенно для урбанизированных территорий, ведь возникновение природных и природно-техногенных чрезвычайных ситуаций в зонах разломов увеличивается на 90 % по сравнению с сопредельными слабо раздробленными территориями, а геоэкологические последствия ощущаются наиболее остро и катастрофично. Несмотря на высокий вклад разломов в нарушение устойчивости геологической среды, в пределах урбанизированных территорий они остаются изученными к настоящему времени лишь фрагментарно. Существующие методы картирования и привлекаемые для этого ГИС-технологии позволяют исследовать и учитывать взаимосвязи основных сейсмических параметров, таких как строение геологического разреза и раздробленность территории разрывными нарушениями.
3D-моделирование при решении этих задач дает в целом неплохие результаты и прирост информации оказывается весьма значимым для практического использования. Однако необходимо отметить, что обычно разломы на глубину рассматриваются как вертикально падающие поверхности, что не дает возможности охарактеризовать их в полной мере. Моделируя разломные структуры без учета наклона плоскостей их сместителей, исследователи всегда отдают себе отчет в том, что это допущение в определенной степени искажает реальную картину. Так, при полевом изучении разломов разного генетического и кинематического типа структурно-вещественная характеристика висячих и лежачих крыльев существенно отлична, что свидетельствует о различном напряженно-деформированном состоянии среды, возникающем в процессе формирования разлома. Если при решении региональных задач это не так важно, то уже в задачах локального уровня такой информацией пренебрегать нельзя. Следовательно, учет наклона плоскостей сместителей разломов при объемном моделировании разломно-блоковых структур имеет важное значение, особенно в случае решения прикладных задач. Это обстоятельство обуславливает актуальность диссертационной работы и позволяет сформулировать ее цель и задачи.
Целью работы является разработка эффективной методики объемного моделирования разломных структур с учетом реальной пространственной ориентации плоскостей их сместителей и характера напряженного состояния земной коры в висячих и лежачих крыльях разломов для использования в прикладных геологических исследованиях.
В соответствии с поставленной целью было необходимо решить следующие задачи:
-
Изучить накопленный опыт 3D-моделирования разломов и разломно-блоковых структур и проанализировать возможности существующих ГИС-технологий, использующихся для решения теоретических и прикладных задач геологии.
-
Разработать методику 3D-моделирования разломов с учетом наклона плоскостей их сместителей и создания объемных моделей разломно-блоковых структур.
-
Провести эксперименты по моделированию напряжений в среде с наклонной трещиной при сжатии и сдвиге, изменяя ее длину и углы наклона.
-
Определить ширину полосы максимального изменения напряжений в среде с наклонной трещиной и ее характер (симметричная/асимметричная по отношению к плоскости трещины).
-
Решить в качестве примера серию прикладных задач, базирующихся на реальном разномасштабном геологическом материале (локальные, региональные, генеральные структуры) и результатах экспериментального моделирования напряжений в среде с наклонной трещиной.
-
Дать рекомендации по использованию разработанной методики при решении прикладных геологических задач.
Фактический материал и достоверность исследований. Фактический материал был получен автором при анализе литературных и фондовых источников; при проведении серии экспериментальных исследований распределения напряжений в зоне наклонной трещины; при неотектоническом картировании территорий г. Иркутска и региона объектов ядерной энергетики Красноярского края, базировавшихся на цифровой модели рельефа, данных полевых и камеральных исследований, проведенных в предыдущие годы (1989– 2015) Р.М. Лобацкой с соавторами, включая и автора диссертации.
Исходными данными для построения модели генерального структурного плана юга Сибирской платформы стали результаты скважинной сейсморазведки (СК, ВСП) и геофизических исследований скважин (АК), используемые для построения структурных карт целевых литолого-стратиграфических горизонтов и карт кровли и мощности трапповых тел. В модель включались региональные и генеральные разломы, а автор принимала непосредственное участие в проведении этих исследований коллективом ОП ОАО «Росгеология» «Иркутское геофизическое подразделение» (далее ОП ИГП). Дизъюнктивная тектоника построена по карте разломов юго-восточной Сибири 1 : 1500000 масштаба, опубликованной под редакцией П.М. Хренова (1982). Она уточнялась по картам потенциальных полей грави- и магниторазведки (карты градиентов Б.М. Письменного (1990) и В.Ф. Давыдова (1997)) геологами ОП ИГП в рамках производственных исследований. В качестве карты рельефа дневной поверхности использована цифровая модель рельефа, полученная с помощью радарной топографической съемки.
