Неравновесные процессы, проницаемость и микротрещины в земной коре

Рассматриваются неравновесные процессы, проницаемость и микротрещины в земной коре

Определение проницаемости различных структурно-вещественных комплексов земной коры и верхней мантии относится к одной из самых актуальных проблем современной геологии. Данные о проницаемости среды используются для расчетов пространственно- временных характеристик перераспределения потоков вещества и энергии, задействованных при различных геологических процессах и явлениях. При этом рассматривается широкий круг вопросов, связанных с поисками, разведкой и эксплуатацией месторождений ряда полезных ископаемых, антропогенным воздействием на природную среду, прогнозированием опасных геологических процессов и явлений.

Проницаемость геологической среды на глубинах более 4-5км. до последнего времени остается предметом многочисленных дискуссий. Это объясняется тем, что проницаемость сложным образом зависит от физико-механических, тепловых, емкостно-фильтрационных, физико-химических свойств горных пород и флюидов. Также известно, что часть вариаций проницаемости горных пород в естественном залегании связана с воздействием динамических составляющих полей напряжений и деформаций (природного и антропогенного генезиса). Экспериментальные исследования, в условиях имитирующих природные, позволили определить пределы изменения проницаемости при повышенных температурах (500 – 600С^o) и эффективных давлениях (до 200МПА), соответствующих всему разрезу континентальной земной коры при среднем и низком температурном градиенте, или средней и верхней коры, при условиях высокого теплового потока [1].

Эволюция представлений о проницаемости литосферы идет в направлении признания перераспределения флюидов во всем объеме твердой оболочки нашей планеты. Наличие и перемещение флюидов в земной коре на глубинах до 12 км подтверждается результатами проводки сверхглубоких скважин. Результаты исследований Н.И. Хитарова, Л.А. Иванова, П. Бриджмена, А.П. Виноградова, В.В. Белоусова и ряда других авторов позволяют предположить существование водных растворов, паров и газов до глубин около 40 км [2]. Наличие и перемещение флюидов в нижней части земной коры и верхней мантии связывают с термодинамическими неравновесными геодинамическими процессами в литосфере [3]. Но существование этих неравновесных процессов возможно лишь при наличии источника энергии, обеспечивающего, как минимум, существование полей напряжений и деформаций. Подтверждением реальности наличия неравновесных процессов служит установленное в ряде случаев изменение электропроводимости в земной коре, предшествующее землетрясениям и локализованное в зонах волноводов. Это позволяет рассматривать перераспределение сейсмической энергии и вариации распределения токопроводящих флюидов (проницаемости горных пород) как следствие связанных между собой процессов [3,6].
К настоящему времени накоплено достаточно информации и для того, чтобы считать, что перемещение флюидов от мантии к земной поверхности существует. Например, следствием этого перемещения является «газовое дыхание» Земли, усредненные оценки которого около 2-3 см³/сут·м² [4].

Наиболее приемлемым местом нахождения токопроводящего флюида и, следовательно, проницаемого участка горной породы в условиях средней и нижней коры, в верхней мантии признаются границы зерен [3,6]. С физической точки зрения, токопроводящие границы зерен – это микротрещины.

Распределение микротрещин (объемная концентрация) и их характеристики представляют значительный интерес [7]:

• при разработке физико-математических интегральных моделей предвестников землетрясений;
  
• для определения стадийности образования и перестройки систем трещин, перераспределении флюидов.
  

Экспериментальные и теоретические исследования позволяют (сделав определенные предположения) установить функциональные зависимости, связывающие между собой значения проницаемости (К), пористости (f) и количество трещин (N) на единицу длины равную одному сантиметру.

Предположения о преобладании в пустотном пространстве (при значениях пористости не превышающей 5%) хаотически распределенных микротрещин позволили получить следующую зависимость [5]:

К = 0,41·10 -6 · (1/N)2· (f)3 -(м2)

.

Из этой формулы следует, что

N = (0,41·10 -6 ·f3/К)1/2

Воспользуемся результатами определения проницаемости и пористости для кристаллических пород из работ [1] и наших работ для расчета распределения среднего количества микротрещин в проницаемых зонах земной коры, в зависимости от глубины. Результаты этих расчетов представлены в таблице. Здесь же представлены данные о среднем расстоянии между микротрещинами (r, в мкм).

