GEO ExPro – Murtuma, murtuma kaikkialla – Osa I
Hyvin kehittyneet liitossarjat laattakivissä St Mary’s Chapelissa, Caithness, Skotlanti. (Lähde: Mike Norton)
Part I
Käsitteellä ’murtuma’ tarkoitetaan mitä tahansa murtumaa tai rakenteellista epäjatkuvuuskohtaa kalliossa, jossa kaksi kallion murtumapintaa (yleensä tasomaisia) on erotettu toisistaan kapealla raolla, joka on paljon lyhyempi kuin murtuman pituus tai korkeus. Murtuminen tapahtuu kallion koheesion menettämisen vuoksi, ja se on tyypillinen ilmaus hauraasta muodonmuutoksesta maapallon ylemmässä kuoressa (toisin kuin virtaus ja poimurakenteet, joita esiintyy kuoren syvyyksissä sitkeissä olosuhteissa).
Kalliokiipeilijä, joka käyttää Cornwallin graniitissa olevia luonnollisia murtumia käsi- ja jalkakiinnikkeinä. (Lähde: Jane Whaley)Murtumat ovat yleisimpiä rakennepiirteitä, joita esiintyy kaikentyyppisissä kivilajeissa (magmakivet, sedimenttikivet ja metamorfiset kivilajit) ja kaikissa laattatektonisissa asetelmissa mannerlaattojen repeämistä ja valtameren keskivaiheilla olevista selänteistä subduktiokaivantoihin ja mantereiden törmäyksiin. Murtumien tuntemus on tärkeää tieteellisistä, teknologisista ja taloudellisista syistä. Murtumat ovat olennainen osa geologisia prosesseja, jotka muodostavat vuoristovyöhykkeitä, sedimenttialtaita, rannikoita, merenpohjia, maanjäristyksiä ja niin edelleen. Halkeamat tarjoavat myös nesteiden kulkureittejä pohjaveden, öljyn ja kaasun, malmiesiintymien ja magman liikkumiselle.
Halkeamien tieteelliset tutkimukset juontavat juurensa 1800-luvulta, ja ne ovat lisääntyneet nopeasti viime vuosikymmeninä. Näihin tutkimuksiin kuuluvat kallioperän havainnointi ja rakennekartoitus mikro- ja makrotasolla, kokeelliset ja analogiset työt, geometrinen ja geomekaaninen analyysi sekä numeerinen mallintaminen ja simulointi.
Petroöljykenttätoiminnoissa erotetaan usein toisistaan luonnolliset (luonnossa esiintyvät) murtumat ja porauksen aiheuttamat murtumat ja hydrauliset murtumat, jotka ovat peräisin porauksesta tai hydraulisesta murtumasta (joka on aiheutettu ruiskuttamalla nestettä kallion murtamiseksi). Vaikka luonnollisia murtumia esiintyy kaikissa kivilajeissa, ne eivät ole kaikki samanlaisia, eikä yksinkertainen termi ”luonnolliset murtumat” tee oikeutta niiden monimutkaisuudelle. Siten murtumien luonnehdinta tieteellisten periaatteiden ja tietojen perusteella on ratkaisevan tärkeää, jotta niitä voidaan hyödyntää luonnonvarojen etsinnässä ja tuotannossa.
Murtumia on monenlaisia
Vaihtelevia murtumatyyppejä konjugoituneessa normaalirakenteessa. Muokattu lähteestä Haakon Fossen, Structural Geology (2010). murtumia esiintyy eri mittakaavoissa mineraalista tektoniseen levyyn, ja ne syntyvät lukuisissa eri muodoissa useiden eri prosessien avulla. Murtuma on yhteisnimitys erilaisille kallioperän murtumille.
Mineraalirakeiden mittakaavassa murtuma on kiteen murtumista epätasaisilla tai kaarevilla pinnoilla; se edellyttää kiteeseen kohdistuvaa ulkoista voimaa. (Murtuminen eroaa kiteen halkeilusta, mineraalikiteen taipumuksesta halkeilla yhtä tai useampaa tasaista tasoa pitkin, mikä liittyy kemiallisen sidoksen järjestelyyn mineraaliverkossa). Kallionäytteen ohutleikkauksessa voidaan havaita mikromurtumia, jotka voivat olla intragranulaarisia (rajoittua yksittäisiin rakeisiin) tai intergranulaarisia (leikata useita rakeita).
