Разломы
(Морфология, геометрия и кинематика)
© Прокопьев А.В., Фридовский В.Ю., Гайдук В.В., 2004
© Прокопьев А.В., Фридовский В.Ю., Гайдук В.В., 2004
Метод сбалансированных разрезов применяется для построения геометрически непротиворечивых структурных разрезов через надвиговые пояса. Первоначально этот метод разрабатывался применительно к данным поверхностной геологии. В настоящее время он широко используется также для структурной интерпретации сейсмических материалов (Woodward et al., 1989; Mount et al., 1990; Wilkeerson, Weelman, 1993; и др.). Основные положения метода сформулированы С. Дальстремом (Dahlstrom, 1969). Классическое изложение метода содержится в учебных изданиях (Woodward et al., 1985; 1989; Ramsay, Huber, 1987; и др.).
Рис. 1.25. Сбалансированный структурный (А) и восстановленный (В) разрезы. К ядру рамповой антиклинали Chestnut Ridge приурочено нефтяное месторождение Ben Hur (Mitra, 1986)
Рис. 1.26. Схема построения сбалансированного разреза (Mount et al., 1990)
Рис. 1.27. Последовательность реконструкции структурной модели (шаги 1–11), которая в дальнейшем балансируется (Woodward et al., 1985).
А – изображение структурной ситуации на поверхности: Б – реконструкция палеостратиграфического разреза (вертикальные отрезки соответствуют изученным стратиграфическим разрезам) проецирование поверхностной структуры на глубину и изображение опорных «карандашных» линий. Поверхностная структура проецируется до формации Honaker, с которой регионально связан подошвенный надвиг. Опорные линии рисуются от автохтона глубина до которого определяется по сейсмическим и буровым данным. Г – «дыры» между подошвенным надвигом и опорными линиями, заполненные дополнительными чешуями
Рис. 1.28. Определение глубины до автохтона по структурной ситуации на поверхности:
А – для структур, в которых отложения в основании чешуй субпараллельны подошвенному надвигу (Woodward et al., 1985). Б – для рамповых антиклиналей, в которых смещения по висячему крылу детачмента компенсируются движением по обратному надвигу
Рис. 1.29. Связь площадного (Аx) и линейного (ΔL) укорочения с глубиной до детачмента при применении равноплощадного метода балансирования (Geiser, 1988а)
Рис. 1.30. Сбалансированный структурный (А) и восстановленный (Б) разрезы: прием локальных пин-линий (линий отсчета) используется в тех случаях, когда висячие рамповые отсечки размыты; при построении восстановленного разреза укорочение обычно минимальное (Woodward et al., 1985)
Рис. 1.31. Баск- и кинк-методы (А и Б соответственно) проекции пликативных деформаций на глубину при концентрическом типе складок (Suppe, 1985)
Что же такое сбалансированный разрез? Обычно его определяют как логичный разрез, который удовлетворяет разумным ограничениям и непротиворечиво объясняет наблюдаемую структурную ситуацию на поверхности, в скважинах и на сейсмических профилях. Основное ограничение (допущение) метода – это сохранение длины и толщины слоев (в некоторых случаях – площади слоев) в процессе деформации. Это означает, что заметного уплотнения и перетока пород не происходит. Такое условие отвечает параллельной (концентрической) складчатости. Для того чтобы проверить, является ли разрез сбалансированным или нет, его нужно развернуть в недеформированное состояние (распрямить складки и сместить слои по разломам в обратном направлении). Если разрез сбалансирован, то на восстановленном разрезе (restored section, retrodeformation) все слои должны совместиться вдоль траектории надвигов без пробелов и перекрытий (рис. 1.25). При построении сбалансированных разрезов, помимо условия сохранения длины слоев, может быть введен ряд дополнительных условий (ограничений), являющихся, по существу, основными эмпирическими закономерностями строения надвиговых систем. Общими для всех надвиговых систем являются закономерности, сформулированные С. Дальстремом и перечисленные в п. 1.1.3: 1) отсутствие соскладчатых и постскладчатых деформаций в автохтоне; 2) связанность надвигов с детачментом; 3) ступенчатая траектория надвигов; 4) выдержанность горизонтального сокращения вдоль надвиговой зоны; 5) ограниченный набор структурных форм, слагающих надвиговую систему.
