Тело риодацитовых порфиров в разрезе пород Печенгского комплекса СГ-3 (возраст и рудная минерализация)

• 1.    Введение

• 3.    Обсуждение и анализ результатов

  В Кольской сверхглубокой скважине (СГ-3) с использованием описанной аппаратуры были проведены исследования геоакустических шумов в декабре 2000 г., мае 2001 г. и ноябре 2002 г. по методике дискретного каротажа при спуске скважинного прибора. Шаг измерений составлял 10 и 20 м. В декабре 2000 г. распределение ГАШ изучали в интервале глубин 500-6000 м. В данном интервале в полосе частот 0.1-0.5 кГц при шаге измерений 10 м обнаружен ряд аномалий амплитудного уровня ГАШ различной интенсивности (рис. 1а). При повторных измерениях (2223.05.2001 г.) в интервале глубин 300-6790 м в той же полосе частот распределение аномалий ГАШ стало другим (рис. 1б). Минимальный амплитудный уровень ГАШ при первом и повторном измерениях изменился незначительно и составил 0.22-0.25 мм/с².

0.25   0.35 мм/с¹

Земная кора является открытой термодинамической системой с иерархически блочным строением и находится в напряженном состоянии под воздействием внешних и внутренних сил. Распределение напряжений в массиве пород зависит не только от действующих нагрузок, но и от степени неоднородности, трещиноватости пород. Изменение напряженного состояния пород вызывает их деформацию на разных масштабных уровнях, приводит к перестройке системы трещин в контактных поверхностях и появлению новых дефектов, что сопровождается акустической эмиссией, обусловливающей возникновение аномалий ГАШ. Такова общая схема возбуждения в объеме геосреды аномалий ГАШ.

Интерес к изучению ГАШ в сверхглубоких скважинах обусловлен возможностью получения принципиально новой информации о современных динамических процессах, включая флюидогазодинамику, в объеме геосреды при высоких температурах и литостатических давлениях.

совпадают с зонами разломов, интервалами дробления и трещиноватости горных пород по разрезу скважины ( Дьяконов и др ., 1986).

Основной вклад в интегральный уровень ГАШ вносит, как правило, низкочастотная часть спектра (100-500 Гц), но возможно доминирование высокочастотной ветви спектра (500-5000 Гц). Факт увеличения интегрального уровня ГАШ на больших глубинах за счет более высоких частот свидетельствует о формировании шумового поля источниками эндогенного происхождения. Возникновение эндогенных ГАШ в скважинах на больших глубинах связано с проявлением геодинамических процессов, обусловливающих образование в объеме геосреды акустически активных зон.

Исчезнувшая при повторных измерениях ранее выявленная аномальная зона ГАШ в интервале глубин 50006000 м (рис. 1а), и проявившиеся две аномальные зоны на глубинах 3020-3550 м и 2100-2500 м (рис. 1б) указывают, в первую очередь, на наличие вертикальной миграции зон напряженного состояния массива пород.

Рис. 1. Диаграммы распределения интегрального уровня ГАШ по глубине СГ-3 в полосе частот 0.1-0.5 кГц (горизонтальная компонента) при измерениях в декабре 2000 г. (а) и в мае 2001 г. (б)

Подобные процессы, связанные с появлением или исчезновением аномалий ГАШ в течение разных отрезков времени, были замечены при исследовании ГАШ в Уральской сверхглубокой скважине ( Дьяконов, Троянов , 1999).

Обнаруженная геоакустическая активность горных пород на больших глубинах в скважине СГ-3 является принципиальным результатом, свидетельствующим о динамике геологической среды в условиях высоких литостатических давлений, а также о протекании процессов, противостоящих консолидации верхней части земной коры. Объяснить образование акустически активных зон на больших глубинах можно следующим образом.

Из экспериментальных работ известно, что с возрастанием всестороннего давления на образцы горных пород число трещин в них уменьшается и повышается прочность пород. В реальных условиях верхней части земной коры наблюдаются существенные отклонения от этих закономерностей, что обусловлено рядом причин, в том числе непрерывными физико-химическими процессами в проницаемых, заполненных флюидами и газами горных массивах. Прочность хрупких пород хорошо аппроксимируется модифицированным условием Кулона-Мора ( Борисов , 1980):

σP = τC + f(σn – P), где τC – сила сцепления пород; f – коэффициент трения при сдвиге; σn и P – нормальное напряжение в породе и давление в жидкости, заполняющей трещину, соответственно.