Верхняя часть земной коры в интервале глубин 0-5км имеет:

• среднее значении пористости 0,7%;
  
• проницаемость - от 10 ^-15 до 10 ^-17 м²;
  
• количество трещин от 12 до 120 на 1см;
  
• расстояние между микротрещинами от 80 до 830мкм.
  

Средняя часть коры в интервале глубин 5 – 19км имеет:

• среднее значении пористости 0,7%;
  
• проницаемости - от 10 ^-17 до 10 ^-19м²;
  
• количество трещин на 1 см изменяется в пределах от 120 до 1200;
  
• расстояние между трещинами – от 8 до 80мкм.
  

Нижняя часть земной коры в интервале глубин 19 – 38км при среднем значении пористости 1,0% имеет различия в проницаемости от 10 ^-19 до 10 ^-20 м², количество трещин изменяется в пределах от 2000 до 6400, расстояние между трещинами варьирует в пределах 2 – 5 мкм. При расстоянии между трещинами порядка единиц микрон характерные размеры кристаллических зерен также составляют единицы микрон.

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы для зон повышенной проницаемости в земной коре:

• количество микротрещин увеличивается с ростом глубины;
  
• расстояние между микротрещинами уменьшается с ростом глубины;
  
• характерные размеры ненарушенных кристаллических зерен минералов с увеличением глубины уменьшаются.
  

При теоретическом рассмотрении термодинамически неравновесных процессов, лабораторном моделировании процессов локализации деформации при метаморфизме, размеры зерен изменяются в пределах от 0,1мкм до 1мм. Характерный размер зерен активизированных сдвиговых структур (которые соответствуют рассматриваемым проницаемым зонам) на глубинах средней и нижней коры, принимается порядка единиц мкм [6]. Полученные нами результаты подтверждают этот вывод.

Учитывая полученные нами результаты, представляется достаточно очевидным вывод не только о связи неравновесных процессов и микротрещин, но и влиянии глубин проявлений этих процессов:

• наличие неравновесных процессов приводит к изменению количества микротрещин в задействованных объемах земной коры;
  
• количество микротрещин (и их характеристики) зависит от глубины проявлений неравновесных процессов
  

Библиографический список

1. Шмотов В.М., Витовтова В.М., Жариков А.В. Флюидная проницаемость пород земной коры. - М.: Научный мир, 2002 г. – 216 с.
   
2. Козачок И.А., Ризник Я.Е. Нейтронно-замедляющие характеристики пород-коллекторов на больших глубинах. – Киев: «Наукова думка», 1977 г. – 144 с.
   
3. Родкин М.В. Роль глубинного флюидного режима в геодинамике и сейсмотектонике. – М.: Российская Академия Наук, 1993 г. -190 с.
   
4. Пономарев А.С. Тепло-газодинамическая модель коровых землетрясений. – Доклады Академии наук СССР. Том 304,№5, 1989 г., с.1096-1100.
   
5. Семашко С.В. Акустические и геотермические исследования зон повышенной проницаемости архейского комплекса в разрезе Кольской сверхглубокой скважины. Автореферат диссертации. – Тверь: 1994 г.
   
6. Родкин М.В. Природа глубинных коровых сдвиговых зон. – М.: Российская Академия наук. Физика Земли, 1993 г., №11, с.79-85.
   
7. Алексеев А.С., Белоносов А.С., Петренко В.Е. О концепции многодисциплинарного прогноза землетрясений с использованием интегрального предвестника. – Проблемы динамики литосферы и сейсмичности: Сб.науч.тр. – М.: ГЕОС, 2001 г. - 303 с.
   

1. Государственный кадастр недвижимости и земельно-имущественные отношения
   
2. Мониторинг природных ресурсов и охрана окружающей среды
   
3. Комплексное использование природных ресурсов
   
4. Современные вопросы геологии
   
5. Физика горных пород
   
6. Новые технологии в природопользовании
   
7. Применение современных информационных технологий
   
8. Экономические аспекты недвижимости
   
9. Мониторинг использования объектов недвижимости