Из Википедии, свободной энциклопедии
  (Перенаправлено из Fissure (геология) )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Трещины в горных породах - это механизм хрупкой деформации в ответ на напряжение.

Перелом любое разделение в геологической формации , такие как сустав или разлом , который делит Рок на две или более части. Трещина иногда образует глубокую трещину или щель в породе. Трещины обычно вызваны напряжением, превышающим прочность породы, в результате чего порода теряет сцепление в самой слабой плоскости. [1] Трещины могут обеспечить проницаемость для движения жидкости , такой как вода или углеводороды . Сильно трещиноватые породы могут образовывать хорошие водоносные горизонты или углеводородные коллекторы., поскольку они могут обладать как значительной проницаемостью, так и трещинной пористостью .

Хрупкая деформация [ править ]

Изломы - это форма хрупкой деформации. [2] Существует два типа процессов первичной хрупкой деформации. Разрушение при растяжении приводит к образованию суставов . Сдвиговые трещины - это первые начальные разрывы, возникающие из-за сил сдвига, превышающих когезионную прочность в этой плоскости.

После этих двух начальных деформаций можно наблюдать несколько других типов вторичной хрупкой деформации, такие как фрикционное скольжение или катакластический поток на реактивных соединениях или разломах.

Чаще всего профили излома имеют вид лезвия, эллипсоида или круга.

Причины [ править ]

Концентрические круги в этом песчанике представляют собой «перистые» (плюмовидные) структуры, которые могут образовываться во время образования и распространения трещины.

Трещины в горных породах могут образовываться как в результате сжатия, так и растяжения. К трещинам, вызванным сжатием, относятся надвиги . Трещины также могут быть результатом напряжения сдвига или растяжения. Некоторые из основных механизмов обсуждаются ниже.

Режимы [ править ]

Во-первых, возникают три типа переломов (независимо от механизма):

  • Режим I трещины - режим раскрытия (растягивающее напряжение, перпендикулярное плоскости трещины)
  • Трещина режима II - режим скольжения (напряжение сдвига, действующее параллельно плоскости трещины и перпендикулярно ее фронту)
  • Трещина режима III - режим разрыва (напряжение сдвига, действующее параллельно плоскости трещины и параллельно ее фронту)

Дополнительные сведения об этом см. В разделе « Механика разрушения» .

Трещины при растяжении [ править ]

Мультяшные примеры распространенных механизмов разрушения при растяжении в лабораторных образцах горных пород. A) Осевое растяжение: растяжение прилагается вдали от трещины. B) Гидравлический разрыв: растяжение или сжатие применяется вдали от трещины, и давление жидкости увеличивается, вызывая напряжение на поверхности трещины. C) Испытание бразильского диска: приложенные сжимающие нагрузки, параллельные трещине, вызывают выпуклость сторон диска и растяжение на поверхностях трещины.

Породы содержат множество ранее существовавших трещин, где можно исследовать развитие разрушения при растяжении или разрушения режима I.

Первая форма - осевое растяжение. В этом случае прикладывается дистанционное растягивающее напряжение σ n , позволяющее микротрещинам слегка открываться по всей области растяжения. По мере раскрытия этих трещин напряжения на вершинах трещин усиливаются, в конечном итоге превышая прочность породы и позволяя трещине распространяться. Это может произойти во время быстрой эрозии покрывающих пород. Складывание также может создавать напряжение, например, вдоль вершины оси антиклинальной складки. В этом сценарии растягивающие силы, связанные с растяжением верхней половины слоев во время складывания, могут вызвать трещины при растяжении, параллельные оси складки.

Другой аналогичный механизм разрушения при растяжении - это гидроразрыв . В естественной среде это происходит, когда быстрое уплотнение отложений, расширение термического флюида или закачка флюида приводит к тому, что давление флюида в порах, σ p , превышает давление наименьшего основного нормального напряжения, σ n . Когда это происходит, трещина при растяжении открывается перпендикулярно плоскости наименьшего напряжения. [4]

Разрушение при растяжении также может быть вызвано приложением сжимающих нагрузок σ n вдоль оси, например, при испытании бразильского диска. [3] Эта приложенная сила сжатия приводит к продольному расщеплению. В этой ситуации крошечные трещины растяжения образуются параллельно оси нагрузки, в то время как нагрузка также заставляет закрыться любые другие микротрещины. Чтобы представить себе это, представьте конверт с загрузкой сверху. К верхнему краю приложена нагрузка, стороны конверта открываются наружу, хотя на них ничего не тянуло. Эти трещины иногда могут быть вызваны быстрым отложением и уплотнением.

