GEO ExPro – Fracture, Fracture Everywhere – Part I

admin 0 Comments Articles

GEO ExPro – Fracture, Fracture Everywhere – Part I

Dobře vyvinuté soubory spár na dlažebních kamenech v St. Mary’s Chapel, Caithness, Skotsko. (Zdroj: Mike Norton)

Část I

Termín „zlom“ zahrnuje jakýkoli zlom nebo strukturní diskontinuitu v horninách, v níž jsou dvě zlomové plochy horniny (obvykle rovinné) odděleny úzkou štěrbinou, mnohem kratší, než je délka nebo výška zlomu. Ke zlomům dochází v důsledku ztráty soudržnosti horniny a jsou typickým projevem křehké deformace ve svrchní části zemské kůry (na rozdíl od struktur proudění a skládání, které se vyskytují v hloubkách zemské kůry v podmínkách tvárnosti).

Lezec využívající přírodní zlomy v cornwallské žule jako chyty pro ruce a nohy. (Zdroj: Jane Whaley)Zlomy jsou nejběžnější strukturní prvky, které se vyskytují ve všech typech hornin (vyvřelých, sedimentárních i metamorfovaných) a ve všech deskově tektonických prostředích, od kontinentálních riftů a středooceánských hřbetů až po subdukční příkopy a kontinentální kolize. Znalost zlomů je důležitá pro vědecké, technologické i hospodářské účely. Zlomy jsou nezbytnou součástí geologických procesů, které formují horská pásma, sedimentární pánve, pobřeží, oceánská dna, zemětřesení atd. Zlomy také zajišťují cesty tekutin pro pohyb podzemních vod, ropy a zemního plynu, rudních ložisek a magmatu.
Vědecký výzkum zlomů se datuje od devatenáctého století a v posledních desetiletích se rychle rozvíjí. Tato zkoumání zahrnují pozorování hornin a strukturní mapování na mikro- a makroúrovni, experimentální a analogové práce, geometrické a geomechanické analýzy a numerické modelování a simulace.
V ropných polích často rozlišujeme mezi přirozenými (přirozeně se vyskytujícími) trhlinami a trhlinami vrtného a hydraulického (vyvolanými vstřikováním kapaliny pro štěpení hornin) původu. Přestože se přirozené trhliny vyskytují ve všech horninách, nejsou všechny stejné a jednoduchý termín „přirozené trhliny“ nevystihuje jejich složitost. Charakterizace zlomů založená na vědeckých principech a údajích je proto zásadní pro jejich využití při průzkumu a těžbě surovin.

Zlomy mají různé podoby

Různé typy zlomů na konjugované normální zlomové struktuře. Upraveno podle Haakon Fossen, Structural Geology (2010). zlomy se vyskytují v různých měřítkách od minerálu po tektonickou desku a vznikají v mnoha podobách v důsledku řady odlišných procesů. Zlom je souhrnný termín pro různé typy zlomů v horninách.
V měřítku minerálních zrn je zlom rozpad krystalu podél nerovných nebo zakřivených ploch; vyžaduje vnější sílu působící na krystal. (Lom se liší od krystalové štěpnosti, tendence krystalu minerálu štěpit se podél jedné nebo více hladkých rovin, která souvisí s uspořádáním chemických vazeb v mřížce minerálu). Na tenkém řezu vzorkem horniny můžeme pozorovat mikrotrhliny, které mohou být intragranulární (omezené na jednotlivá zrna) nebo intergranulární (protínající několik zrn).
V odkryvech sedimentárních hornin jsou roviny podloží a spáry pravděpodobně nejnápadnějšími horninovými trhlinami. Ložní roviny oddělují vrstvy po sobě jdoucích sedimentárních hornin v důsledku změn litologie nebo jiných vlastností sedimentů. Termín spára poprvé použili horníci, kteří se domnívali, že horniny jsou podél těchto rovin „spojeny“ jako stavební bloky. Spáry se neprojevují viditelným střihem, ale jsou to dilatační (rozevírající se) nebo extenční zlomy vzniklé tahovým napětím. Mezi další typy extenčních zlomů patří pukliny (široké otvory vyplněné vzduchem, vodou nebo jinými tekutinami), žíly (vyplněné minerály) a hráze (svislé, široké zlomy vyplněné plutonickou nebo vulkanickou horninou).
Smykové zlomy naopak vykazují relativní pohyb (skluz) dvou stěn zlomu rovnoběžný s rovinou zlomu (skluzovou plochou). Střižné zlomy mají obvykle posuny v milimetrovém až centimetrovém měřítku, zatímco zlomy mají posuny větší. Zlomy mají často leštěné nebo pruhované povrchy (tzv. slickensides), které jsou výsledkem třecího posuvu stěn zlomu. Geologové mohou pomocí slickenlines (rýh na povrchu zlomu) určit směr zlomu.