Разработка эффективной методики 3D-геологического моделирования разломов с учетом угла их падения осуществлялась с использованием программных средств ArcGIS и Paradigm Geophysical GeoDepth. Достоверность
подтверждается воспроизводимостью результатов экспериментальных исследований, непротиворечивостью данных, полученных при использовании объемного моделирования в решении прикладных задач, соответствием результатов, полученных автором диссертации, имеющимся теоретическим разработкам и геологическим данным других исследователей. Результаты моделирования напряженно-деформированного состояния в зоне присутствия наклонной трещины сравнивались с аналитическими примерами трещины в плоскости и неоднородном теле, смоделированными в ANSYS с использованием справочника по коэффициентам интенсивности напряжений [Мураками, 1990].
Научная новизна
-
Совмещение возможностей программных средств ArcGIS и Paradigm Geophysical GeoDepth позволило создавать объемные модели разрывных нарушений с учетом азимутов и углов их падения при внешних нагрузках сжатия и сдвига.
-
С помощью программного средства ANSYS установлена зависимость напряженно-деформированного состояния среды в висячих и лежачих крыльях наклонных трещин типа взбросов и сдвигов от значений угла их падения, длин, вещественного состава субстрата и типа внешних нагрузок.
-
Установлена асимметрия и количественные соотношения ширины зоны аномального напряженно-деформированного состояния среды в висячих крыльях по отношению к лежачим при разных наклонах плоскостей сместителей.
-
Установлено, что совмещение методов моделирования дизъюнктивных структур, с учетом углов падения, с моделированием напряженно-деформированного состояния, является объективной основой для дифференциации геологической среды в зонах их динамического влияния и последующих прогнозных оценок сопутствующих геологических процессов.
На защиту выносятся следующие научные положения:
Научное положение 1. Трехмерное моделирование разрывных нарушений различных морфокинематических типов с учетом азимутов и углов их падения может быть реализовано на основе разработанной эффективной методики, базирующейся на совмещении инструментария программных средств ArcGIS и Paradigm Geophysical GeoDepth.
Научное положение 2. Среда с наклонной трещиной характеризуется аномальным напряженно-деформированным состоянием, асимметрично распределенным в висячих и лежачих крыльях в зависимости от типа нагрузок (сжатие, сдвиг), угла наклона трещины, ее длины и вещественного состава субстрата.
Научное положение 3. Асимметрия и пропорции соотношений ширины аномальной зоны висячих крыльев к лежачим охарактеризованы количественно и установлено, что с уменьшением угла наклона разрывного нарушения ширина висячего крыла увеличивается при разных типах внешних нагрузок, а ширина лежачего крыла остается практически неизменной. Так, ширина зоны аномально-напряженного состояния в висячем крыле по отношению к лежачему изменяется от 0,3 единиц при крутых углах падения до 1,7 единиц при пологих в
случае внешних сжимающих нагрузок и от 1,5 единиц при крутых углах падения до 3,0 единиц при пологих в случае внешних сдвиговых нагрузок.
Научное положение 4. Результаты моделирования напряжено-деформированного состояния среды вокруг наклонной трещины в программе ANSYS в сочетании с объемным моделированием реальных разломно-блоковых структур разного масштаба с помощью разработанной методики позволяют дифференцировать геологическую среду в крыльях разломов при решении прикладных геолого-геофизических задач (СМР, инженерная геология, гидрогеология, геотектоника).
Практическая значимость защищаемых научных положений заключается в следующем:
-
Предложенная методика позволяет создавать качественно новую трехмерную картографическую основу территорий с отражением реального положения плоскостей их сместителей.
-
Полученные количественные соотношения ширины зон динамического влияния разломов в висячих и лежачих крыльях необходимы при решении ряда прикладных задач геологии и позволяют давать конкретные оценки ширины крыльев для разрывных нарушений с разными углами наклона плоскостей сместителей.
-
Разработанная методика позволила построить трехмерную структурно-тектоническую модель юга Сибирской платформы на основе Государственной карты масштаба 1 : 1000000, представляющую собой 3D-согласованную твердую основу-каркас, пригодную для заполнения любыми атрибутными характеристиками: формационными, литологическими, тектоническими, петрофизическими и другими в соответствии с конкретными прикладными задачами.
-
Созданные региональные 2D- и 3D-модели глубин и мощностей опорных структурно-литологических интервалов разреза юга Сибирской платформы и сделанные вероятностно-статические прогнозные оценки точности построения рекомендуются для использования при обработке и интерпретации данных МОГТ в качестве эмпирических трендовых характеристик на всех этапах параметризации разреза.
-
Результаты исследований, выполненные на основе предложенной методики, при объемном моделировании разломно-блоковых структур юга Сибирской платформы, используются коллективом партии обработки и интерпретационной обработки сейсмоданных ОП ИГП (имеется акт внедрения).