Трещины при растяжении почти всегда называют соединениями , то есть трещинами, при которых не наблюдается заметного скольжения или сдвига.

Чтобы полностью понять эффекты приложенного растягивающего напряжения вокруг трещины в хрупком материале, таком как горная порода, можно использовать механику разрушения . Концепция механики разрушения была первоначально разработана А.А. Гриффитом во время Первой мировой войны. Гриффит смотрел на энергию, необходимую для создания новых поверхностей путем разрыва связей материала, в сравнении с энергией упругой деформации высвобождаемых растянутых связей. Анализируя стержень при равномерном растяжении, Гриффит определил выражение для критического напряжения, при котором трещина с благоприятной ориентацией будет расти. Критическое напряжение при разрушении определяется выражением

[4]

где γ = поверхностная энергия, связанная с разорванными связями, E = модуль Юнга и a = половина длины трещины. Механика разрушения обобщила, что γ представляет собой энергию, рассеиваемую при разрыве, а не только энергию, связанную с созданием новых поверхностей.

Линейная механика упругого разрушения [ править ]

Линейная механика упругого разрушения (LEFM) основывается на подходе энергетического баланса, принятом Гриффитом, но обеспечивает более общий подход для многих проблем с трещинами. LEFM исследует поле напряжений около вершины трещины и основывает критерии разрушения на параметрах поля напряжений. Одним из важных вкладов LEFM является коэффициент интенсивности напряжения K, который используется для прогнозирования напряжения в вершине трещины. Поле напряжений определяется выражением

где - коэффициент интенсивности напряжения для режима растрескивания I, II или III, и - безразмерная величина, которая изменяется в зависимости от приложенной нагрузки и геометрии образца. Поскольку поле напряжений приближается к вершине трещины, то есть , становится фиксированной функцией . Зная геометрию трещины и приложенные напряжения в дальней зоне, можно предсказать напряжения в вершине трещины, смещение и рост. Скорость высвобождения энергии определяется как отношение K к энергетическому балансу Гриффитса, как определено ранее. Как в LEFM, так и в подходе к балансу энергии предполагается, что трещина не имеет сцепления за вершиной трещины. Это создает проблему для геологических приложений, таких как разлом, где трениесуществует по всей вине. Преодоление трения поглощает часть энергии, которая в противном случае пошла бы на рост трещины. Это означает, что для роста трещин в режимах II и III, LEFM и энергетический баланс представляют собой локальные трещины под напряжением, а не глобальные критерии.

Образование и распространение трещин [ править ]

Шероховатые поверхности на куске раздробленного гранита
Сдвиговая трещина (синий цвет) при сдвиговом нагружении (черные стрелки) в породе. Трещины растяжения, также называемые крыловыми трещинами (красные), растут под углом от краев сдвиговой трещины, позволяя сдвиговой трещине распространяться за счет слияния этих трещин при растяжении.

Трещины в горных породах не образуют гладкой дорожки, как трещина в лобовом стекле автомобиля, или очень пластичной трещины, как разорванный пластиковый пакет для продуктов. Породы представляют собой поликристаллический материал, поэтому трещины растут за счет слияния сложных микротрещин, которые возникают перед вершиной трещины. Эта область микротрещин называется зоной хрупкого процесса. [4] Рассмотрим упрощенную двумерную трещину сдвига, как показано на изображении справа. Трещина сдвига, показанная синим цветом, распространяется, когда трещины растяжения, показанные красным цветом, растут перпендикулярно направлению наименьших главных напряжений. Трещины растяжения распространяются на небольшое расстояние, затем становятся устойчивыми, позволяя трещинам сдвига распространяться. [5] Этот тип распространения трещин следует рассматривать только как пример. Разрушение горной породы - это трехмерный процесс, в котором трещины растут во всех направлениях. Также важно отметить, что после роста трещины микротрещины в зоне хрупкого процесса остаются, оставляя ослабленный участок породы. Этот ослабленный участок более подвержен изменениям порового давления и расширению или уплотнению. Обратите внимание, что это описание образования и распространения рассматривает температуры и давления у поверхности Земли. Скалы глубоко под землей подвержены очень высоким температурам и давлению. Это заставляет их вести себя в полухрупком и пластическом режимах, что приводит к существенно разным механизмам разрушения. В пластическом режиме трещины действуют как разорванный полиэтиленовый пакет. В этом случае напряжение в вершинах трещин передается двум механизмам:один будет способствовать распространению трещины, а другой притупиткончик трещины . [6] В переходной зоне между хрупкостью и пластичностью материал будет проявлять как хрупкость, так и пластичность с постепенным началом пластичности поликристаллической породы. Основная форма деформации называется катакластическим течением, которое вызывает разрушение и распространение трещин из-за смеси хрупких, фрикционных и пластических деформаций.   

