Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Напряженное состояние литосферы Каспийского региона по результатам численного моделирования

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Напряженное состояние литосферы Каспийского региона по результатам численного моделирования"

На правах рукописи

ДУБОВСКАЯ Алина Владимировна

НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЛИТОСФЕРЫ КАСПИЙСКОГО РЕГИОНА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 25.00.10 — Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

3 MAP 2015

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва — 2015 005559957

005559957

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук

Научный руководитель:

Гарагаш Игорь Александрович,

доктор физико-математических наук,

заведующий лабораторией геомеханики,

ФГБУН Институт физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН

Официальные оппоненты: Быков Виктор Геннадьевич,

доктор физико-математических наук, заместитель директора по научной работе, ФГБУН Институт тектоники и геофизики им. Ю.А. Косыгина ДВО РАН

Михайлов Дмитрий Николаевич,

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Московский Научно-Исследовательский Центр технологической компании «Шлюмберже»

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теории прогноза землетрясений и математической геофизики Российской академии наук (ИТПЗ РАН)

Защита состоится 19 марта 2015 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 002.001.01 при ИФЗ РАН по адресу: 123242, г. Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФЗ РАН и на сайте www.ifz.ru. Автореферат размещен на официальном сайте Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской федерации vak.ed.gov.ru и на сайте института www.ifz.ru.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, в 2-х экземплярах просьба направлять по адресу: 123242, Москва, Д-242, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1, ИФЗ РАН, ученому секретарю диссертационного совета Олегу-Григорьевичу Онищенко.

Автореферат разослан « февраля 2015 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук

О.Г. Онищенко

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Объектом исследования данной работы являются поля современных напряжений, действующие в литосфере Каспийского региона. Основной задачей является определение напряженного состояния литосферы и его анализ. Метод исследования — численное решение уравнений механики сплошной среды методом конечных разностей. Решается трехмерная краевая задача в упруго-вязко-пластической постановке.

Исследования полей современных напряжений литосферы актуальны для решения прикладных геологических и инженерных задач: оценки рисков возникновения землетрясений и оползней; оценки безопасности бурения и эксплуатации скважин; разведки и добычи полезных ископаемых. Информация о напряженном состоянии земных недр полезна для фундаментальных задач исследований тектонических процессов и поведения геологических структур.

Внутреннее естественное поле напряжений земных недр формируется под действием многочисленных факторов, среди которых: нагрузка гравитационными силами; тектонические движения плит; неоднородность температурного поля; неравномерный рельеф и плотностные неоднородности.

Решение краевой задачи механики позволяет учесть перечисленные факторы при расчете напряженного состояния литосферы.

Каспийский регион является стратегически важным регионом в связи с его высоким нефтегазовым потенциалом. Результаты анализа полей напряжений, действующих в его земной коре, могут быть полезны для решения актуальных прикладных задач: изучения условий аккумуляции флюидов; выделения возможных очаговых зон сильных землетрясений.

Целью данной работы является исследование современного напряженного состояния литосферы Каспийского региона с помощью численного решения трехмерной задачи механики сплошной среды для модели, построенной на основе современных геолого-геофизических данных.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Построить геомеханическую модель литосферы Каспийского региона на основе известных данных о внутренней структуре литосферы, разломно-блоковом строении земной коры, тепловом режиме недр и геодинамических процессах в регионе.

2. Рассчитать поля напряжений в исследуемом регионе, путем численного решения краевой задачи механики сплошной среды.

3. Выполнить сравнение результатов расчета с оценками тектонических напряжений по механизмам очагов землетрясений.

4. Выполнить анализ рассчитанного напряженного состояния литосферы региона.

5. Рассмотреть применение результатов моделирования для решения актуальных геолого-геофизических задач: проблемы сейсмической опасности; исследования углеводородного потенциала региона.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Построенная трехмерная упруго-вязко-пластическая геомеханическая модель, учитывающая основные реологические границы, разломное строение земной коры региона, тепловой режим недр, а также тектоническую обстановку в регионе, позволяет оценить современное напряженное состояние литосферы Каспийского региона.

2. Результаты численных расчетов на предлагаемой модели могут использоваться в задаче выделения зон возможных очагов сильных землетрясений, поскольку интенсивность касательных напряжений, энергонасыщенность земной коры, параметр Лоде-Надаи, коррелируют с распределением сейсмичности в регионе.

3. Выделенные по результатам моделирования зоны возможных очагов сильных землетрясений на территории Дагестана и Восточного Прикаспия хорошо согласуются с местами произошедших в последние годы ощутимых землетрясений.

4. Выделенные на основании сейсмотектонических факторов места возможного скопления углеводородов коррелируют с распределением перспективных структур и известных месторождений углеводородов в регионе.