Апробация работы и публикации. Основные результаты и отдельные методические разработки исследований докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-технических конференциях: всероссийские научно-технические конференции «Геонауки. Актуальные проблемы изучения недр» (Иркутск, 2013, 2014, 2015), «Геодинамические поля и оценка современного состояния объектов использования атомной энергии» (Железногорск, 2013), Международная научно-практическая конференция «Теория и практика науки третьего тысячелетия» (Уфа, 2014), Международная конференция «Современные информационные технологии для
фундаментальных научных исследований в области наук о Земле» (Петропавловск-Камчатский, 2014).
По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе в рецензируемых журналах с индексом цитирования Scopus (1 статья), рекомендованных ВАК (2 статьи), а также сборниках статей, трудах и тезисах международных и российских научных конференций.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из 3 глав, введения, практических рекомендаций, заключения. Общий объем работы составляет 164 страницы, включая 14 таблиц, 56 рисунков, 8 приложений. Список цитируемой литературы включает 155 наименований.
Определение глубины проникновения разлома: история вопроса и выбор решения для объемного моделирования
Геологическое картирование никогда не ограничивалось геологической картой как двумерной моделью, ее всегда сопровождали разрезы — существенный шаг к трехмерной визуализации. Сегодня новые информационно-технологические возможности позволяют не только изменить способ представления фактического геологического материала, но и обеспечить существенный прирост информации.
Визуализация в целом, как метод анализа и интерпретации информации имеет многочисленные преимущества, к которым можно отнести возможность быстрого понимания общего смысла данных и выявления некоторых особенностей. Одним из самых эффективных методов визуального анализа является объемное моделирование – создание трехмерных объектов, построение которых базируется на разного типа данных.
В настоящее время в геологии объемное компьютерное моделирование наиболее востребовано в нефтегазовой промышленности. Оно стало незаменимым, обычным и рутинным инструментом моделирования месторождений углеводородов [2, 12-14, 21, 23, 34-38, 71, 113]. В основном, как метод анализа оно используется для подсчета запасов нефти и газа, оптимального проектирования скважин, оценки рисков и т.д. [23]. Большой толчок в развитии 3D-геологическое моделирование в России получило после постановления Центральной комиссии по разработке месторождений полезных ископаемых о необходимости построения 3D-геологических и гидродинамических моделей при создании проектных документов, а также в результате подготовки отраслевых документов области 3D-моделирования: Регламента по созданию постоянно действующих геолого-технологических моделей нефтяных и газонефтяных месторождений (РД 153-39.0-047-00, 2000г.) и Методических указаний по созданию постоянно действующих геолого-технологических моделей нефтяных и газонефтяных месторождений (2003г.) [23].
Высокая эффективность использования объемных моделей как физических, так и математических, объясняется их наглядностью, информативностью и большим прогностическим потенциалом. Кроме того, трехмерное пространство и, соответственно, модели, создаваемые в нем, интуитивно понятны человеку и подключает в нем ассоциативное образное мышление. Это достаточно важный момент при ручной или полуавтоматизированной интерпретации данных. В то же время, как показывает практика [25], наиболее предпочтительными в век развития компьютерных технологий оказываются компьютерные трехмерные математические модели. Это связано с их компактностью, эффективным способом представления и хранения [25, 36, 37].
Сегодня 3D-моделирование в геологии используется в основном для создания геологических и гидродинамических моделей месторождений нефти и газа [2, 7, 12-14, 23, 35, 38, 148], в меньшей степени для моделирования месторождений других полезных ископаемых [25, 34, 36, 37], и практически не используется для решения прикладных задач геологии [142,143,145-147], особенно отечественной, в целях оценки тектонической ситуации как урбанизированных, так и более мелкомасштабных территорий. Хотя визуализация как метод формирования полноценной математической объемной модели способна изменить первоначально существовавшие гипотезы и представления о состоянии и строении исследуемого объекта.
В связи с этим можно сказать, что, наряду с градиентами рельефа, при неотектоническом картировании должна создаваться и анализироваться цифровая объемная структурно-тектоническая модель. Автором под структурно-тектонической моделью понимается математическое представление геологической среды, отражающее пространственное распределение структурно-тектонических элементов относительно друг друга, таких как складчатые, разрывные, смешанные структуры и др. [104, 108, 154]. Получение таких моделей позволит увидеть структуру вложения блоков один в другой, что, соответственно, сделает более современным выделение разломно-блоковых структур и построение неотектонических карт.