Типы суставов [7] [ править ]

Описать суставы может быть сложно, особенно без наглядных пособий. Ниже приводится описание типичной геометрии стыков естественных трещин, которые могут встретиться при полевых исследованиях:

  • Перистые структуры - это сети трещин, которые образуются в различных масштабах и распространяются наружу от места стыка . Начало сустава представляет собой точку, в которой начинается перелом. Зона зеркала является совместной морфологией ближе к началу координат , что приводит к очень гладкой поверхности. Зоны тумана существуют по краям зеркальных зон и представляют собой зоны, где поверхность стыка слегка шероховата. После зон тумана преобладают зоны хакерства, где поверхность стыка становится довольно шероховатой. Эта серьезность зоны перетяжки обозначает зазубрины , которые представляют собой изгибы от оси шлейфа .
  • Ортогональные соединения возникают, когда соединения внутри системы расположены под взаимно перпендикулярными углами друг к другу.
  • Сопряженные стыки возникают, когда стыки пересекаются друг с другом под углами значительно меньше девяноста градусов.
  • Систематические соединения - это системы соединений , в которых все соединения параллельны или субпараллельны и сохраняют примерно одинаковое расстояние друг от друга.
  • Столбчатые соединения - это соединения, которые разрезают пласт вертикально в (обычно) шестиугольных колоннах. Это, как правило, результат охлаждения и сжатия гипабиссальных вторжений или потоков лавы.
  • Усыхания трещины являются соединениякоторые образуются в слое илакогда она высыхает и сжимается. Как и столбчатые соединения, они обычно имеют шестиугольную форму.
  • Сигмовидные суставы - это суставы, которые проходят параллельно друг другу, но между ними разрезаются сигмовидные (растянутые S) суставы.
  • Стыки листов - это стыки, которые часто образуются вблизи поверхности и в результате образуются параллельно поверхности. Их также можно распознать по отслоившимся суставам .
  • В системах соединений, где относительно длинные соединения пересекают обнажение, проходящие соединения действуют как главные соединения, а короткие соединения, которые возникают между ними, являются поперечными соединениями .
  • Эффект Пуассона - это образование трещин вертикального сжатия, возникающих в результате разгрузки перекрывающих пород над пластом.
  • Перистые суставы - это суставы, которые образуются непосредственно рядом с поверхностью сдвига разлома и параллельно ей. Эти стыки имеют тенденцию сливаться с разломами под углом от 35 до 45 градусов к поверхности разлома.
  • Разъединяющие соединения - это соединения , работающие на растяжение, которые образуются по мере того, как изменение геологической формы приводит к проявлению местного или регионального напряжения, которое может создавать трещины растяжения первого режима.
  • Параллельные стыки, которые отображают лестничный узор, представляют собой внутренние области с одним набором стыков, которые являются довольно длинными, а сопряженный набор стыков для схемы остается относительно коротким и оканчивается на длинном стыке.
  • Иногда соединения могут также отображать сеточные узоры , которые представляют собой наборы трещин, которые имеют взаимно пересекающиеся трещины.
  • Кулисообразно или активизировали массив представляет собой набор трещин на растяжение , что форма в пределах зоны неисправности параллельно друг другу.