Когда величина f мала, а значения σ_n и P близки, что характерно для замкнутых объёмов, то на больших глубинах прочность на сдвиг пород будет в основном определяться силой их сцепления. Как показывают лабораторные эксперименты, она растёт с повышением давления, так как уменьшаются размеры дефектов и возрастает величина модуля упругости пород. Но при этом следует иметь в виду, что прочность на разрыв пород будет увеличиваться только в том случае, если поверхностная энергия трещин не будет эквивалентно уменьшаться. Фактически же с глубиной флюиды снижают свободную поверхностную энергию трещин. Кроме того, прочность связи пород может уменьшаться за счёт эффекта Ребиндера, что учитывается, например, в модифицированной формуле Гриффитса ( Бартенев, Карташов , 1987):

σ = {2 Gw / [(1 – μ ²) πl ] – σ pl /2}^0.5, где G – модуль сдвига; w – плотность поверхностной энергии трещин; l – критическая длина                              трещины;

μ – коэффициент Пуассона; σ pl – прочность при растяжении пород в вершине трещины с учетом эффекта Ребиндера.

В понижение прочности пород вносят также свой вклад коррозия под напряжением, электрохимические процессы и, наконец, рост температуры с глубиной.

Энергия активации на разрыв горных пород возрастает с повышением давления и уменьшается с увеличением температуры. В результате действия этих двух основных конкурирующих факторов энергия активации на разрыв пород может достигать минимума, и за счёт термофлуктуационного  механизма,  сдвиговых квазистационарных напряжений и сравнительно

0,15 0,25 0,35 0,45        0,5    1,1    1.

Рис . 2. Диаграммы высокочастотных ГАШ по глубине СГ-3, полученные 22-23.05.2001 г. (а) и 25-26.05.2001 г. (б).

Результирующая сигналов с горизонтальных датчиков X и Y

незначительных факторов может увеличиваться вероятность возникновения разрывных дефектов. Тем самым могут создаваться условия для сохранения проницаемости разломов и образования трещиноватых горизонтов пород с аномально высоким амплитудным уровнем ГАШ ( Дьяконов, Троянов , 1989).

Из сопоставления диаграмм высокочастотных ГАШ, полученных в скважине СГ-3 2223.05.2001г. (рис. 2а) и 25-26.05.2001 г. (рис. 2б), видно, что они отличаются как по форме, так и по величине регистрируемых амплитуд сигналов. Это указывает на интенсивную изменчивость во времени динамических процессов в приствольной части скважины. Минимальный уровень ГАШ в диапазоне частот 0.5-2.5 кГц изменился от 0.13 мм/с2 (рис. 2а) до 0.4 мм/с2 (рис. 2б), т.е. повысился в 3 раза через трое суток. Возрастание амплитуд сигналов с появлением локальных аномалий высокочастотных ГАШ на фоне незначительного увеличения низкочастотных сигналов (рис. 2б) может быть связано с повышением интенсивности процессов газовыделения из массива пород.

Применение информативных параметров М1 и М2, характеризующих соотношение сигналов с горизонтальных датчиков одинаковой чувствительности в полосах частот 0.1-0.5 кГц и 0.5-2.5 кГц, соответственно, позволяет обнаружить участки анизотропного распределения источников ГАШ. В однородной изотропной среде величина соотношения сигналов горизонтальных компонент близка к единице. Экспериментально установлено, что при контакте пород, различающихся по коэффициенту Пуассона, а также на участках со скачками пластовых скоростей по данным ВСП, в зонах с максимальными значениями интервального времени t по акустическому каротажу и в пластах, где поперечное сечение ствола скважины принимает форму эллипса, величина соотношения сигналов с горизонтальных датчиков (M = X / Y) не равна единице.

В интервале исследуемого разреза СГ-3 выделяется несколько участков аномальных отклонений параметра М от единицы (рис. 3). Несомненный интерес представляет изменение значений параметров М1 и М2 в интервале глубин 300-2000 м. Как видно, на этих глубинах М1<1, а М2>1, т.е. при неизменном положении датчиков в точке измерения низкочастотный сигнал с горизонтального датчика X более слабый, чем высокочастотный. Другими словами, здесь наблюдается разделение направлений микровибраций геосреды в разных частотных областях, обусловленное двумя независимыми источниками. Такое соотношение параметров возможно в том случае, когда

Рис. 3. Изменение значений параметров M1 и М2 ГАШ по глубине СГ-3

доминирующее направление микровибраций массива пород перпендикулярно длинной оси эллипсовидного сечения ствола скважины. Ниже глубины 2000 м отмечаются согласованные изменения параметров М1 и М2. Следует заметить, что разброс значений параметра М2 (от 0.45 до 1.25) значительно больше, чем М1. Из этого можно сделать вывод об относительной геомеханической устойчивости стенок скважины: они находятся в микроколебательном режиме с изменяющейся интенсивностью процессов во времени.