При объемном геологическом моделировании важным и необходимым показателем является глубина проникновения разлома. Это сложный и самый слабо изученный параметр разрывных нарушений, вызывающий наибольшие трудности у исследователей тектонической обстановки какой-либо территории [86]. Связано это с высокой стоимостью работ, которые могут дать прямые данные о глубине проникновения разлома (например, результаты буровых работ), и поэтому в оценке и изучении рассматриваемого параметра используются в основном косвенные данные, такие как продукты магматической деятельности или полученные в результате анализа геофизических полей. Неудивительно, что к изучению глубины проникновения дизъюнктивов многократно подходили многие исследователи [22, 46, 53, 78, 85, 86, 117, 118, 128]. Так как все параметры разлома взаимосвязаны, можно рассчитать глубину его проникновения. Зачастую в качестве опорной в исследовании глубины проникновения разлома используется зависимость вида H= f (L), (1) где Н - глубина проникновения, L - длина разлома. Первые корреляционные зависимости глубины проникновения от длины разлома были рассчитаны в 70-е годы XX в. Например, С.И.Шерман и Р.М.Лобацкая в 1972г. в [117] установили, что для дизъюнктивов с длиной (L) 6-20 км отношение глубины их проникновения в земную кору (Н) пропорционально длине этих разломов и может быть описано как H/L 1. Позже, в 1977г. С.ИШерманом оценена связь между длиной разломов (L) и расстоянием между разрывами равных длин (М) [118]. Свою количественную оценку он описал зависимостью М= 0,44L095, (2) имеющей большое значение при оценке блоковой делимости земной коры. В этом же году С.ИШерман и Р.М.Лобацкая описали связь между длиной и глубиной локальных разломов протяженностью 25-30км зависимостью вида H = l,04L - 0,7. (3) Десятью годами позже В.И. Саньковым [86] эти соотношения были скорректированы с учетом иных длин разрывов и показано, что по мере увеличения длины разлома прирост его глубины пропорционально уменьшается. В.И.Саньков выразил тенденции изменения соотношения Н иЬв следующих уравнениях:
Построение геометрии трехмерной модели геологической среды, осложненной наклонной трещиной
Моделирование в тектонофизике является эффективным инструментом исследования разломов разного масштаба. При этом, от степени проникновения разлома на глубину и типа деформационной структуры зависит, какой метод моделирования будет использован – физическое или математическое [77, 83, 102].
Методы физического моделирования предполагают обязательное соблюдение условий подобия [15, 16] и наиболее распространены при моделировании деформаций в горных породах земной коры. К достоинствам этого метода можно отнести наглядность, возможность прослеживания всего процесса деформирования в его эволюции, а также получение в эксперименте в явном виде структур разрушения [15, 16, 77, 82, 83]. Можно применять физическое моделирование для изучения трехмерных деформационных структур, но обычно из-за сложностей изучения подобных объектов ограничиваются двумерными моделями, находящимися в условиях плоского деформирования или плоского напряженного состояния [83]. Так как методы проведения экспериментов всегда выбираются под решение конкретных задач и технические возможности, то для изучения разломов на глубину с учетом углов их наклона применялись методы математического моделирования.
Математическое моделирование разломов можно разделить на аналитическое и численное. Эти методы предполагают аппроксимацию механических свойств реального природного объекта в виде упругой, упругопластической, упруго-вязкой или упруго-вязко пластической модели, а также задание краевых условий. Если аналитическое моделирование наименее удобно для изучения напряженно-деформированного состояния в зоне разлома из за небольшого диапазона нагружения [83], то методы численного моделирования предоставляют широкий диапазон инструментов по изучению деформирования моделей, как двумерных, так и трехмерных. Эти преимущества связаны с определенным прорывом, достигнутым в методах численного моделирования геологических структур в последнее десятилетие. Он объясняется появлением программ конечно-элементного моделирования, позволяющих моделировать локализацию пластовых деформаций и структуры разрушения [83, 99]. Исследовательские коллективы Института физики Земли им.О.Ю.Шмидта и Института физики прочности и материаловедения СО РАН, например, проводят работы по численному моделированию напряженно-деформированного состояния геологической среды, используя такие программные средства [77, 82, 83]. Для решения задач о деформировании объектов, в частности, тектонических, они привлекают конечно-элементные программы NASTRAN, U-WAY и другие САЕ-системы. Конечно-элементные программы основаны на методе конечных элементов. Метод конечных элементов (МКЭ) – метод приближенного численного решения физических задач. Он базируется на двух принципах: дискретизации исследуемого объекта на конечное множество элементов и кусочно-элементной аппроксимации исследуемых функций [112]. Конечно-элементные системы (САЕ-программы) решают широкий круг задач, охватывая практически все сферы инженерных расчетов: прочность, колебания, устойчивость, динамика, акустика, гидродинамика и т.д.
В данной работе для обоснования необходимости учета углов падения разломов было решено использовать САЕ-программы для моделирования напряженно-деформированного состояния в зоне динамического действия разлома при разных тектонических движениях.
