Перелом (геология)

Эта статья о трещинах в горных породах. Терминологию, описывающую форму и текстуру поверхностей разрушения отдельных минералов, см. в разделе « Разлом (минералогия)» .

Трещина в горной породе в -Капской провинции Восточно Южной Африки : механизм хрупкой деформации в ответ на стресс.

Трещина — это любое разделение геологической формации , например трещина или разлом , который делит породу на две или более частей. Иногда трещина образует глубокую трещину или расщелину в скале. Переломы обычно возникают из-за напряжения, превышающего прочность горной породы, в результате чего горная порода теряет сцепление в самой слабой плоскости. Трещины могут обеспечивать проницаемость для движения жидкостей , таких как вода или углеводороды . Сильно трещиноватые породы могут быть хорошими водоносными горизонтами или резервуарами углеводородов , поскольку они могут обладать как значительной проницаемостью , так и трещинной пористостью .

Хрупкая деформация

Переломы – это формы хрупкой деформации. Различают два типа процессов первичной хрупкой деформации. Разрушение при растяжении приводит к разрушению суставов . Сдвиговые переломы — это первые первоначальные разрушения, возникающие в результате сдвиговых усилий, превышающих прочность сцепления в этой плоскости.

После этих двух начальных деформаций можно наблюдать несколько других типов вторичной хрупкой деформации, таких как фрикционное скольжение или катакластическое течение на реактивированных соединениях или разломах.

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

Причины

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

Трещины в горных породах могут образовываться как за счет сжатия, так и за счет растяжения. К переломам сжатия относятся надвиговые разломы . Переломы также могут быть результатом напряжения сдвига или растяжения. Некоторые из основных механизмов обсуждаются ниже.

Режимы

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

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

Дополнительную информацию об этом см. в разделе «Механика разрушения» .

Растягивающие переломы

Мультяшные примеры распространенных механизмов разрушения при растяжении в лабораторных образцах горных пород. А) Осевое растяжение: растяжение прикладывается далеко от трещины. Б) Гидравлический разрыв: напряжение или сжатие прикладывается далеко от трещины, и давление жидкости увеличивается, вызывая напряжение на поверхности трещин. C) Испытание бразильского диска: приложенные сжимающие нагрузки параллельно трещине приводят к выпучиванию сторон диска и возникновению напряжения на поверхностях трещины.

Породы содержат множество ранее существовавших трещин, в которых можно исследовать развитие трещин растяжения или разрушения I степени.

Первая форма – это осевое растяжение. В этом случае прикладывается отдаленное растягивающее напряжение σ _n , позволяющее микротрещинам слегка раскрыться по всей растянутой области. По мере раскрытия этих трещин напряжения в их вершинах усиливаются, в конечном итоге превышая прочность горной породы и позволяя трещине распространяться. Это может произойти во время быстрой эрозии вскрышных 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 растяжения, параллельные оси складки.

Другой, похожий механизм разрушения при растяжении – это гидроразрыв . В естественной среде это происходит, когда быстрое уплотнение отложений, термическое расширение жидкости или закачка жидкости приводят к тому, что давление поровой жидкости σ _p превышает давление наименьшего главного нормального напряжения σ _n . Когда это происходит, трещина растяжения 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. 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 закрываться любые другие микротрещины. Чтобы представить это, представьте себе конверт с загрузкой сверху. На верхний край приложена нагрузка, боковые стороны конверта открываются наружу, хотя их ничего не тянуло. Быстрое осаждение и уплотнение иногда могут вызвать эти трещины.

Переломы растяжения почти всегда называются суставами , то есть переломами, при которых не наблюдается заметного скольжения или сдвига.

