Оценки эффективного давления в земной коре на основе геотермических исследований и определений пористости и проницаемости

Приведены оценки эффективного давления для глубин более 7 км и изменения прочностных характеристик горных пород

Определение напряженного состояния горных пород в верхней части земной коры континентального типа проводится на основе теоретических и экспериментальных исследований. При этом наиболее часто в качестве предмета исследований выступает эффективное давление, под действием которого и происходят деформации и разрушение горных пород, а также изменяются их физикомеханические и емкостно-фильтрационные свойства [1]. В соответствии с современными представлениями о состоянии земных недр, горные породы земной коры, содержащие флюиды, находятся под действием эффективного давления, которое и определяет напряжение между составными частями (минеральным каркасом) этих пород. Напряжения между частицами пород, или эффективное давление (P_EF) определяется действием литостатического давления (Р_S), флюидным давлением (P_FL), коэффициентом a (значения которого близки к единице - 0,85 ÷ 0,95):

PEF = PS - a·PFL (1)

Ранее нами были выведены соотношения (2) и (3) [2], связывающие между собой пористость (f), проницаемость (К), эффективное давление (P ), модуль Юнга (E), коэффициент Пуассона (ν) и поверхностную энергию породы (T_S):

К = 65,6·(TS/E)2, м2 (2)

PEF = f·E/[3(1­2ν)], Па (3)

После элементарных преобразований (предполагая, что модуль Юнга в соотношениях (2) и (3) отражает одни и те же породы), имеем:

PEF = 2,7·f·TS/[К1/2 · (1­2ν)], Па. (4)

Следовательно, соотношение (4) позволяет провести оценку эффективного давления, под воздействием которого находятся горные породы на тех, или иных глубинах, если имеются оценки пористости, проницаемости, коэффициента Пуассона и поверхностной энергии этих пород.

На основе материалов проводки Кольской сверхглубокой скважины [3] были получены оценки пористости и проницаемости ряда участков вскрытого разреза. Используя эти оценки и предполагая, что ν и T_S равны соответственно 0,25 и 1 н/м, нами проведены расчеты P_EF. Результаты этих расчетов отражены на рис.1 (в виде точек).

После подстановки в соотношение (4) проницаемости, выраженной через геотермические параметры [4]:

К = [μ/(g·c)]·λ·(1/Δx)·[1/(dp/dl)]·ln(q2/q1), (5)

где К - проницаемость при градиенте давлений dp/dl; μ, g, c - вязкость, плотность и теплоемкость флюида; λ - теплопроводность пород; Δx - мощность интервала на котором происходит искажение теплового потока; q₂, q₁ - неискаженное значение теплового потока и искаженное значение теплового потока на интервале q₂/q₁.

После подстановки выражения К из соотношения (5) в (4) имеем:

PGEF = 2,7·[f·TS/(1­2ν)] / {[μ/(g·c)]·λ·(1/Δx)·[1/(dp/dl)]·ln(q2/q1)}1/2 , (6)

где P^G_EF - оценка эффективного давления на основе геотермических исследований.

Результаты оценок P^G_EF на основе результатов геотермических исследований разреза СГ-3 по материалам [4] представлены на рис.1 ( в виде звездочек).

Рис.1 - Оценки эффективного давления в разрезе СГ-3

На рис.1 обозначения Рэф.min и Рэф.max соответствуют минимальным и максимальным значениям коэффициента а из соотношения (1).

Большая часть полученных нами оценок эффективного давления (по результатам оценок емкостно-фильтрационных свойств и геотермических исследований) находится вблизи Рэф.min, что наиболее явно проявлено для глубин более 7 км. Следовательно, на этих глубинах происходит снижение прочностных характеристик горных пород, что позволяет предполагать большую интенсивность ряда современных геодинамических процессов (разуплотнение, движение флюидов и т. п.)

Библиографический список

1. Шмонов В.М., Витовтова В.М., Жариков А.В. Флюидная проницаемость пород земной коры. М.: Научный мир, 2002. -216 с.
   
2. Семашко С.В. Оценка емкостнофильтрационных характеристик и модуля Юнга пород очаговой зоны Суматринского землетрясения (26.12. 2004 г.)/ 3-я Международная Конференция по проблемам рационального природопользования. Тула, 8 -10 июня 2010 г
   
3. Кольская сверхглубокая. Исследование глубинного строения континентальной коры с помощью бурения Кольской сверхглубокой скважины. - М: Недра, 1984. -490 с. (Министерство геологии СССР).
   
4. Семашко С.В. Геотермические исследования и оценка деформационных и прочностных свойств пород разреза Кольской сверхглубокой скважины. Известия Тульского государственного университета. Естественные науки, серия "Науки о Земле", выпуск 5, 142 -145 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