В отличие от аналитических методы математического численного моделирования «позволяют решать задачи по определению напряжений в существенно неоднородных средах, со сложной геометрией, исследовать напряженно-деформированное состояние объекта при больших деформациях» [83]. Несмотря на то, что А.В.Михайлова, Ю.Л.Ребецкий в [83] советуют начинать решение геодинамической задачи с построения 2D-моделей, автор диссертации и его коллеги направили усилия на изначальное построение трехмерной модели. Это связано с тем, что полноценное изучение закономерностей развития разломной зоны и приуроченного к ней напряженного поля требует решения трехмерной задачи. Помимо этого, трехмерная модель позволит задать одинаковые начальные условия при моделировании разных типов тектонических движений. В свое время Г.И.Баренблаттом на примерах геофизической гидродинамики была доказана автомодельность физических систем в разных масштабах [8], которая затем использовалась в работах Р.М.Лобацкой и С.И.Шермана [49, 50, 121] для рассмотрения подобия разноранговых разрывных нарушений. Согласно этим работам, различная энергетическая природа разломов сказывается не на структуре рассматриваемых элементов, а на их масштабах. Сегодня это называется фрактальностью. Одним из определений фрактальности является иерархическая организация неоднородностей. И земная кора в целом, и отдельные ее элементы относятся к классу фрактальных систем [3, 44, 67, 122]. Опираясь на эти работы, мы приняли решение рассматривать далее напряженно-деформированное состояние разломной зоны на примере модели с наклонной трещиной.
Определение характера напряженно-деформированного состояния среды с наклонной трещиной проводилось при варьировании нагрузками (сжатие, сдвиг), углом наклона плоскости сместителя и длиной разрыва. Предполагалось, что проводимый эксперимент будет имитировать реальную геологическую среду с разломом. Необходимо оговорить, что расчеты по соблюдению условий подобия экспериментальных данных реальным структурам не входили в задачи данного исследования, которые сводились к следующему: 1. Выбор СЖ-системы, удовлетворяющей заданным условиям. 2. Построение геометрической модели, имитирующей участок земной коры, осложненный трещиной. 3. Моделирование напряженного состояния геологической среды в зоне разлома в условиях сжатия и сдвига; при разных углах падения плоскости сместителя и разной длине трещины, имитирующей разлом; при разных состояниях среды.
Программа ANSYS и обзор возможностей конечно-элементного анализа Как уже ранее отмечалось, САЕ-системы широко применяются практически во всех сферах инженерных расчетов. На сегодняшний день на международном рынке САЕ обозначилось несколько лидеров: ANSYS, NASTRAN, MSC.MARK, MODULEF и другие [83, 112, 151]. Это программное обеспечение разработано иностранными кампаниями, из отечественных разработок выделяются программный комплекс U-WAY, созданный Институтом прикладной механики РАН (ИПРИМ РАН) и Tflex, арендующий западное вычислительное ядро [151]. Автор данной работы руководствовался несколькими критериями при выборе программного обеспечения из ранее обозначенных. К ним следует отнести следующие: - коммерческая доступность программы; - использование в программе новейших научных достижений; - существование подробной и понятной документации по работе с программой, множество учебных пособий. В результате, для моделирования напряженно-деформированного состояния в зоне динамического влияния разлома был выбран программный комплекс ANSYS как удовлетворяющий перечисленным критериям. ANSYS - программный пакет конечно-элементного анализа, решающий задачи в различных областях инженерной деятельности. Основанная в 1970г. доктором Джоном Свонсоном фирма ANSYS, Inc. с целью коммерциализации методов компьютерного моделирования, вначале ставшая одним из пионеров внедрения конечно-элементного анализа, сегодня представляет собой многоцелевой пакет проектирования и анализа, позволяющий избежать дорогостоящих и длительных циклов испытаний [17, 31, 69, 74].
Построение карты разломов
Верхняя часть литосферы непрерывно подвергается техногенному воздействию. Особенно велико оно в пределах урбанизированных территорий и условиях интенсивно развивающихся городов [53, 55, 57, 87]. При прогнозе катастрофических процессов и решении задач рационального использования и охраны геологической среды зон урбанизации необходимо проводить оценку ее устойчивости [4, 29, 116, 125].
Одними из важнейших геологических структур, оказывающих влияние на устойчивость геологической среды, являются разломы литосферы. Под устойчивостью понимается способность геологической среды адаптироваться к циклическим, статическим, динамическим природным и техногенным нагрузкам в течение всего периода существования зданий и сооружений, изменившим ювенильный характер геологической среды [53, 57]. При этом под геологической средой понимается самая верхняя часть земной коры, непосредственно подвергающаяся влиянию урбанизации и изменяющаяся под действием техногенных нагрузок. Обычно мощность геологической среды, которую учитывают при проектировании зданий и сооружений, колеблется от первых десятков до первых сотен метров, в зависимости от характера строящихся объектов.