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

$\sigma _{f}=({2E\gamma \over \pi a})^{1/2}$

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

Линейная упругая механика разрушения

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

$\sigma _{ij}(r,\theta )={K \over (2\pi r)^{1/2}}f_{ij}(\theta )$

где $K$ - коэффициент интенсивности напряжений для растрескивания режима I, II или III и $f_{ij}$представляет собой безразмерную величину, которая меняется в зависимости от приложенной нагрузки и геометрии образца. По мере приближения поля напряжений к вершине трещины, т.е. $r\rightarrow 0$, $f_{ij}$становится фиксированной функцией $\theta$. Зная геометрию трещины и приложенные напряжения в дальней зоне, можно предсказать напряжения в вершине трещины, ее смещение и рост. Скорость выделения энергии определяется для связи K с энергетическим балансом Гриффитса, как было определено ранее. Как в подходах LEFM, так и в подходах энергетического баланса предполагается, что трещина за вершиной трещины несвязна. Это создает проблему для геологических приложений, например, разлом, когда трение существует по всему разлому. Преодоление трения поглощает часть энергии, которая в противном случае пошла бы на рост трещин. Это означает, что для роста трещин в режимах II и III LEFM и энергетические балансы представляют собой локальные разрушения под напряжением, а не глобальные критерии.

Образование и распространение трещин

Грубые поверхности на куске расколотого гранита

Сдвиговое разрушение (синий) под действием сдвиговой нагрузки (черные стрелки) в породе. Трещины растяжения, также называемые «крыльевыми трещинами» (красные), растут под углом от краев трещины сдвига, позволяя трещине сдвига распространяться за счет слияния этих трещин растяжения.

Трещины в камне не образуют гладких путей, как трещина в лобовом стекле автомобиля, или высокопластичных трещин, как в разорванном пластиковом пакете для продуктов. Горные породы представляют собой поликристаллический материал, поэтому трещины растут за счет слияния сложных микротрещин, возникающих перед вершиной трещины. Эту область микротрещин называют зоной хрупкого процесса. Рассмотрим упрощенную двумерную трещину сдвига, как показано на изображении справа. Трещина сдвига, показанная синим цветом, распространяется, когда трещины растяжения, показанные красным, растут перпендикулярно направлению наименьших главных напряжений. Трещины растяжения распространяются на небольшое расстояние, а затем становятся устойчивыми, позволяя трещине сдвига распространяться. Этот тип распространения трещин следует рассматривать только как пример. Разрушение горных пород — это трехмерный процесс, при котором трещины растут во всех направлениях. Важно также отметить, что по мере роста трещины микротрещины в зоне хрупкого процесса остаются, оставляя ослабленный участок породы. Этот ослабленный участок более восприимчив к изменениям порового давления, расширению или уплотнению. Обратите внимание, что это описание формирования и распространения учитывает температуру и давление вблизи поверхности Земли. Породы глубоко под землей подвержены очень высоким температурам и давлениям. Это заставляет их вести себя в полухрупком и пластическом режимах, что приводит к существенно разным механизмам разрушения. В режиме пластика трещины действуют как рвущийся полиэтиленовый пакет. В этом случае напряжение на вершинах трещины воздействует на два механизма: один из них будет способствовать распространению трещины, а другой - притуплению вершины трещины . В зоне хрупко-пластического перехода материал будет проявлять как хрупкие, так и пластические свойства с постепенным наступлением пластичности в поликристаллической породе. Основная форма деформации называется катакластическим течением, которое приводит к разрушению и распространению трещин за счет смеси хрупко-фрикционных и пластических деформаций.