Разломы и трещины от сдвига [ править ]

Разломы - это еще одна форма трещин в геологической среде. При любом типе разлома активная трещина испытывает разрушение при сдвиге, так как грани трещины скользят относительно друг друга. В результате эти трещины кажутся крупномасштабными представлениями трещин режима II и III, однако это не всегда так. В таком большом масштабе, как только происходит разрушение при сдвиге, трещина начинает изгибать свое распространение в том же направлении, что и трещины при растяжении. Другими словами, разлом обычно пытается сориентироваться перпендикулярно плоскости наименьшего главного напряжения. Это приводит к сдвигу вне плоскости относительно исходной плоскости отсчета. Следовательно, они не обязательно могут быть квалифицированы как переломы II или III типа. [7]

Дополнительной важной характеристикой трещин сдвига является процесс, посредством которого они порождают трещины крыльев , которые представляют собой трещины растяжения, которые образуются на вершине распространения трещин сдвига. Поскольку грани скользят в противоположных направлениях, на вершине создается натяжение, и создается трещина по моде I в направлении σ h-max , которое является направлением максимального главного напряжения.

Критерии разрушения при сдвиге - это выражение, которое пытается описать напряжение, при котором разрыв при сдвиге создает трещину и разделение. Этот критерий во многом основан на работе Чарльза Кулона, который предположил, что до тех пор, пока все напряжения являются сжимающими, как в случае разрушения при сдвиге, напряжение сдвига связано с нормальным напряжением следующим образом:

σ s = C + μ (σ nf ), [7]

где C - сцепление породы или напряжение сдвига, необходимое для разрушения, если нормальное напряжение в этой плоскости равно 0. μ - коэффициент внутреннего трения, который служит константой пропорциональности в геологии. σ n - нормальное напряжение в трещине в момент разрушения, σ f - давление поровой жидкости. Важно отметить, что давление порового флюида оказывает значительное влияние на напряжение сдвига, особенно там , где давление порового флюида приближается к литостатическому давлению , которое является нормальным давлением, вызванным весом вышележащей породы.

Эта взаимосвязь служит для определения границ кулоновского разрушения в рамках теории Мора-Кулона .

Фрикционное скольжение - это один из аспектов, который следует учитывать при сдвиговом гидроразрыве и сбросе. Сила сдвига, параллельная плоскости, должна преодолевать силу трения для перемещения поверхностей трещины друг напротив друга. При гидроразрыве фрикционное скольжение обычно оказывает существенное влияние только на реактивацию существующих трещин сдвига. Для получения дополнительной информации о силах трения см. Трение .

Двухмерная диаграмма Мора, показывающая различные критерии отказа для фрикционного скольжения и разломов. Существующие трещины, расположенные между -α / 4 и + α / 4 на диаграмме Мора, будут скользить до того, как на поверхности, обозначенной желтой звездой, образуется новый разлом.

Сдвигающая сила, необходимая для сдвига разлома, меньше силы, необходимой для разрыва и создания новых разломов, как показано на диаграмме Мора-Кулона . Поскольку земля полна существующих трещин, а это означает любое приложенное напряжение, многие из этих трещин с большей вероятностью будут скользить и перераспределять напряжение, чем возникнет новая трещина. Показанная диаграмма Мора представляет собой наглядный пример. Для данного напряженного состояния в земле, если существует существующий разлом или трещина, ориентированная где-нибудь от -α / 4 до + α / 4, этот разлом будет сдвигаться до того, как будет достигнута прочность породы, и образуется новый разлом. Хотя приложенные напряжения могут быть достаточно высокими для образования нового разлома, существующие плоскости разлома будут скользить до того, как разрушение произойдет.

Одной из важных идей при оценке поведения трения внутри трещины является влияние неровностей , то есть неровностей, которые выступают из шероховатых поверхностей трещин. Поскольку на обеих сторонах есть выпуклости и выступающие части, не вся поверхность перелома фактически касается другой стороны. Кумулятивное воздействие неровностей - это уменьшение реальной площади контакта » , что важно при установлении сил трения. [7]

Докритический рост трещины [ править ]

Иногда жидкости внутри трещины могут вызвать распространение трещины с гораздо более низким давлением, чем требовалось изначально. Реакция между определенными жидкостями и минералами, из которых состоит горная порода, может снизить напряжение, необходимое для разрушения, ниже напряжения, необходимого для всей остальной породы. Например, вода и кварц могут реагировать с образованием замещения молекул ОН молекулами О в решетке кварцевого минерала вблизи вершины трещины. Поскольку связь ОН намного ниже, чем связь с О, она эффективно снижает необходимое растягивающее напряжение, необходимое для расширения трещины. [7]

Технические соображения [ править ]

В геотехнической инженерии трещина образует разрыв, который может иметь большое влияние на механическое поведение (прочность, деформацию и т. Д.) Грунта и горных пород, например, в туннелях , фундаментах или при строительстве откосов .