Научная новизна:

1. Построена трехмерная геомеханическая модель литосферы Каспийского региона, учитывающая основные реологические границы, разломно-блоковое строение земной коры региона, тепловой режим недр, а также тектоническую обстановку в регионе, которая позволяет проводить расчеты напряженного состояния в упруго-вязко-пластической постановке.

2. Численно исследовано напряженное состояние литосферы Каспийского региона. Получены новые данные о современных напряжениях литосферы региона, а также построены распределения накопленных упругой объемной энергии и энергии деформации сдвига, параметра Лоде-Надаи на различных структурных уровнях.

3. Впервые рассмотрен параметр, характеризующий степень отклонения напряженного состояния от литостатического - параметр литостатической нескомпенсированности. Показано, что литостатическая нескомпенсирован-ность определяется в большей степени нагрузкой от сил собственного веса. Кроме того отмечено, что высокоградиентные области значений параметра, совпадают с распределением зон разломов. С градиентными зонами связана сейсмическая активность в регионе и места размещения известных месторождений углеводородов.

4. Выделены места возможных сильных землетрясений на территории Каспийского региона по данным о напряженном состоянии литосферы. Показано, что данные об инвариантах напряженного состояния, накопленных энергиях и распределениях параметра Лоде-Надаи на разных структурных уровнях могут использоваться для оценки сейсмической опасности.

5. В рамках геомеханической модели выделены места возможного скопления углеводородов. Показано, что распределения средних напряжений, энергонасыщенности земной коры и литостатическая нескомпенсированность коррелируют с распределением известных месторождений нефти и газа.

Практическая значимость диссертационной работы определяется тем, что полученные результаты могут быть использованы для поиска мест возникновения сильных землетрясений.

В рамках модели может быть выделена любая интересующая исследователя область и дана характеристика ее напряженного состояния. Такого рода информация необходима для оценки геологических рисков на стадии проектирования промышленных объектов, а также для создания систем мониторинга изменений в геологической среде в процессе техногенных воздействий.

Каспийское море остается крупной сырьевой базой углеводородов имеющей мировое значение. Результаты геомеханического моделирования настоящей работы предлагают новые данные, которые могут быть полезны для исследования углеводородного потенциала Каспийского региона.

Достоверность получаемых результатов обеспечивается математической корректностью постановки задачи и использованием апробированных методов ее решения. Кроме того, результаты расчетов соотносятся с выводами, полученными в рамках других методик (оценки тектонических напряжений по механизмам очагов землетрясений, сейсмического районирования).

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на: First International FLAC/DEM Symposium (Minneapolis, 2008), 2Nd International FLAC/DEM Symposium (Australia, Melbourne, 2011), 3rd International Flac/Dem Symposium (China, Hangzhou, 2013), 33rd General Assembly of the European Seismological Commission (Moscow, 2012), 55 и 52 научных конференциях МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Москва-Долгопрудный, 2009, 2012), Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы геологии нефти и газа Сибири» (Новосибирск, 2014), International conference «Computational geodynamics and mantle instabilities» (Suzdal, 2009), Конференции «Тектонофизика и актуальные вопросы наук о Земле», ИФЗ РАН (Москва, 2013), 5х научных чтениях Ю.П. Булашевича. Глубинное строение. Геодинамика. Тепловое поле Земли. Интерпретация геофизических полей (Екатеринбург, 2009), Научных конференциях молодых ученых и аспирантов ИФЗ РАН (Москва, 2012, 2013, 2014). Работа была выполнена при поддержке грантов РФФИ 12-05-00808-а (2012-2014), 08-05-01027-а (2008-2010).

Личный вклад.

Все результаты, представленные в диссертации, получены автором самостоятельно или при его непосредственном участии. Построена геомеханическая модель на основании данных о внутренних границах, разломного строения земной коры, данных о тепловом потоке и скоростях движения тектонических плит. Написан программный код, реализующий расчет плотности разломов в единице площади методом скользящего окна. Выполнен расчет полей напряжений и деформаций в программном пакете FLAC3D и сравнение результатов с данными о тектонических напряжениях, полученных по механизмам очагов землетрясений. Постановка задач, обсуждение полученных результатов и формулировка выводов проводилась совместно с научным руководителем д.ф.-м.н. И.А. Гарагашем.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 9 печатных изданиях, 2 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК, 7 — в трудах и тезисах конференций.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Полный объем диссертации 133 страниц текста с 62 рисунками и 3 таблицами. Список литературы содержит 175 наименований.

Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю, д.ф.-м.н. И.А.Гарагашу, за неоценимую помощь на всех этапах выполнения работы; д.ф.-м.н. В.Н. Николаевскому, д.ф.-м.н. Ш.А. Мухамедиеву, д.ф.-м.н. В.Г. Быкову, к.ф.-м.н. Д.Н. Михайлову, к.ф.-м.н. A.A. Петрову за творческое обсуждение работы; чл.-кор. Л.И. Лобковскому и к.т.н. Л.Р. Мерклину за помощь в выборе направления исследований; учителям д.пед.н. М.И. Шабунину, Л.В. Небольсиной; семье за моральную поддержку.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность диссертационного исследования, формулируются цель и задачи работы, научная новизна, практическая значимость, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен критический обзор работ, посвященных теоретическим методам расчета напряжений в литосфере Земли.

Приведен обзор способов математического описания упруго-пластической реологии горных пород, температурных процессов в литосфере, разломно-блокового строения земной коры. Приведены современные геолого-геофизические данные о регионе, которые используются при создании геомеханической модели литосферы исследуемого региона. Завершается глава постановкой задачи исследований.

Во второй главе описана общая математическая постановка задачи и методы ее решения. Описана система уравнений механики сплошной среды, приведены граничные условия. Изложен метод численного решения задачи. Система уравнений включает уравнения равновесия, уравнения Коши для малых деформаций и замыкается определяющими соотношениями. Решение системы основных уравнений производится в программном пакете FLAC3D Itasca Software методом конечных разностей по явной схеме второго порядка.

В третьей главе описан процесс построения геомеханической модели и методика расчета современных полей напряжений.

В разделе 3.1 описаны параметры модели литосферы Каспийского региона и дано обоснование выбора механических свойств пород.

Модель земной коры Каспийского региона создана для области от 37.0°N - 47.5°N и 46.0°Е - 56.0°Е. В исследуемую область входит Каспийское море с прилегающими территориями. Модель представляет собой параллелепипед, с характерными размерами 870 кмх 1200 кмх 180 км. Расчетная сетка является регулярной в плоскости XY, размер ячеек составляет 10 х 10 км. По направлению z размер расчетных ячеек варьируется от 1 до 20 км.

Верхней граничной поверхностью является дневная поверхность. По глубине модель разделена характерными внутренними границами: поверхностью кровли консолидированной коры, поверхностью Мохо, поверхностью астеносферы, которые разделяют модель на слои: осадки, кристаллическую кору, литосферу, астеносферу. Нижняя граница - плоскость 2 = —180 км (рис.1).

Механических свойства среды определяются в соответствии с распределением сейсмических скоростей по данным глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ) по трассам Нахичевань-Волгоград и Атрек-Сагиз.

осадки

180км

1200км

870км.

осадки верхняя кора средняя кора нижняя кора

литосфера

литосфера

астеносфера

астеносфера

Рис. 1: Геомеханическая модель литосферы Каспийского региона.

Заданы граничные условия:

• На вертикальных границах области - условия свободного вертикального скольжения (смещения по нормали к границам запрещены).

• На нижней границе - условие свободного горизонтального скольжения.

• Между слоями - условия жесткого сцепления (равенство перемещений).

Слои относящиеся к осадкам, кристаллической коре и литосфере моделируются как упругопластические среды с предельным условием Друкера-Прагера. В силу того, что материал астеносферы частично расплавлен и на больших временах испытывает вязкие деформации, астеносфера моделируется вязкоупругой средой Максвелла.

Положение границы астеносферы получено из данных о тепловом потоке в предложении совпадении астеносферы с изотермой 1300°С и стационарности теплового режима литосферы.

В разделе 3.2 описана методика расчета положения границы астеносферы из данных о поверхностном тепловом потоке.

Поверхность астеносферы рассматривается как термическая граница, совпадающая с изотермой 1300°С, на которой начинает преобладать кондуктивный механизм передачи тепла.

Считается, что континентальная литосфера находится в термическом равновесии. Среда является кусочно-однородной и разделяется на четыре крупных слоя. Внутри каждого слоя коэффициент теплопроводности пород принимается постоянным, и определяется как среднее значение, характерное для пород, образующих слой.

Решается одномерная задача вертикального теплопереноса:

Т{г) = То + У Т\2=0 = 0, д|2=о = д0, (1)

-го

г

д(г) = д0 - | А(е)&, (2)

го

где То - температура на дневной поверхности, до - поверхностный тепловой поток, к(г) - коэффициент теплопроводности, А(г) - радиоактивная теплогене-рация пород.