Типы соединений

Основная статья: Джойнт (геология)

Описывать суставы может быть сложно, особенно без визуальных эффектов. Ниже приведены описания типичных геометрий соединений естественных трещин, которые могут встретиться в полевых исследованиях:

• Персиковые структуры представляют собой сети трещин, которые формируются в различных масштабах и распространяются наружу от места соединения . Начало сустава представляет собой точку, в которой начинается перелом. Зеркальная зона — это морфология сустава, наиболее близкая к исходной, что приводит к очень гладким поверхностям. Зоны тумана существуют по краям зеркальных зон и представляют собой зону, где поверхность соединения слегка становится шероховатой. Зоны хакла преобладают после зон тумана, где поверхность сустава начинает становиться довольно шероховатой. Эта выраженность зоны перьев обозначает заусеницы , которые представляют собой изгибы, отходящие от оси шлейфа .
• Ортогональные соединения возникают, когда соединения внутри системы располагаются под взаимно перпендикулярными углами друг к другу.
• Сопряженные суставы возникают, когда суставы пересекают друг друга под углами значительно меньшими девяноста градусов.
• Систематические суставы — это системы суставов, в которых все суставы параллельны или субпараллельны и находятся примерно на одинаковом расстоянии друг от друга.
• Колоннистые соединения — это соединения, которые разрезают пласт вертикально (обычно) в шестиугольных колоннах. Они, как правило, являются результатом охлаждения и сжатия в гипабиссальных интрузиях или потоках лавы.
• высыхания Трещины — это швы, которые образуются в слое грязи, когда она высыхает и сжимается. Как и столбчатые соединения, они обычно имеют шестиугольную форму.
• Сигмовидные суставы — это суставы, которые идут параллельно друг другу, но между ними пересекаются сигмовидные (растянутые S) суставы.
• Соединения листового металла — это соединения, которые часто образуются вблизи поверхности и в результате образуются параллельно поверхности. Их также можно обнаружить в отслаивающихся суставах .
• В системах трещин, где относительно длинные трещины пересекают обнажение породы, проходящие трещины действуют как основные трещины , а короткие трещины, возникающие между ними, являются поперечными трещинами .
• Эффект Пуассона – это образование вертикальных трещин сжатия, возникающих в результате разгрузки вскрышных пород над пластом.
• Перистые трещины — это трещины, которые образуются непосредственно рядом со сдвиговой поверхностью разлома и параллельно ей. Эти трещины имеют тенденцию сливаться с разломами под углом от 35 до 45 градусов к поверхности разлома.
• Релаксационные соединения представляют собой растянутые соединения, которые образуются в результате изменения геологической формы, что приводит к проявлению местного или регионального напряжения, которое может создать разрывы при растяжении I типа.
• Сопутствующие суставы, отображающие лестничный узор, представляют собой внутренние области с одним набором суставов, которые довольно длинные, а сопряженный набор суставов для узора остается относительно коротким и заканчивается на длинном суставе.
• Иногда в суставах также могут отображаться сетчатые узоры , которые представляют собой наборы трещин, имеющих взаимно пересекающиеся трещины.
• Эшелонированная . или ступенчатая массив представляет собой совокупность трещин растяжения, которые формируются внутри зоны разлома параллельно друг другу

Разломы и сдвиговые переломы

Разломы — это еще одна форма трещин в геологической среде. При любом типе разломов активная трещина испытывает сдвиговое разрушение, поскольку грани трещины скользят относительно друг друга. В результате эти трещины кажутся крупномасштабными изображениями переломов режима II и III, однако это не обязательно 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 ориентироваться перпендикулярно плоскости наименьшего главного напряжения. Это приводит к сдвигу вне плоскости относительно исходной базовой плоскости. Следовательно, их нельзя обязательно квалифицировать как переломы II или III типа.

Дополнительной важной характеристикой сдвиговых переломов является процесс, в результате которого они порождают крылатые трещины , которые представляют собой трещины растяжения, которые образуются на концах распространения сдвиговых переломов. Поскольку грани скользят в противоположных направлениях, на кончике создается напряжение и происходит разрушение режима 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 приводит к образованию трещины и разделения. Этот критерий во многом основан на работе Чарльза Кулона, который предположил, что, пока все напряжения являются сжимающими, как в случае сдвигающего разрушения, касательное напряжение связано с нормальным напряжением следующим образом:

σ _s = C+μ(σ _n -σ _f ),

где C — сцепление породы или напряжение сдвига, необходимое для разрушения, при условии, что 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 представляет собой давление поровой жидкости. Важно отметить, что давление поровой жидкости оказывает значительное влияние на напряжение сдвига, особенно там, где давление поровой жидкости приближается к литостатическому давлению , которое является нормальным давлением, вызванным весом вышележащей породы.