Влияние наличия/отсутствия разломов на преобразование любых территорий обусловлено общеизвестной ролью участия разломов в геолого-геоморфологических, техногенных и геоэкологических преобразованиях верхней части земной коры. Разломы и связанные с ними тектонические движения приводят к интенсификации экзогенных, эндогенных и техногенных процессов. Возникновение природных и природно-техногенных чрезвычайных ситуаций в зонах разломов увеличивается на 90% по сравнению с сопредельными слабо раздробленными территориями, а геоэкологические последствия ощущаются наиболее остро и катастрофично [60, 140]. Наличие разлома заметно стимулирует активизацию и рельефоформирующую роль экзогенных процессов; наиболее мощно сейсмичность (эндогенный процесс) реализуется в зоне разлома; масштаб развития техногенных процессов в зонах разломов как минимум на порядок выше, чем на территориях, не нарушенных разломами. В то же время, техногенное вмешательство в геологическую среду нередко провоцирует или стимулирует разломообразование, о чем свидетельствуют, например, явления индуцированной сейсмичности в районах строительства крупных гидротехнических сооружений в слабо активных регионах [53, 57]. Несмотря на очевидно высокий вклад разломов в нарушение устойчивости геологической среды, в пределах урбанизированных территорий они остаются изученными к настоящему времени лишь фрагментарно. Кроме того, слабо разработаны и приемлемые методы картирования разломов в условиях городских территорий. Слабая изученность разломных и разломно-блоковых структур городских территорий связана в значительной степени с многозначностью исследуемых параметров, сложностью корреляционных зависимостей между ними, а также со сложностью их выявления в условиях техногенных ландшафтов.
Необходимо также рассматривать инфраструктуру крупных разломных зон в районах эксплуатации важных промышленных объектов [58, 59, 61]. Это один из этапов оценки современного геодинамического состояния объектов использования атомной энергии. Важное место здесь занимает восстановление истории геологического развития и эволюции геодинамической активности, позволяющее определить возраст последней значительной активизации территории и оценить потенциальную опасность геодинамических процессов для эксплуатации объектов [58, 59, 61].
В нефтегазовой геологии разломы рассматриваются обычно не с точки зрения нарушения устойчивости геологической среды, а скорее как причины, прямые или косвенные, формирования скоплений углеводородов. Поэтому для геологов, выбирающих место закладки поисковых скважин на нефть, важно владеть информацией о тектонической ситуации территории.
В связи с многообразием задач, требующих изучения разломных структур, в данной главе будут рассмотрены примеры решения прикладных задач геологии локального, регионального и генерального масштабов с использованием предлагаемой методики объемного моделирования разломных структур.
Общеизвестно, что для обоснования безопасности строительства и эксплуатации высотных зданий и подземных сооружений, тем более, если это объекты использования атомной энергии, необходимо проводить комплексный анализ исходного качества геологической среды. Именно поэтому на протяжении многих лет неоднократно с разной степенью детальности изучались разломы в зоне сочленения Сибирской плиты в районе Енисейского кряжа в непосредственной близости от объектов ядерной энергетики ФГУП «Горно-химический комбинат» («ГХК») Красноярского края [56, 61].
Разломная сеть исследуемой территории сформирована на стыке краевых структур древней и молодой платформ [61]. Наиболее существенную роль в их разграничении сыграла система докембрийских структур краевого шва Сибирской платформы в южной части Енисейского кряжа, выделяемая в качестве Байкало-Енисейского разлома. Западное крыло краевого шва неизменно погружается, восточное же стабильно находится в поднятом состоянии.
Р.М.Лобацкой и ее коллегами в течение ряда лет был собран фактический материал по характеру осадочных, вулканогенно-осадочных толщ, прежде всего мезо-кайнозойских, молодых разновозрастных кор выветривания, по особенностям современного рельефа и его эволюции, полученный при проходке магистральных канав, разноглубинных скважин, геофизическим исследованиям, геохимическим анализам, материалам предшественников, изложенные в геологических отчетах и публикациях, материалы дистанционных исследований (аэро- и космоснимки).
Собранный материал использовался Р.М.Лобацкой и автором диссертации для количественной оценки разломно-блоковых структур исследуемой территории. Решение этого вопроса предполагало выполнение следующих задач: 1. Построение карты разломов в зонах радиусом 30км от исследуемой площадки; 2. Формирование объемной структурно-тектонической модели с учетом углов падения разломов для ближней зоны; 3. Построение карты неотектонических блоков на основе объемной модели и анализа разломной сети; 4. Оценка тенденции современной геодинамической активности и возможности безопасной эксплуатации зданий и сооружений ФГУП «ГХК».