Полученная мощность литосферы имеет наибольшие значения в южных частях Южно-Каспийской впадины и Среднего Каспия, в Терско-Кумскуй дельтовой равнине. В области Южно-Апшеронской впадины, в Дагестанскоий котловине и в районе Большого Кавказа граница астеносферы подходит практически вплотную к границе Мохоровичича. Введение слоя, моделирующего астеносферу необходимо, чтобы учесть в модели эффект релаксации напряжений.

В разделе 3.3 описана применяемая в работе методика учета разломного строения земной коры, путем перехода к модели с распределенной непрерывной неоднородностью.

При решении задачи о напряженном состоянии земной коры важно учесть ее разломно-блоковое строение, поскольку разломы являются наиболее активными структурными образованиями, по ним происходит интенсивное деформирование и обмен энергией между тектоническими блоками.

Для учета в модели разломиого строения земной коры используются представления теории сред с большим числом трещин. Реальная кусочно-неоднородная трещиноватая среда заменяется сплошной средой с распределенной непрерывной неоднородностью, с «размазанными» эффективными механическими характеристиками.

В качестве меры трещиноватости используется параметр плотности разломов, известный из геологических задач как параметр количественного описания разломных зон.

Распределение плотности разломов строится на основе анализа карт региональных разломов. Для этого написан программный код, подсчитывающий количество разрывных структур, попадающих в окно усреднения в окрестности данной точки на карте разломов, методом скользящего окна. При этом учитывается тектонический режим разлома и его длина. Величина окна усреднения подбиралась эмпирически и составила 30 х 30 км.

На рис. 2 показана полученная схема распределения плотности разломов, максимумы значений параметра соответствуют областям сильной деструкции коры, а минимумы соответсвуют условно неповрежденным зонам.

Рис. 2: а) Карта региональных разломов в Каспийском регионе по данным Э.Л.Левина, Н.В.Кондорской, 2000. б) Карта плотности разломов. Наиболее разрушенным зонам соответствует значение плотности 1, неповрежденным зонам - значение 0.

Чтобы перейти к модели с распределенной неоднородностью используются эффективные значения упругих модулей и прочностных параметров. По-

Разломы:

I__.1 сейсмически

I активные

.-. с предполагаемой

—•—1 сейсмической - активностью

I-1 сейсмически

I-- неактивные

Плотность

разломов

лагается, что с ростом поврежденности происходит уменьшение площади, по которой действует напряжение и, следовательно, уменьшение несущей способности материала, т.е. уменьшение эффективных модулей упругости материала. Эффективные значения параметров рассчитываются следующим образом:

Р= Р(1~кд(х{)), (3)

где Р - значение параметра неповрежденной среды, Р - эффективное значение, д{х¿) - плотность разломов, к - параметр малости, значение которого принимается равным 0.3.

Таким образом, использование эффективных упругих и прочностных параметров позволяет учесть в задаче о напряженном состоянии литосферы раз-ломное строение земной коры.

В разделе 3.4 описана методика расчета современного напряженного состояния литосферы исследуемого региона.

Предполагается, что напряженное состояние зависит от неоднородного распределения механических параметров и порождается силами собственного веса, тектоническими движениями, неравномерным нагревом и релаксацией напряжений в астеносфере. Решается квазистатическая задача о распределении напряжений в литосфере региона.

Нагрузка модели осуществляется последовательно. Расчет состоит из нескольких этапов, на каждом этапе добавляется новая нагрузка.

Этапы расчета современного напряженного состояния литосферы исследуемого региона:

1. Рассчитывается начальное напряженное состояние модели под действием сил собственного веса.

2. Рассчитываются температурные напряжения, вызванные температурным расширением.

3. Добавляется ползучесть в слое астеносферы, и рассчитывается релаксация напряжений в модели.

4. Выполняется нагрузка горизонтальными тектоническими усилиями, порождаемыми движениями тектонических плит.

12

Тектоническое силовое поле связано с неравномерным распределением в пространстве скоростей тектонических движений плит. Для нагрузки тектоническими усилиями используются данные о скоростях движения плит в соответствии со стандартной расчетной моделью ЫИЯ-ЫиУЕЬ-1 А. Поле скоростей является неоднородным, вектора скорости ориентированы на северо-восток под углами около 70° к меридиану. Приложение поля горизонтальных скоростей в течение длительного промежутка времени приводит к накоплению горизонтальных напряжений в земной коре. Длительность временного промежутка, в течение которого прикладывается поле скоростей, определяется условием достижения максимальных деформаций сдвига в коре характерного уровня Ю-3.

Напряжения, вызванные горизонтальными тектоническими движениями, являются активной частью полного поля напряжений, в отличии от пассивных напряжений, связанных с собственным весом и температурой, и существенно влияют на характер напряженного состояния земных недр.