При разработке методики трехкомпонентного геоакустического каротажа экспериментально было установлено, что амплитудный уровень сигналов с вертикального датчика составляет 60-70 % от сигналов с горизонтальных датчиков. Увеличение уровня сигналов с вертикального датчика, например, при измерениях вблизи активного субвертикального разлома, свидетельствует о преобладании вертикальной направленности современных микроколебаний массива пород. При полученном соотношении сигналов Z1/H1 = 0.13/0.2 уровень ГАШ с вертикального датчика составляет 65 % от уровня сигнала с горизонтальных датчиков. В нижней части исследованного интервала Z1/H1 = 0.19/0.24, т.е. уровень сигналов Z1 составляет около 80 % от уровня сигналов Н1. Такое увеличение амплитуды сигналов Z1 указывает на наличие ниже отметки 6800 м источника субвертикальных микроколебаний геосреды.

В нижней части исследованного интервала амплитуды сигналов Z2 не превышают 70 % от уровня сигналов Н2. Учитывая ограниченную глубинность распространения высокочастотных сигналов (0.5-5.0 кГц) по сравнению с низкочастотными (0.1-0.5 кГц), можно утверждать, что источник субвертикальных микроколебаний находится значительно ниже отметки 6800 м.

По данным исследований, геодинамическая активность массива пород оценивается пределами изменения значений компонент ГАШ во времени. В связи с этим было проведено сравнение результатов измерения параметров Н1, Z1 и Н2 ГАШ по глубине СГ-3 в ноябре 2002 г. и в мае 2001 г.

Шаг измерения ГАШ в 2001 г. составлял 10 м, в 2002 г. – 20 м, поэтому кривая изменения параметра Н1 по глубине СГ-3 (рис. 4а) в первом случае более изрезана, чем во втором (рис. 4б). Как видно, минимальный уровень значений Н1 снизился с 0.25 мм/с2 (2001 г.) до 0.2 мм/с2 (2002 г.), т.е. уменьшился на 20 %. Обнаруженные в 2001 г. интенсивные аномалии параметра Н1 в интервалах глубин 2-2.5 и 3-3.7 км (рис. 4а) частично проявились небольшим увеличением уровня Н1 в 2002 г. На записях с шагом измерений 20 м появилось несколько новых узких аномалий ГАШ (рис. 4б). В плане временной устойчивости пространственного положения аномальной зоны ГАШ можно выделить участок повышения минимального уровня параметра Н1 в интервале глубин 5-6.8 км.

Рис. 4. Сравнение результатов измерения горизонтальной компоненты H1 ГАШ в полосе частот 0.1-0.5 кГц в мае 2001 г. (а) и ноябре 2002 г. (б)

Сравнение диаграмм параметра Z1 (рис. 5) показало, что в 2002 г. его минимальный уровень уменьшился на 30 %, исчезли ранее обнаруженные и появились новые аномалии. Некоторые аномалии ГАШ, включая повышение их уровня к отметке 6800 м, сохранили свое пространственное положение.

Уменьшение амплитуд микроколебаний пород при измерениях в 2002 г. отразилось и в высокочастотной области ГАШ (рис. 6). Амплитуда минимального уровня Н2 уменьшилась по сравнению с 2001 г. на 15 %, выделилось три аномалии, сохранившие свое пространственное положение.

Полученные данные свидетельствуют об активности современных геодинамических процессов в исследованном интервале разреза скважины СГ-3. В зонах аномальных значений ГАШ, свидетельствующих об активности динамических процессов, отмечается пониженный выход керна и увеличение диаметра ствола скважины, т.е. наблюдается снижение геомеханической устойчивости массива пород.

• 2)    По обнаруженным высокочастотным аномалиям ГАШ можно судить как о кинетике трещинообразования в массиве пород, так и о процессах газовыделения.

• 3)    Высказано предположение о наличии источника субвертикальных микроколебаний геологической среды, расположенного ниже отметки 6800 м.

• 4)    В зонах аномальных значений ГАШ, свидетельствующих об активности динамических процессов, отмечается пониженный выход керна и увеличение диаметра ствола скважины, т.е. наблюдается снижение геомеханической устойчивости массива пород.

  

  вертикальной компоненты Z1 ГАШ          параметра H2 ГАШ в полосе частот 0.5-5.0 кГц

  в полосе частот 0.1-0.5 кГц в мае 2001 г. (а)               по данным 2001 г. (а) и 2002 г. (б)

  
  

  и ноябре 2002 г. (б)

Работа выполнена по Проекту МПГК № 408 ЮНЕСКО и по гранту ИНТАС № 01-0314.