Трещины также играют важную роль в разработке полезных ископаемых. Одним из аспектов сектора разведки и добычи является добыча из естественно-трещиноватых коллекторов. В Соединенных Штатах имеется большое количество коллекторов с естественной трещиноватостью, и за последнее столетие они значительно увеличили чистую добычу углеводородов в стране.

Ключевая концепция заключается в том, что, хотя хрупкие породы с низкой пористостью могут иметь очень мало естественного накопления или текучести, порода подвергается напряжениям, вызывающим трещины, и эти трещины могут фактически хранить очень большой объем углеводородов, которые могут быть извлечены при очень высокой тарифы. Одним из самых известных примеров плодородного коллектора с естественными трещинами была формация Остин Чок в Южном Техасе. Мел имел очень маленькую пористость и еще меньшую проницаемость. Однако тектонические напряжения со временем создали один из самых обширных трещиноватых резервуаров в мире. Прогнозируя расположение и связность сетей трещин, геологи смогли спланировать горизонтальные стволы скважин так, чтобы они пересекали как можно больше сетей трещин. Многие люди считают, что это месторождение стало началом настоящего горизонтального бурения в контексте разработки.Другой пример в Южном Техасе - известняковые образования Джорджтауна и Буда.

Более того, недавний рост количества нетрадиционных коллекторов на самом деле частично является результатом естественных трещин. В этом случае эти микротрещины аналогичны трещинам Гриффита, однако они часто могут быть достаточными для обеспечения необходимой производительности, особенно после заканчивания, чтобы сделать то, что раньше было маргинальными экономическими зонами, коммерчески продуктивным с постоянным успехом.

Однако, хотя естественные трещины часто могут быть полезными, они также могут выступать в качестве потенциальной опасности при бурении скважин. Естественные трещины могут иметь очень высокую проницаемость , и в результате любые различия в гидростатическом балансе в глубине скважины могут привести к проблемам с контролем скважины. Если встречается система естественной трещины под более высоким давлением, высокая скорость, с которой пластовый флюид может течь в ствол скважины, может привести к тому, что ситуация быстро перерастет в выброс, либо на поверхности, либо в более высоком подземном пласте. И наоборот, если встречается сеть трещин с более низким давлением, жидкость из ствола скважины может очень быстро течь в трещины, вызывая потерю гидростатического давления и создавая возможность выброса из пласта дальше по стволу скважины.

Моделирование трещин [ править ]

Трехмерная компьютерная модель сети трещин и разломов (DFN / DFFN), показывающая различные геологические наборы в цветах, сгенерированная протоколом DMX с использованием комбинации вероятностных и детерминированных процедур.

С середины 1980-х годов 2D и 3D компьютерное моделирование сетей разломов и трещин стало обычной практикой в ​​науках о Земле. [8] Эта технология стала известна как моделирование «DFN» (дискретная сеть трещин), [9] позже преобразованная в моделирование «DFFN» (дискретная сеть разломов и трещин). [10]

Технология состоит из определения статистической вариации различных параметров, таких как размер, форма и ориентация, и моделирования сети трещин в пространстве полувероятным способом в двух или трех измерениях. Компьютерные алгоритмы и скорость вычислений стали достаточно способными фиксировать и моделировать сложности и геологические изменения в трех измерениях, что проявляется в так называемом «протоколе DMX». [11]

Терминология перелома [ править ]

Список терминов, связанных с переломом: [7]