В четвертой главе обсуждаются результаты расчета полей напряжений и деформаций в литосфере Каспийского региона.

В разделе 4.1 выполнен анализ рассчитанного напряженного состояния литосферы исследуемого региона. Дается характеристика распределений первого инварианта тензора напряжений (среднего напряжения) и второго инварианта девиатора (интенсивности касательных напряжений); параметра Лоде-Надаи (вида напряженного состояния); объемных и сдвиговых деформаций; накопленных упругих энергий объемной деформации и деформации сдвига.

Анализ напряженного состояния литосферы выполняется для каждого этапа нагрузки модели: от сил собственного веса и температуры, с учетом ползучести астеносферы и, наконец, под действием горизонтальных тектонических усилий.

Согласно распределению параметра Лоде-Надаи тип напряженного состояния в коре существенно зависит от релаксации напряжений в астеносфере и горизонтальных напряжений. Землетрясения с магнитудами М > 5 расположены, в основном, в зонах сжатия и сдвига.

Средние напряжения мало зависят от релаксации напряжений в астеносфере и горизонтальных напряжений. Это связано с тем, что наибольшее влияние

на них оказывает собственный вес и температура. Землетрясения с магнитудами

13

М > 5 хорошо коррелируют с зонами максимального сжатия. В зонах максимального сжатия имеют место и наибольшие девиаторные напряжения и с их распределением хорошо совпадает современная сейсмическая активность.

Как и следовало ожидать, сейсмичность хорошо согласуется с энергонасыщенными зонами. Из анализа распределения объемных и сдвиговых деформаций, накопленных в результате действия горизонтальных тектонических усилий, видно, что, как и следовало ожидать, сейсмичность согласуется с зонами максимальной деформации. Причем максимальные деформации расположены, как правило, в зонах разломов. Интересно, что наряду с переуплотненными зонами (отрицательные значения объемной деформации) выделяются и зоны разуплотнения. Можно ожидать, что к ним должны быть приурочены зоны фильтрационной разгрузки.

В разделе 4.2 в увеличенном масштабе приведены распределения интенсивности касательных напряжений и накопленной энергии деформации сдвига для юго-западной (Кавказской) и юго-восточной (Южно-Туркестанской) частей исследуемого региона, отличающиеся наиболее высокой сейсмичностью. Отмечено хорошее совпадение распределений интенсивности касательных напряжений и энергонасыщенности земной коры с общей количественной характеристикой средней очаговой активности по методике Ю.В. Ризниченко.

В разделе 4.3 выполнен анализ степени отклонения напряженного состояния от литостатического приближения.

Напряженное состояние земной коры зависит от неоднородности плотности и механических свойств, формы реологических границ, температурных напряжений и горизонтальных тектонических усилий. Поэтому вертикальные напряжения о\, не могут быть равны литостатическому давлению IV. Для ха-

IV—а

рактеристики степени отклонения рассматривается величина К = —цг^, называемая далее литостатической нескомпенсированностью напряжений.

Сделан вывод, что литостатическая нескомпенсированность в первую очередь связана с действием сил собственного веса и прежде всего зависит от распределения плотности и формы границ слоев, распределение параметра хорошо согласуется с зонами аномального изменения градиента силы тяжести.

Вся исследуемая область содержит много высокоградиентных локализованных областей параметра Я, которые во многих местах совпадают с распре-

14

делением разломной тектоники (рис.3). С градиентными зонами связана и сейсмическая активность в регионе. Сильные землетрясения с магнитудами М >5 попадают в зоны локализации параметра Л.

Лнтостатпческая

нескомпенснро-

ванность

0.20 -0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20

О землетрясения Ц разломы

Плотность разломов

Рис. 3: а) Степень отклонения от литостатического состояния в верхней коре, б) Плотность

разломов.

В разделе 4.4 производится сравнение рассчитанных полей напряжений с данными о тектонических напряжениях в регионе, полученных по механизмам очагов землетрясений, представленных в базе данных «World Stress Map» (далее WSM).

Рассматривается максимальный угол отклонения между главными осями тензора напряжения, рассчитанного в рамках геомеханического моделирования, и данными WSM. Если этот угол меньше 45 градусов, считается, что напряженные состояния в данной точке близки.

Процент совпадающих точек для лучшей модели составляет 81 %, среднее отклонение между направлениями главных осей напряжений составляет 36.5 градусов.

Сравнение выполнялось также с данными реконструкцией тектонических напряжений методом катакластического анализа Ю.Л. Ребецкого, имеющимися для исследуемого региона. Средний угол расхождения главных осей составил 34 градуса.

На рис.4 показаны проекции на горизонтальную плоскость главных осей рассчитанных напряжений в слое средней земной коры. На рисунке также показаны главные оси девиаторных сжатия и растяжения по данным ДУБМ.