Применительно к конкретным надвиговым системам могут вводиться уточнения в вышеперечисленные условия. Например, конкретизироваться стратиграфическая приуроченность детачмента и промежуточных горизонтов скольжения, определяться суммарное горизонтальное укорочение и т.д.
Различают три модификации метода сбалансированных разрезов
(Woodward et al., 1985): 1) равной длины, 2) равной площади и 3) опорных слоев. Основное условие первого метода определено выше (см. с.41). Второй допускает локальное перераспределение вещества в ядрах складок. При его реализации первоначально осуществляется балансировка по длине слоев, а затем учитываются локальные изменения мощности. Он используется при детальной балансировке либо геометрическом моделировании локальных структур (Mitra, 1990; и др.). Третий метод представляет собой комбинацию двух первых и применим для надвиговых систем, сложенных чередованием компетентных и пластичных толщ. Опорными являются компетентные слои, по которым и проверяется условие сохранения длины и толщины.
Последовательность построения сбалансированного разреза можно представить в виде схемы, изображенной на рис. 1.26. Детально процесс построения сбалансированных разрезов рассматривается в учебнике Н. Вудворда и др. (Woodward et al., 1985). Кратко охарактеризуем последовательность операций (шагов).
1. Сбор данных. В первую очередь необходимы: а) геологические карты в районе профиля; б) наблюдения по элементам залегания слоев и разломов, кинематике малых структурных форм; в) аккуратная стратиграфия и точные мощности. Это основа, от которой зависят все последующие построения. Особое значение имеют данные о мощности литостратиграфических подразделений. Неадекватное отражение структурной ситуации приведет к локальной ошибке. Ошибка же в мощности отразится на всем профиле. Завышение мощности автоматически приведет к завышению глубины залегания детачмента, занижение – к увеличению амплитуды утолщения.
2. Выбор линии профиля. Линия профиля обязательно должна быть перпендикулярной простиранию структур, а точнее – параллельна направлению тектонического транспорта. В противном случае возможны серьезные ошибки и сложности балансировки. Это связано с тем, что, несмотря на одинаковое суммарное горизонтальное сокращение вдоль надвиговой системы, смещение по отдельным разломам по простиранию заметно изменяется. Особо следует опасаться пересечения трансформных линий (таких, как сдвиги, сбросы и т.д.).
3. Отображение топографической поверхности и геологических данных. Для региональных нефтегазопоисковых целей (при использовании геолкарты масштаба 1: 200 000) удобен масштаб 1: 100 000. Более крупный масштаб требует специальных структурных и картировочных данных либо временных сейсмических разрезов. Вертикальный и горизонтальный масштабы должны быть обязательно одинаковыми, в противном случае балансировка становится сложной. Топографическая поверхность, элементы залегания слоев и разломов, а также границы литостратиграфических границ вычерчиваются в туши (рис. 1.27). Если линия профиля совпадает со скважиной, то отображаются глубины и элементы залегания толщ, вскрытых скважиной.
4. Проецирование информации со смежной территории. При построении разреза масштаба 1: 100 000 рекомендуется проецировать данные, расположенные не далее 2 км от линии профиля (Suppe, 1985). В крупных синклиналях, сложенных на поверхности отложениями одного и того же возраста, проекции могут быть и более дальними. Естественно, что при проецировании необходимо учитывать ундуляции.
5. Реконструкция палеостратиграфического разреза (restored stratigraphy). При построении сбалансированного разреза необходимо знать, как изменяются мощности литостратиграфических подразделений вдоль выбранного профиля. Для этих целей и строится палеостратиграфический разрез. От восстановленного разреза он отличается тем, что не учитывает горизонтального сокращения. Как правило, наиболее надежные данные о мощностях литостратиграфических подразделении имеются для нижних двух третей разреза надвиговых систем. Эти отложения наиболее распространены на поверхности, они имеют достаточно выдержанную толщину, которая постепенно увеличивается в сторону хинтерланда. Основная проблема построения палеостратиграфического разреза связана с определением мощности наиболее молодых отложений, участвующих в строении надвиговой системы. Как правило, эти отложения распространены ограниченно и вскрываются только перед фронтом надвиговой системы либо в мульдах отдельных синклиналей, поэтому судить о их мощности вдоль всего профиля бывает затруднительно. Н. Вудворд с соавторами (Woodward et al., 1985) предлагает условно считать их мощности выдержанными. Также условно нулевой уровень отсчета глубин (horizontal datum) предлагается связывать с кровлей наиболее молодых отложений (рис. 1.27). В природе такие условия соблюдаются в редких случаях. По этой причине палеостратиграфический разрез не может использоваться в качестве «глубиномера» сбалансированного разреза. Он используется только для контроля мощности.