Geometrická klasifikace zlomů na podélné, příčné (křížové), konjugované, diagonální (šikmé) a ortogonální zlomy vyvinuté na zlomové struktuře. Tyto terénní koncepce byly formulovány geology v první polovině 20. století. Upraveno podle Singhal a Gupta, Applied Hydrogeology of Fractured Rocks (2010). v ropném průmyslu a v odvětví podzemních vod se zlomy často označují spáry v ložiskovém měřítku a jiné otevřené, rozšiřující se zlomy, které mají pozitivní vliv na podpovrchový tok tekutin. V tomto omezeném smyslu se za jiný prvek považují například velké zlomy. Proto často slýcháme o „zlomech a poruchách“ v horninách zásobníku, což je jako říkat, že „na našem statku jsou zvířata a psi“. Zlomy skutečně představují významný typ zlomů a jsou geneticky spojeny s mnoha dalšími typy zlomů. (O různých typech zlomů viz dvoudílný článek „Poznejte své zlomy“, GEO ExPro, roč. 9, č. 5 a č. 6).
Zde stojí za zmínku i některé zvláštní typy zlomů. Bahenní trhliny (desikační zlomy) jsou polygony extenčních zlomů, které vznikají v sedimentech s vysokým obsahem jílu v důsledku smršťování a ztráty vody. Rozsedliny jsou přirozené trhliny s otevřeným režimem v uhelných slojích vyplněné zemním plynem nebo vodou. Deformační pásy jsou milimetr široké, rovinné útvary v pískovcích s vysokou pórovitostí, které vykazují malý posun, ale jsou charakterizovány horninami s nízkou pórovitostí a nízkou propustností, ale nejsou všechny stejné v důsledku toku minerálních zrn, štěpení nebo cementace; shlukují se kolem zlomů.
Některé zlomy tvoří velkolepé prvky na satelitních snímcích; jsou také důležité pro pohyby tekutin v měřítku zemské kůry. Lineamenty jsou fyziografické linie regionálního rozsahu, které označují deformaci hornin velkým zlomem nebo zvrásněním. Zlomové zóny na oceánském dně přesahují středooceánské hřbety až k okrajům kontinentů.

Charakterizace zlomů

Komplexní charakterizace zlomů zahrnuje mapování, měření a dokumentaci řady parametrů, včetně následujících:
1. Typ zlomu a jeho výplň (zda je otevřený nebo vyplněný).
2. Spojení zlomu s určitou litologií, strukturou (zlom, zlom nebo bez struktury), historií deformace (stáří) a současným (in-situ) napěťovým polem.
3. Systematické skalní zlomy se často vyvíjejí v jednom nebo více zlomových souborech. Je důležité tyto soubory zlomů zmapovat a kvantifikovat a zjistit jejich relativní stáří.
4. Postavení zlomů zahrnuje úhel strike (vzhledem k severu) a úhel dip (od 0° horizontálně do 90° vertikálně) a směr (směr dip je vždy kolmý na směr strike). Tyto údaje lze zobrazit na stereografických rovinných plochách. Trendy průběhu zlomu lze také vynést do růžicového diagramu nebo histogramu.
5. Délka zlomu udává laterální perzistenci struktury. Délky stop <1 m představují velmi nízkou perzistenci, zatímco délky stop >20 m představují zlomy s velmi vysokou perzistencí.