47.5

I главные Т оси тензора напряжения по результатам моделирования

Данные '"УУБМ":

—- главная ось 44

девиаторного сжатия для взбросовых и взбросо-сдвиговых режимов; 42

-— главная ось девиаторного растяжения для сбросовых и сбросо-сдвиговых режимов:

—— главная ось девиаторного сжатия для 38

сдвиговых режимов.

Рис. 4: Проекция на горизонтальную плоскость главных осей расчетных напряжений в средней коре и напряжений по данным «World Stress Map».

Отмечается неплохая согласованность результатов расчета с данными о тектонических напряжениях, полученных по механизмам очагов землетрясений.

В пятой главе приведены примеры использования геомеханической модели для решения прикладных задач - выделению возможных очагов сильных землетрясений и мест возможного скопления углеводородов.

В разделе 5.1 описаны результаты анализа напряженного состояния земной коры территории Дагестана (41.4° N - 43.2° N и 46.5° Е - 48.5° Е) на предмет выявления зон возможных сильных землетрясений.

На основании данных сети GPS (Global Positioning System) станций о смещениях реперных точек выполнен анализ накопленных в земной коре напряжений и деформаций за период с 2002 по 2010 гг.

Для этого, поле смещений проинтерполировано по регулярной сетке на весь регион и внесено в модель. Далее выполнены расчеты напряжений и деформаций, накопленных за 8 лет наблюдения в средней коре на глубинах порядка 20 - 30 км.

-+3

, , i-PK-f^i-i-i-i-i-i-

, i-i-i-i-i-i-Ti-i-i-i-i-i-

I1 £ -А У- / У *■ А* * * ** *++ + + *

+Ш ?Й / X -if * у-■f + У / / / / / АххX+--+++ +

■¿■-/■•/■■/■■/■¿■ХУУХг'Хххххх ч-у- Т Т 7е * * У * ^ -ГТГХХХХ X Xix х х у X X X х X у / ^ ? х XX/х Аужххххх (,> хх

, ЩШ. у. •/■/f -f V* * xl

1.4.-)1.->(>( кх&^&ххУ^ + + * x jr

' .......ШХХХХ/^/^Ф^+ЛХ aP, , , TTM^X/Z^/ZW-MV *

ЙЙШРШЧМ .....ушштш

Шт

Результаты расчета показывают, что в земной коре Дагестана за период наблюдения сформировались две зоны, которые характеризуются повышенным уровнем деформаций и напряжений.

а)

Параметр

прочности. Па

В«.«

1.5 «10? 3.0*10? 4.5 х 10? 7.5x10? т : и •• ю 1.2x10* Г 1.4 х 10* - 1.7 хЮ5

б)

Плотность

накопленной

упругой

энергии

деформации

сдвига, эрг/см3

Рис. 5: Распределение параметра прочности (а) и накопленной упругой сдвиговой энергии (б) в средней коре по состоянию на 2010 г. ic - землетрясение с магнитудой М = 4.8 от 16.04.2013, Л- реперные точки GPS сети, —> - распределение скоростей смещений по результатам геодинамических исследований.

На рис. 5 показаны расчитанные распределения параметра прочности т + авгпф (где т - интенсивность касательных напряжений, ф - угол трения, а - первый инвариант напряжений) и накопленной упругой энергии деформации сдвига в слое средней коры. На распределениях отчетливо выделяются две зоны локальных максимумов, одна из которых находится рядом с г. Избербаш, а другая, более интенсивная, вблизи пункта Кубачи.

В отмеченных зонах напряженное состояние быстрее всего приближается к пределу прочности по критерию Друкера-Прагера, а также быстрее происходит накопление упругой энергии, которая при сейсмическом событии расходуется на разрушение и излучение сейсмических волн. Сделано предположение, что в отмеченных зонах можно ожидать сейсмические события наибольших магнитуд.

Отмечено, что именно в одном из выделенных зон (около населенного пункта Избербаш) 16 апреля 2013 г. произошло сильное для Дагестана землетрясение с магнитудой 4.8. Это событие отмечено на рис.5 звездочкой.

В разделе 5.2 описаны результаты выделения сейсмогенерирующих зон для территории Северо-Восточного Прикаспия на основании геомеханического моделирования.

Несмотря на общий низкий уровень сейсмичности этой части Каспийского региона проблема выделения зон возможных сильных землетрясений, весьма актуальна. Это связано с интенсивной добычей углеводородов в этом районе, которая может спровоцировать сейсмические события.