Это соотношение служит для определения границы кулоновского разрушения в теории Мора-Кулона .

Фрикционное скольжение является одним из аспектов, который следует учитывать во время сдвиговых трещин и разломов. Сила сдвига, параллельная плоскости, должна преодолеть силу трения, чтобы сдвинуть грани трещины друг через друга. При гидроразрыве фрикционное скольжение обычно оказывает существенное влияние только на реактивацию существующих сдвиговых трещин. Дополнительную информацию о силах трения см. в разделе «Трение» .

2D-диаграмма Мора, показывающая различные критерии разрушения при фрикционном скольжении и разрушении. Существующие трещины, ориентированные между -α/4 и +α/4 на диаграмме Мора, будут смещаться до того, как на поверхности, обозначенной желтой звездочкой, образуется новый разлом.

Сила сдвига, необходимая для скольжения разлома, меньше силы, необходимой для разрушения и создания новых разломов, как показано на диаграмме Мора-Кулона . Поскольку земля полна существующих трещин, а это означает, что при любом приложенном напряжении многие из этих трещин с большей вероятностью проскользнут и перераспределят напряжение, чем возникнут новые трещины. Показанная диаграмма Мора представляет собой наглядный пример. Для данного напряженного состояния земли, если существует существующий разлом или трещина, ориентированная в диапазоне от -α/4 до +α/4, этот разлом сместится до того, как будет достигнута прочность горной породы и образуется новый разлом. Хотя приложенные напряжения могут быть достаточно высокими, чтобы образовать новый разлом, существующие плоскости разрушения будут смещаться до того, как произойдет разрушение.

Одной из важных идей при оценке поведения трения внутри трещины является влияние неровностей , которые представляют собой неровности, выступающие из шероховатых поверхностей трещин. Поскольку на обеих гранях имеются выступы и выступающие части, не вся поверхность перелома фактически касается другой грани. Совокупным воздействием неровностей является уменьшение реальной площади контакта , что важно при установлении сил трения.

Докритический рост трещины

Иногда жидкости внутри трещины могут вызвать распространение трещины при гораздо более низком давлении, чем первоначально требовалось. Реакция между определенными жидкостями и минералами, из которых состоит порода, может снизить напряжение, необходимое для разрушения, ниже напряжения, необходимого для остальной части породы. Например, вода и кварц могут вступить в реакцию, замещая молекулы OH молекулами O в кристаллической решетке кварца вблизи вершины трещины. Поскольку связь OH намного ниже, чем у O, она эффективно снижает необходимое растягивающее напряжение, необходимое для расширения трещины.

Инженерные соображения

В геотехнической инженерии трещина образует разрыв , который может иметь большое влияние на механическое поведение (прочность, деформацию и т. д.) грунта и горных пород, например, при строительстве туннелей , фундаментов или откосов .

Трещины также играют значительную роль в разработке полезных ископаемых. Одним из аспектов энергетического сектора разведки и добычи является добыча из коллекторов с естественной трещиноватостью. В Соединенных Штатах существует большое количество залежей с естественными трещинами, и за последнее столетие они обеспечили существенный рост чистой добычи углеводородов в стране.