6. Оценка глубины до автохтона. Стратиграфическое и глубинное положения кровли автохтона при методе сбалансированных разрезов имеют принципиальное значение. По существу, сбалансированный разрез является следствием логической интерполяции между поверхностными данными и кровлей автохтона. Кровля автохтона при методе сбалансированных разрезов должна быть определена изначально независимо от самого метода и нанесена на изучаемый профиль в туши до начала балансировки.
Наиболее надежно кровля автохтона определяется по сейсмическим и буровым данным. Стратиграфическая приуроченность кровли автохтона, или, что одно и то же, стратиграфическая приуроченность детачмента, может быть определена также по структурной ситуации на поверхности. Детачмент приурочен к отложениям, которые на поверхности залегают в основании чешуй первого порядка и субпараллельны плоскости подошвенного надвига. В редких случаях по структурной ситуации на поверхности можно оценить и глубину до автохтона (рис. 1.28). Для этого необходимо, чтобы в лежачем блоке отсутствовало тектоническое утолщение (субпластовые надвиги, не приводящие к изменению стратиграфической последовательности, при этом допускаются). Обосновать это условие без привлечения сейсмических и буровых данных непросто, за исключением случаев, когда лежачим крылом является краевой прогиб.
В дуплексных надвиговых системах стратиграфическую приуроченность и глубину до детачмента можно оценить при условии, что на поверхности вскрываются одноэтажные рамповые антиклинали с компенсацией смещения по обратным надвигам (рис. 1.28). Детачмент в них расположен глубже висячей плоскости надвига на величину вертикальной амплитуды рамповой антиклинали (H2). Стратиграфическая приуроченность и глубина до висячего крыла (H1) определяются по положению обратного надвига.
Приблизительная глубина до детачмента может быть оценена также по методу Чемберлена (Dahlstrom, 1969; Elliot, 1977; Hossack, 1979; Geiser, 1988а; Матрофайло, Смишко, 1990) (рис. 1.29). Чтобы им воспользоваться, необходимо реконструировать тектоническую структуру размытой части.
В заключение к описанию шестой операции еще раз отметим, что оценить глубину залегания автохтона по поверхностным данным удается в исключительных случаях и только для отдельных точек. Для целей же балансировки необходимо знать положение кровли автохтона вдоль всего разреза. Поэтому требуется привлечение сейсмических и буровых данных либо данных, позволяющих достаточно точно определить палеоглубину погружения отложений, с которыми связан детачмент. При построении региональных разрезов, преследующем общегеологические цели, при отсутствии сейсмических и буровых данных наклон поверхности автохтона рекомендуется принимать равным 2–3° (Dixxon, 1982; Woodward et.al., 1985).
7. Прикидка глубины залегания тыловых краев чешуй. Для этого карандашом выше уровня автохтона проводятся границы литостратиграфических подразделений в соответствии с мощностями палеостратиграфического разреза (рис. 1.27). В синклиналях, в которых утолщение равно нулю, а также на тыловых концах чешуй, непосредственно связанных с детачментом, «карандашные линии» соответствуют действительному залеганию слоев. Зтот простой, но полезный прием называют приемом «опорных линий» (regional line).
8. Выбор вертикальной линии отсчета, или пин-линии (pin-line). Эта линия должна находиться в недеформированной части краевого прогиба – перед фронтом надвиговой системы. Относительно пин-линии впоследствии измеряется длина слоев. Если реконструируемый разрез начинается не от форланда, то пин-линию следует помещать в синклинали, в которой утолщение равно нулю (на поверхности вскрываются отложения, соответствующие горизонтальному нулевому уровню палеостратиграфического разреза). В тех случаях, когда висячие отсечки размыты, приходится устанавливать локальные пин-линии (рис. 1.30). С. Дальстрем (Dahlstrom, 1969) предлагает локальные пин-линии устанавливать в осевых плоскостях синклиналей и антиклиналей и проверять длину слоев между ними независимо от сохранности висячих отсечек.