По результатам расчетов на геомеханической модели в верхней коре исследуемого региона выделяются две зоны с повышенными значениями касательных напряжений и упругой энергии деформации сдвига (зоны выделены на рис.66 и 6в пунктирными линиями). Эти же зоны - Южно-Эмбенская и Центрально-Мангышлакская (рис.6а) - были получены ранее в работах A.B. Ти-муша на основе анализа геолого-геофизических данных и получили название сейсмогенерирующих зон.

а) б)

Рис. б: а) Сейсмогенерирующие зоны Прикаспийского региона (Тимуш A.B., 1997); цифра в

квадратике - номер зоны: 1 - Южно-Эмбенская, 2 - Центрально - Мангышлакская. Распределения максимальных касательных напряжений (б) и накопленной упругой энергии

деформации сдвига (в) в верхней коре. Пунктирные линии выделяют две зоны с наибольшими значениями параметров в регионе, ф - землетрясение с магнитудой М = 4.1

от 21.02.2011

Важно отметить, что в выделенную сейсмогенерирующую зону попадает техногенное землетрясение в районе Тенгизского месторождения с магнитудой 4.1, имевшее место 21 февраля 2011 г. Землетрясение отмечено крестиком на рис.6.

На карте обозначены места нескольких сейсмических событий с магнитудой меньше 4, известные с 1976 года. Распределения максимальных значений касательных напряжений и накопленной упругой энергии коррелируют с небольшим количеством зафиксированных слабых землетрясений в регионе. Отмечается, что возникновению ощутимых техногенных землетрясений в местах интенсивной добычи углеводородов может способствовать высокий уровень напряжений в верхах земной коры.

Таким образом, распределения сейсмогенных зон согласуются с полями напряжений в исследуемом регионе, что подтверждает актуальность использования параметра интенсивности касательных напряжений и накопленной энергии деформации сдвига для выделения мест возможных землетрясений.

В разделе 5.3 описан пример применения результатов моделирования для поиска мест возможного размещения углеводородов в Каспийском регионе.

Напряженное состояние земной коры является одним из важнейших факторов, контролирующих протекание разнообразных процессов, в том числе и движения флюидов.

Для аккумуляции мигрирующих по разломам углеводородов необходимо наличие пористых коллекторов в сочетании с минимумов напоров. В связи с этим, пониженное тектоническое давление в осадочной толще является одним из важных факторов, благоприятных для аккумуляции углеводоров.

Наряду с зонами пониженных давлений, важным фактором является энергонасыщенность земной коры, так как связанная с ней сейсмическая активность ускоряет процесс созревания нефти.

Поскольку процесс протекает в двухслойной системе фундамент - осадочная толща, то можно сформулировать следующий критерий аккумуляции углеводородов: углеводородные скопления можно ожидать в местах пониженного тектонического давления в осадочной толще, расположенных над энергонасыщенными участками фундамента.

Предположим, что нормированные распределения энергии в верхней коре и среднего давления в низах осадочной толщи отражают возможность скопления углеводородов каждое с максимальной вероятностью равной 1. Тогда вероятность обнаружения месторождения согласно предложенному критерию может быть представлена в виде вероятности наступления двух совместных событий.

На рис. 7а показано распределение вероятности реализации благоприятных условий аккумуляции углеводородов согласно описанному сейсмотектоническому критерию.

Рис. 7: а) Распределение вероятности попадания месторождений углеводородов в места пониженного давления в осадочной толще, расположенными над энергонасыщенными участками фундамента, б) Обзорная схема фонда структур и месторождений Каспийского моря (Глумов и др., 2004): 1 - месторождения нефти, газа и конденсата; 2 - перспективные структуры; 3 - площади, которые не дали положительного результата на 2001; 4 -неперспективные земли.

Темными областями на рисунке отмечены месторождения нефти, газа и конденсата, а также перспективные структуры по данным обзорной схемы фонда структур и месторождений Каспийского моря. Хорошо видно, что месторождения попадают в узкий диапазон значений вероятности от 0.5 до 1, причем большинство от 0.8 до 1. Исключение составляют несколько небольших месторождений выделенных на рисунке эллипсом.

На рис.76 показана подробная схема структур и месторождений Каспийского региона. Видно, что в выделенную по анализу напряженного состояния

а)

распределение вероятности

зону низкой вероятности обнаружения залежей углеводородов попадают в основном не доказанные месторождения, а перспективные структуры.

Таким образом, по результатам расчета напряженного состояния земной коры Каспийского региона показано, что средние напряжения осадочной толщи и энергонасыщенность земной коры коррелируют с известными в регионе скоплениями углеводородов.

Отмечается также согласованность мест размещения углеводородов с распределением параметра литостатической нескомпенсированности в верхней коре.