Байкало-Енисейский разлом – крупная дизъюнктивная структура близмеридионального простирания – протягивается с севера на юг вдоль западной окраины Енисейского кряжа до северных отрогов Восточного Саяна более чем на 1000км [58, 59, 61]. Ширина зоны динамического влияния этой дизъюнктивной структуры составляет не менее 25-30км. В пределах исследуемой территории вблизи Нижнеканского гранитоидного массива Байкало-Енисейская разломная зона отчетливо проявлена хорошо проработанной полосой крупных региональных разломов, таких как Муратовский, Атамановский, Правобережный, Итатский, Канско-Енисейский, и рядом более мелких локальных разломов в ее восточном, поднятом крыле (правобережье р.Енисей), и аналогичной полосой разломов, подобных Суханово-Сухубузимскому, Минжуль-Седельниковскому, Первому Красноярскому и другим, - в западном, опущенном крыле (левобережье р.Енисей). Последняя группа разломов рассекает фундамент Западно-Сибирской плиты и в чехольных образованиях проявлена чрезвычайно слабо. В то же время разломы восточного крыла создают хорошо выраженный в рельефе ансамбль разломно-блоковых локальных и региональных структур, представляющих максимальный теоретический и практический интерес для анализа. В целом, внутреннее строение зоны Байкало-Енисейского разлома определяется густой сетью локальных близмеридиональных и северо-северо-восточных надвиговых и сбросовых структур, имеющих, как правило, восточное падение.
Ранее Р.М.Лобацкой и ее коллегами были выделены две зоны изучения разрывных нарушений площадки ФГУП «ГХК» [58, 59, 61]. Это дальняя (300км) и ближняя зоны (30км) от объектов площадки. Детальные исследования были проведены непосредственно на площадке изотопно-химического завода (ИХЗ) в радиусе менее 8 км [58, 59, 61]. Карта неотектоники ближней зоны строилась как один из этапов предлагаемой методики.
Здесь будут рассмотрены этапы создания карт разрывных нарушений и разломно-блоковых структур для ближней зоны. Для картирования разломов использовались топографические карты и цифровая модель рельефа. Создан векторный слой линейных объектов, характеризующийся такими атрибутами, как имя разлома, длина, порядок, положение, кинематический тип, ширина ОДВР, градиенты скоростей вертикальных смещений, возраст последней активизации, амплитуда смещения за последний активный период [61].
Количественная оценка степени активности разломов базировалась на расчете амплитуд, скоростей и градиентов неотектонических (молодых, современных) смещений в противоположных крыльях. В основу этих расчетов были положены количественные данные о речных террасах, положении пенеплена в разных крыльях разлома, глубине эрозионного вреза в поднятых и опущенных крыльях, градиенте рельефа, мощности и типе кайнозойских осадков в приразломных впадинах, которые позволили определить амплитуду вертикальных смещений по разломам, а затем рассчитать их скорость.
Ширина зоны активного динамического влияния каждого из выделенных разломов оценивалась по комплексу геолого-геоморфологических признаков в процессе полевых исследований и при последующей камеральной обработке данных о распределении плотности сопутствующих разрывов. В случае невозможности получения достоверных данных о ширине разломной зоны (Мi), но при наличии достоверных данных о ее длине (Li), использовались эмпирические формулы, полученные при статистическом анализе разломов в разных геодинамических областях [53]. В целом ширина разлома, как правило, составляет не более 10% от его длины.
Отбор и генерализация результатов исследований тектонического строения юга Сибирской платформы
На третьей итерации выполнено многомерное пространственное моделирование – кокригинг - для оценки точности и вероятности результата.
На этом этапе строились карты значений погрешности в межскважинном пространстве и карты вероятности такого прогноза. Для всех карт выполнена вероятностно-статистическая оценка рисков от порога 70%. Определена среднеквадратическая погрешность построения глубин в точках расположения скважин.
Предварительно, по итоговым картам глубин рассчитывались регулярные поля значений через 5-10 км (контрольных точек). Эта процедура позволяет перейти от экстраполяции к интерполяции значений в зонах отсутствия скважин.
При этом построение вариограммы определялось кросс-корреляционной моделью двух переменных: «дорогой» - данные скважин, которых мало, и «дешевой» - контрольные точки, которых много.
Полученные карты вероятностно-статистических оценок (рисунки 3.19 – 3.21) необходимо анализировать в совокупности.
Результаты структурных построений представлены картами абсолютных глубин опорных литолого-стратиграфических горизонтов осадочного чехла юга Сибирской платформы.
Карты построены для территории, общая площадь составляет 500 000 км2, в масштабе 1:1000000. Сечение карт изогипс составляет 200м, что соответствует структурному градиенту 4-5м на 1км при заданном масштабе.
Все карты сопровождаются оценками среднеквадратической ошибки на скважинах. Для всех карт построены карты стандартных отклонений значений глубин, то есть карты прогноза и карты вероятности прогноза ошибки.
Структурные карты опорных литолого-стратиграфических горизонтов осадочного чехла юга Сибирской платформы в дальнейшем использовались при построении структурно-тектонической объемной модели.