9 Проецирование поверхностной структуры на глубину. Вначале проецируются пликативные формы исходя из того, что деформации являются концентрическими (параллельными). Для проецирования пользуются баск- и кинк-методами (Suppe, 1985) (рис. 1.31). Баск-методом, названном по имени геолога Г. Баска (H. Busk), впервые использовавшего его в 1929 г., проецируют округлые складки. В русскоязычной литературе подобный метод известен как метод радиусов В.Н. Вебера.
Кинк-метод (от англ. kink) применим для складок, состоящих из прямолинейных отрезков. Любой округлый слой можно представить в кусочно-линейном виде. Именно этот метод чаще используется в рамках методики сбалансированных разрезов, поскольку при кинк-проецировании легче измерять длину слоев и рассчитывать форму складок по тригонометрическим зависимостям (см. п. 1.1.1). При проецировании обязательно следует наносить осевые линии изгибов слоев. Осевые плоскости всегда с одной или двух сторон ограничены. Возможны три варианта: 1-й – они ограничиваются изгибами надвигов в рамповых складках и взбросо-складках (рис. 1.5. 1.8); 2-й – срезаются более молодыми разломами; 3-й – разветвляются (рис. 1.31).
Складки проецируются до отложений, имеющих такой же возраст, что и отложения, с которыми связан детачмент, либо до надвиговых поверхностей. При проецировании надвигов на глубину следует помнить, что: 1) на большем своем протяжении они являются субпластовыми по отношении к кровельным либо подошвенным слоям; 2) горизонты скольжения являются региональными; 3) по направлению транспорта надвиг пересекает все более молодые слои; 4) наклон слоев тыловых крыльев антиклиналей равен или положе наклона подстилающего рампа. Если после проецирования поверхностных структур на глубину оказывается, что тыловые отсечки чешуй совпадают с «карандашными (опорными) линиями» (шаг 7), то это значит, что избыточного или недостаточного объема нет и можно приступать к геометрической балансировке (шаги 11–12).
10. «Заполнение дыр». Если между «карандашными (опорными) линиями» и спроецированными на глубину структурами образовались «дыры», то они заполняются дополнительными чешуями, чешуйчатыми веерами или дуплексами (рис. 1.27). При заполнении «дыр» следует помнить, что геометрически сопряженные по надвигам лежачие и висячие отсечки должны между собой соответствовать. Девятый и десятый шаги не являются формальными, они не могут быть реализованы при простом выполнении инструкций. Для их реализации требуется понимание структурных форм, знание региональной геологии и определенная интуиция. В зависимости от полноты фактических данных на этом этапе может быть предложено несколько моделей, которые затем можно сбалансировать. Это не значит, что любая модель может быть доведена до геометрически непротиворечивого вида. Опыт и понимание помогут исключить из балансировки бесперспективные модели.
11. Измерение длины слоев. В тех случаях, когда висячие отсечки размыты, приходится устанавливать локальные пин-линии (рис. 1.30). С. Дальстрем (Dahlstrom, 1969) предлагает локальные пин-линии устанавливать в осевых плоскостях синклиналей и антиклиналей и проверять длину слоев между ними независимо от того, сохранились или нет висячие отсечки.
12. Построение восстановленного (палинспастического) разреза. Для этого структурный разрез разворачивается в недеформированное состояние. На восстановленном разрезе наносятся траектории надвигов. В тех случаях, когда висячие отсечки размыты, укорочение рекомендуется принимать минимальным (рис. 1.30).
13. Проверка восстановленного разреза. Необходимо, чтобы на восстановленном разрезе: а) длина всех слоев или только опорных была одинаковой (отсчет ведется от основной пин-линии); б) локальные пин-линии были перпендикулярны к слоям и длина слоев между ними была одинаковой; в) висячие и лежачие отсечки совпадали; г) площади литостратиграфических подразделений соответствовали структурному разрезу.