Результаты численного моделирования предлагают новые данные для исследования углеводородного потенциала Каспийского региона.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы, которые заключаются в следующем:

1. Создана трехмерная геомеханическая модель Каспийского региона, в которой учтены основные реологические границы, тепловой режим недр, позволяющая проводить вычислительные эксперименты с учетом разломного строения земной коры и упруго-вязко-пластического поведения литосфер-ной плиты.

2. Рассчитаны поля напряжений и деформаций в литосфере Каспийского региона в упруго-вязко-пластическом представлении. Получены новые распределения: инвариантов тензора напряжений (средних напряжений, интенсивности касательных напряжений); параметра Лоде-Надаи; параметра литостатической нескомпенсированности, накопленных потенциальных объемных энергий и энергий деформации сдвига.

3. Отмечена корреляция интенсивности касательных напряжений, накопленной энергии деформации сдвига, параметра Лоде-Надаи и параметра литостатической нескомпесированности с сейсмичностью в регионе, что позволяет использовать их для выделения возможных очаговых зон сильных землетрясений.

4. В земной коре территории Дагестана выделены две зоны (вблизи населенных пунктов Кубачи и Избербаш), характеризующиеся на момент времени

21

2010 года повышенным уровнем деформаций и напряжений, в которых можно ожидать сейсмические события наибольших магнитуд. Отмечено, что именно в одном из этих мест в 2013 году произошло сильное для Дагестана землетрясение с магнитудой 4.8.

5. На территории Северо-Восточного Прикаспия выделены аномальные зоны повышенных значений интенсивности касательных напряжений и накопленной упругой энергии деформации сдвига в слое земной коры, которые можно определить как сейсмогенерирующие.

6. Показано, что средние напряжения осадочной толщи, энергонасыщенность земной коры и параметр литостатической нескомпесированности коррелируют с известными в регионе скоплениями углеводородов.

Публикации автора по теме диссертации

Статьи в изданиях из перечня ведущих рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук:

1. Лобковский Л.И., Гарагаш И.А., Дубовская А.В. Связь напряженно-деформированного состояния земной коры Восточного Прикаспия с зонами возникновения очагов землетрясений. // Доклады Академии наук. - 2013. - Т. 449. - № 4. - С. 458 - 462;

2. Гарагаш И.А., Дубовская А.В. Использование геомеханической модели Каспийского региона для оценки нефтегазоносности // Труды МФТИ. - 2013. - Т. 5. - № 4. -

С. 145 - 150;

Прочие работы:

3. Дубовская А.В., Гарагаш И. А. Использование результатов геомеханического моделирования для оценки нефтегазоносности на примере Каспийского региона // Труды конференции «Актуальные проблемы геологии нефти и газа Сибири: Материалы Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов, посвященной 80-летию академика А.Э. Конторовича». НГГ СО РАН. - Новосибирск. - 2014. -

С. 131 - 133;

4. I.A. Garagash, L.I. Lobkovsky, A.V. Dubovskaya An association of the earth crust strain-stress state of the eastern Caspian region and zones of seismic activity // Continuum and distinct element numerical modeling in geomechanics. Proceedings of the 3rd International Flac/Dem Symposium. - Hangzhou. China. - 2013. - P. 223 - 228;

5. Дубовская А.В. Численная геомеханическая модель земной коры Каспийского региона в задаче о сейсмическом районировании территории // «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Аэрофизика и космические исследования. Труды 55-й Всероссийской молодежной научной конференции МФТИ. МФТИ. - М. -2012. - Т. 2. - С. 68 - 69;

6. Garagash I.A., Dubovskaya A.V. The analysis of stress-strain state of the earth's crust of Dagestan inferred from GPS measurements // Proceedings of the 2nd International FLAC/DEM Symposium. - Melbourne. Australia. - 2011 - P. 641 - 645;

7. Дубовская А.В. Граница астеносферы и температурные напряжения в земной коре Каспийского региона // «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Аэрофизика и космические исследования. Часть III. Труды 52-й Всероссийской молодежной научной конференции МФТИ. МФТИ. - Москва - Долгопрудный - 2009. -Т.2.-С. 31-33;

8. Garagash I.A., Dubovskaya A.V. Use of geoinformation models for the analysis of stress-strain state of the earth's crust of the Caspian region // Computational geodynamics and mantle instabilities. Abstracts of the International conference. - Suzdal. - 2009. - P. 41 - 43.

9. Garagash I.A., Dubovskaya A.V. Using a simulation of the stress-strain state of the earth's crust for seismic zoning of the Caspian region // Abstracts of the 33rd General Assembly of the European Seismological Commission. - Moscow. - 2012. - P. 73.