6. Rozhodujícími údaji jsou rozestupy zlomů a jejich vztah k tloušťce podloží nebo strukturní pozici (související se zlomy, související se záhyby nebo žádné). Na výchozech lze rozteč zlomů měřit pásmem podél skenovací linie. Pozorování ukazují, že velmi tuhé vrstvy mají více spár než velmi slabé vrstvy a pro danou litologii mají tenčí vrstvy těsně od sebe vzdálené spáry. Mezinárodní společnost pro mechaniku hornin (ISRM) doporučila následující stupnici pro klasifikaci rozestupů zlomů: extrémně těsné rozestupy (<0,02 m), velmi těsné rozestupy (0,02-0,06 m), těsné rozestupy (0,06-0,2 m), střední rozestupy (0,2-0,6 m), široké rozestupy (0,6-2,0 m), velmi široké rozestupy (2,0-6,0 m) a extrémně široké rozestupy (>6,0 m). Četnost zlomů je definována jako počet zlomů na metr délky. Je to tedy převrácená hodnota rozteče zlomů. Frekvence zlomů se rovná 1/rozteč zlomů.
7. Populace: Výskyt zlomů lze kvantifikovat v 1D (četnost zlomů na danou délku), 2D (intenzita zlomů na danou plochu) a 3D (hustota zlomů na daný objem).
8. Apertura je kolmá vzdálenost mezi sousedními skalními stěnami (zlomovými plochami) zlomu. Může být otevřená (obsahuje vzduch, vodu nebo jinou tekutinu) nebo uzavřená (vyplněná poruchovou horninou nebo jiným injektovaným materiálem). Apertura může být těsná (<0,25 mm) u uzavřených zlomů nebo široká (>10 mm) u otevřených zlomů. Apertura se zmenšuje podél délky zlomu směrem k čelu zlomu. Apertura se může měnit také podél výšky zlomeniny v důsledku asperitů (viz níže). Často se používají termíny „ekvivalentní“, „hydraulická“ a „mechanická“ apertura v závislosti na metodách a účelu jejich odhadu.
9. Stěny zlomů nemají dokonalé rovnoběžné, hladké povrchy, ale obsahují drsnosti a nerovnosti nazývané asperity, které snižují propustnost zlomů. Určité znalosti o asperitách tak mohou napomoci lepšímu modelování průtoku kapaliny trhlinou.

Anatomie horninových zlomů. (Zdroj: Rasoul Sorkhabi)10. Tuhost lomu (měřená v Pascalech/mm) popisuje napěťovou deformaci lomu s ohledem na normálové napětí (normálová tuhost neboli odolnost proti uzavření) a smykové napětí (smyková tuhost neboli odolnost proti smykovému posunu). Údaje o tuhosti zlomů se získávají nejobtížněji, protože zahrnují geomechanické laboratorní nebo in-situ experimenty s porušenými horninami.
11. Propojení zlomů: vzájemné propojení přirozených zlomů poskytuje propustnou síť pro tekutiny, zatímco nespojité, izolované zlomy nejsou hydraulicky účinné. Šance na propojení zlomů se zvyšuje s větší populací a délkou zlomů v daném objemu horniny.
12. Petrofyzikální vlastnosti zlomů včetně pórovitosti a propustnosti.

Zlomové zásobníky

Všechny zásobníkové horniny jsou do určité míry porušeny a obvykle více než jedním procesem. Nicméně termín „puklinový rezervoár“ označuje těsný rezervoár (propustnost matrice < 0,1 mD), v němž přirozené pukliny hrají významnou roli při propustnosti pro tok tekutiny (vody, ropy nebo zemního plynu). V těchto zásobnících má proto mapování a charakterizace zlomů v 3D geologickém modelu a kvantifikace petrofyzikálních vlastností zlomů zásadní význam pro vrtání a těžbu.
Ronald Nelson ve své knize Geologic Analysis of Fractured Reservoirs popsal klasifikaci zásobníků na základě pórovitosti a propustnosti horninové matrice i zlomů. Rozlišuje tak čtyři typy:

Klasifikace ložisek na základě petrofyzikálních vlastností horninových zlomů. Upraveno podle Ronald Nelson, Geologic Analysis of Fractured Reservoirs (2001).- V rezervoárech typu I poskytují základní pórovitost a propustnost zlomy (např. pole Amal, Libye; pole Ellenburger, Texas). Tyto rezervoáry mají vysoké klesající křivky na vrt.
– V rezervoárech typu II poskytují fraktury základní propustnost (např. pole Agha Jari, Írán; Rangely, Colorado).
– V rezervoárech typu III přispívají zlomy k propustnosti již vytěžitelného rezervoáru (např. Kirkuk, Irák; Cottonwood Creek, Wyoming).
– V rezervoárech typu IV působí zlomy vlastně jako fluidní bariéry (např. Beaver Creek, Wyoming; Houghton, Kansas). Tyto zásobníky jsou strukturně rozčleněné.
Podpovrchové zlomy vždy představují výzvu pro průzkum a těžbu. V ropném, geotermálním a podzemním průmyslu se proto k identifikaci, mapování a charakterizaci zlomů využívá široká škála materiálů, nástrojů a technik. Patří mezi ně tektonika pánve, analogy výchozů, jádra, zobrazovací protokoly z vrtů, seismické řezy, údaje o napětí in situ, testy průtoku ve vrtech, geomechanické experimenty atd.

.