Безусловно, карты абсолютных глубин имеют самостоятельное практическое значение при обработке и интерпретации сейсмических данных МОГТ. Вероятносто-статистический прогноз ошибки построений позволяет реально оценить достоверность площадных моделей.
Результаты картопостроений могут уточняться в пределах геолого-тектонических блоков и на отдельных поисковых площадях, если разбуренность этих объектов высокая. Оптимизация результатов необходима и по мере поступления новой или дополнительной информации.
Разрывные нарушения оказывают большое, иногда определяющее влияние на поиски, разведку и разработку месторождений полезных ископаемых [39, 48, 75, 76, 91]. Поэтому при построении региональной модели в основном учитывались разломы подсолевого комплекса осадочного чехла, к которому приурочены все разведанные газоконденсатные месторождения юга Сибирской платформы.
Анализ тектонической обстановки юга Сибирской платформы осуществлялся на основе карты разломов юга Восточной Сибири 1:1 500 000 масштаба, опубликованной под редакцией П.М.Хренова в 1982г.
Работа с отсканированной картой проводилась с использованием программного продукта ArcGIS. Ручная векторизация разломов по подложке, как и любая другая, требует создания векторного слоя в базе данных. Для оцифровки разломов был создан одноименный векторный слой. Его структура определяется следующими атрибутивными полями: порядок разлома, возраст, имя, морфокинематика, выход на поверхность, достоверность. Сюда не включены такие характеристики как наклон разлома, потому что ОП ИГП не обладает геолого-тектоническими данными. Это связано с тем, что разломы приурочены к низам осадочного чехла и на сейсмических разрезах они проецируются вертикально. Непозиционной (т.е. атрибутивной) информацией таблица разломов заполнялась по завершении векторизации.
В соответствии с масштабом региональных работ, анализировались разломы первого и второго порядка. Морфология этих разломов определяется блоковым строением фундамента. Конфигурация осей разломов уточнялась согласно картам градиентов потенциальных полей (под редакцией Б.М.Письменного и В.Ф.Давыдова). Выборка разломов определялась главным геологом ОП ИГП Гинзбургом И.В. (рисунок 3.22). Для разломов создан новый векторный слой, который затем был экспортирован в формате .gen в программу GeoDepth.
Дальнейшая работа с разломами по созданию TIN-поверхностей велась по технологии, описанной в Главе 1. Для каждого разлома создавалась серия вертикальных отрезков, без учета угла наклона, и в пределах интервала распространения. Далее, отрезки объединялись в самостоятельные поверхности сместителей разломов.
При построении трехмерной региональной модели одной из основных сложностей было включение в модель трапповых тел. Сложность носила «геометрический» характер: интрузивные тела выклинивались в пространстве и зачастую пересекали более двух свит.
Далее будут рассмотрены технологические особенности моделирования траппов для корректного включения их в 3D-модель.
Общая характеристика магматизма
Построение модели Непско-Ботуобинской антеклизы (НБА) сопряжено с учетом сложного геологического строения этого регионального структурного объекта. К особенностям геологического строения НБА относят резкие изменения рельефа, сложное строение ВЧР, соляную тектонику, высокие скорости распространения сейсмических волн, незначительные эффективные мощности потенциально продуктивных горизонтов и широкое распространение трапповых включений в отложениях осадочного чехла.
В юго-западной части НБА трапп находится в верхней части мотской свиты. По мере продвижения на северо-восток к сводовой части НБА трапповый силл ступенчатоообразно переходит в более высокие горизонты (усольскую свиту, бельскую свиту).
В рамках работы над объемной региональной моделью было решено уточнить ранее созданную геологами И.В.Гинзбургом и Д.О.Мамаковым ОП ИГП схему распространения траппов (Приложение Д). Автор данной работы ориентировался на нее при поэтапном моделировании интрузивных тел. Можно выделить следующие этапы в моделировании интрузий: 1. Создание базы данных глубокого бурения для траппов. 2. Построение по маркерам скважин карт кровли и мощности траппов. 3. Построение карт подошвы траппов. 4. Включение траппов в региональную модель согласного залеганию слоев. Создание базы данных глубокого бурения Как ранее отмечалось, на предприятии ОП ИГП уже около десятилетия существует и активно используется интерпретаторами база данных глубокого бурения, включающая в себя маркеры абсолютных глубин опорных литолого-стратиграфических горизонтов геологического разреза, мощностей опорных интервалов, маркеры скоростей и времен. База была создана специалистами предприятия и периодически обновляется. На состояние 2014г. в базе существовали маркеры глубин кровли и мощности интрузий. Они не были соотнесены по возрасту и позволяли построить лишь трендовую поверхность траппа для рассматриваемой территории. Автором и его коллегами было принято решение разделить отметки кровли траппа