Ключевая концепция заключается в том, что, несмотря на то, что хрупкие породы с низкой пористостью могут иметь очень низкую естественную способность к хранению или текучести, порода подвергается напряжениям, которые вызывают трещины, и эти трещины могут фактически хранить очень большой объем углеводородов, которые можно добыть при очень высоких температурах. ставки. Одним из самых известных примеров богатого естественно трещиноватого коллектора была формация Остин Чок в Южном Техасе. Мел имел очень небольшую пористость и еще меньшую проницаемость. Однако тектонические напряжения с течением времени создали один из самых обширных трещиноватых резервуаров в мире. Предсказав расположение и связность сетей трещин, геологи смогли спланировать горизонтальные стволы скважин так, чтобы они пересекали как можно больше сетей трещин. Многие люди приписывают этому месторождению рождение настоящего горизонтального бурения в контексте разработки. Другим примером в Южном Техасе являются известняковые формации Джорджтаун и Буда.

Более того, недавний рост распространенности нетрадиционных коллекторов на самом деле частично является результатом естественных трещин. В данном случае эти микротрещины аналогичны трещинам Гриффита, однако их часто может быть достаточно для обеспечения необходимой производительности, особенно после завершения работ, чтобы сделать то, что раньше было маргинальными экономическими зонами, коммерчески продуктивным с повторяемым успехом.

Однако, хотя естественные трещины часто могут быть полезными, они также могут представлять собой потенциальную опасность при бурении скважин. Естественные трещины могут иметь очень высокую проницаемость , и в результате любые различия в гидростатическом балансе в скважине могут привести к проблемам с контролем скважины. Если встречается система естественных трещин с более высоким давлением, высокая скорость, с которой пластовая жидкость может течь в ствол скважины, может привести к быстрому перерастанию ситуации в выброс, либо на поверхности, либо в более высоких подземных пластах. 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 вероятность выброса из пласта, расположенного дальше по скважине.

Моделирование трещин

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

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

Технология заключается в определении статистического изменения различных параметров, таких как размер, форма и ориентация, и моделировании сети трещин в пространстве полувероятностным способом в двух или трех измерениях. Компьютерные алгоритмы и скорость вычислений стали достаточно способны улавливать и моделировать сложности и геологические изменчивости в трех измерениях, что проявляется в так называемом «Протоколе DMX».

Терминология переломов

Список терминов, связанных с переломами:

• неровности – крошечные неровности и выступы вдоль поверхностей переломов.
• осевое растяжение - механизм разрушения, возникающий в результате приложенной на расстоянии растягивающей силы, которая создает трещины перпендикулярно оси растягивающей нагрузки.
• катакластическое течение – микроскопическое пластичное течение, возникающее в результате мелкозернистого разрушения и фрикционного скольжения, распределенного по большой площади.* разрушение – любая поверхность неоднородности внутри слоя породы.
• дайка - трещина, заполненная осадочной или магматической породой, не образующейся в трещине.
• разлом – (в геологическом смысле) поверхность разлома, по которой произошло скольжение.
• трещина - перелом со стенками, которые отделились и значительно открылись.

• Фронт трещины – линия, отделяющая расколовшуюся породу от еще не расколовшейся породы.
• Вершина трещины - точка, в которой след трещины заканчивается на поверхности.
• след излома – линия, представляющая пересечение плоскости излома с поверхностью.
• Трещины Гриффита – ранее существовавшие микротрещины и изъяны в породе.
• сустав - естественная трещина в пласте, в которой нет измеримого сдвигового смещения.
• K _IC – критический коэффициент интенсивности напряжений, он же вязкость разрушения – интенсивность напряжения, при которой может произойти распространение трещины при растяжении.
• литостатическое давление - вес вышележащей колонны породы.
• продольное расщепление - механизм разрушения, возникающий в результате сжатия вдоль оси, который создает трещины, параллельные оси нагрузки.
• давление поровой жидкости – давление, оказываемое жидкостью внутри пор породы.
• сдвиговый перелом - переломы, в которых произошло сдвиговое смещение.
• жила – трещина, заполненная минералами, выделившимися из водного раствора.
• крылатые трещины - трещины растяжения, возникающие в результате распространения трещин сдвига.

См. также

• Трещина
• Неисправности
• Трещина земли
• Гидравлический разрыв пласта
• Теория Мора – Кулона
• Оперативная группаМаджелла