  • трещина - любая поверхность разрыва в слое горной породы
  • жила - трещина, заполненная минералами, выпавшими из водного раствора
  • дайка - трещина, заполненная осадочными или вулканическими породами, не образующими трещины.
  • стык - естественная трещина в пласте, в которой нет измеряемого сдвигового смещения
  • сдвиговой перелом - трещины, в которых произошло сдвигающее смещение
  • разлом - (в геологическом смысле) поверхность трещины, по которой произошло скольжение
  • след излома - линия, представляющая пересечение плоскости излома с поверхностью
  • вершина трещины - точка, в которой след трещины заканчивается на поверхности
  • фронт трещины - линия, отделяющая породу с трещинами от породы, которая не
  • Трещины Гриффита - существовавшие ранее микротрещины и трещины в породе
  • осевое растяжение - механизм разрушения, возникающий в результате приложенной на расстоянии растягивающей силы, которая создает трещины, перпендикулярные оси растягивающей нагрузки
  • продольное расщепление - механизм разрушения в результате сжатия вдоль оси, создающей трещины, параллельные оси нагрузки
  • трещины крыла - трещины растяжения, образовавшиеся в результате распространения трещин сдвига
  • K IC - коэффициент критической интенсивности напряжения, также известный как вязкость разрушения - интенсивность напряжения, при которой может происходить распространение трещины при растяжении.
  • неровности - крошечные бугорки и выступы вдоль поверхностей трещин
  • давление порового флюида - давление, оказываемое флюидом в порах породы
  • литостатическое давление - вес вышележащего столба породы
  • катакластический поток - микроскопический пластичный поток, возникающий в результате мелкозернистого разрушения и фрикционного скольжения, распределенного по большой площади.

См. Также [ править ]

  • Неисправности
  • Гидроразрыв
  • Теория Мора-Кулона
  • Оперативная группа
  • Crevasse

Ссылки [ править ]

  1. ^ Парк, RG (2005) Фонд структурной геологии (перепечатка издания Чепмена и Холла 1997 года) Рутледж, Абингдон, Англия, страница 9 , ISBN  978-0-7487-5802-9
  2. ^ Петров, Y (2013-05-28). «Структурно-временной подход к моделированию динамики разрушения в хрупких средах». Рок-динамика и приложения - современное состояние . CRC Press. С. 101–110. DOI : 10.1201 / b14916-10 . ISBN 9781138000568.
  3. ^ Ли, Диюань; Вонг, Луи Нгай Юэн (15 мая 2012 г.). «Бразильский дисковый тест для приложений механики горных пород: обзор и новые идеи». Механика горных пород и горная инженерия . 46 (2): 269–287. DOI : 10.1007 / s00603-012-0257-7 . S2CID 129445750 - через Springer Vienna. 
  4. ^ a b Шольц, Кристофер (2002). Механика землетрясений и разломов . Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. С. 4–36. ISBN 978-0-521-65540-8.
  5. ^ Скоба, WF; Бомболакис, Э.Г. (15 июня 1963 г.). «Заметка о росте хрупких трещин при сжатии». Журнал геофизических исследований . 68 (12): 3709–3713. DOI : 10.1029 / JZ068i012p03709 .
  6. ^ Zehnder, Алан (2012). Механика разрушения . Springer. ISBN 978-94-007-2594-2.
  7. ^ a b c d e f Ван дер Плюйм, Бен А. и Маршак, Стивен (2004) Строение Земли - второе издание WW Norton & Company, Inc. Нью-Йорк, Нью-Йорк, ISBN 0-393-92467-X 
  8. ^ Дершоуиц, С., Валльманн, ПК, и Доу, TW (1992); Дискретный анализ двойной пористости массивов трещиноватых горных пород: приложения к трещиноватым коллекторам и опасным отходам. В: JR Tillerson & WR Wawersik (ред. Rock Mechanics. Balkema, Rotterdam, 543-550.
  9. ^ Дершовиц, WS (1979); Вероятностная модель деформируемости сочлененных горных массивов. Msc. Диссертация, Массачусетский технологический институт, Кембридж, Массачусетс, 1979.
  10. ^ Ван Дейк, JP (1998), "Анализ и моделирование трещиноватых коллекторов". , SPE Paper 50570, Europec; Европейская нефтяная конференция, Том 1, 31-43.
  11. ^ ван Дейк, JP (2019), «Протокол DMX: новое поколение геологического моделирования трехмерных дискретных разломов и сетей разломов». , Конференция Adipec, ноябрь 2019 г., Абу-Даби, SPE-197772-MS, 17 стр.