Sedimenttikivien paljastumissa kerrostumislavat ja -liitokset ovat luultavasti silmiinpistävimpiä kallion murtumia. Kerrostumatasot erottavat peräkkäisten sedimenttikivien kerrokset toisistaan litologian tai muiden sedimenttiominaisuuksien muutosten vuoksi. Termiä joint käyttivät ensimmäisen kerran kaivostyöläiset, jotka ajattelivat, että kivet olivat ”liittyneet” yhteen näitä tasoja pitkin kuin rakennuspalikat. Nivelissä ei näy näkyvää leikkautumista, vaan ne ovat vetojännityksen muodostamia laajenemis- tai laajentumismurtumia. Muita laajentumismurtumatyyppejä ovat halkeamat (leveät aukot, jotka täyttyvät ilmalla, vedellä tai muilla nesteillä), suonet (mineraalien täyttämät) ja dyykit (pystysuorat, leveät murtumat, jotka täyttyvät plutonisella tai vulkaanisella kiviaineksella).
Leikkautuneissa murtumismurtumissa puolestaan näkyy kahden murtumaseinämän suhteellista liikettä (liukumista), joka on samansuuntainen murtotason kanssa (liukumispinta). Leikattujen murtumien siirtymät ovat yleensä millimetrin tai senttimetrin suuruisia, kun taas ruhjeilla on suurempia siirtymiä. Murtumissa on usein kiillotettuja tai raidallisia pintoja (ns. liukupintoja), jotka johtuvat murtumaseinien kitkaliukumisesta. Geologit voivat käyttää slickensideviivoja (uurteita ruhjeen pinnalla) määritelläkseen ruhjeen suunnan.
Murtumien geometrinen luokittelu pituussuuntaisiin, poikkisuuntaisiin (ristikkäisiin), konjugoituneisiin, diagonaalisiin (viistosuuntaisiin) ja ortogonaalisiin murtumiin, jotka on kehitetty poimurakenteeseen. Nämä kenttäpohjaiset käsitteet muotoilivat geologit 1900-luvun alkupuoliskolla. Muokattu lähteestä Singhal and Gupta, Applied Hydrogeology of Fractured Rocks (2010). Öljy- ja pohjavesiteollisuudessa murtumalla viitataan usein säiliön mittakaavan liitoksiin ja muihin avoimiin, laajeneviin murtumiin, joilla on myönteisiä vaikutuksia maanalaisen nesteen virtaukseen. Tässä suppeassa merkityksessä esimerkiksi suuria rikkonaisuuksia pidetään eri ominaisuutena. Usein puhutaankin ”murtumista ja rikkonaisuuksista” säiliökivissä, mikä on sama kuin sanoisi, että ”maatilallamme on eläimiä ja koiria”. Murtumat ovat todellakin merkittävä murtumatyyppi, ja ne liittyvät geneettisesti moniin muihin murtumatyyppeihin. (Erilaisista rikkonaisuustyypeistä ks. kaksiosainen artikkeli ’Know Your Faults’, GEO ExPro, Vol. 9, No. 5 ja No. 6).
Joitakin erityisiä rikkonaisuustyyppejä on myös syytä mainita tässä yhteydessä. Mutahalkeamat (kuivumismurtumat) ovat laajenemismurtumien monikulmioita, jotka kehittyvät erittäin savipitoisiin sedimentteihin kutistumisen ja veden menetyksen seurauksena. Cleats ovat luonnollisia, avoimia murtumia kivihiilikerroksissa, jotka ovat täynnä maakaasua tai vettä. Deformaatiokaistaleet ovat millimetrin levyisiä, tasomaisia piirteitä korkeaporfyyrisissä hiekkakivissä, joissa on vain vähän siirtymää, mutta joille on ominaista matalaporfyyriset, vähän läpäisevät kaistaleet kivet, mutta ne eivät ole kaikki samanlaisia mineraalirakeiden virtauksen, murtumisen tai sementoitumisen vuoksi; ne ryhmittyvät rikkonaisuuksien ympärille.
Jotkin murtumat muodostavat näyttäviä piirteitä satelliittikuvissa; niillä on myös merkitystä nesteiden liikkeille maankuoren mittakaavassa. Lineamentit ovat alueellisesti laajoja fysiografisia linjoja, jotka osoittavat kivien muodonmuutoksia, jotka johtuvat suurista ruhjeista tai poimuista. Merenpohjan murtumavyöhykkeet ulottuvat valtameren keskiosien harjanteita pidemmälle mantereen reunoille.
Murtumien karakterisointi
Kattavaan murtumien karakterisointiin kuuluu useiden parametrien kartoittaminen, mittaaminen ja dokumentointi, mukaan lukien seuraavat:
1. Murtumatyyppi ja sen täyttö (onko se avoin vai täytetty).
2. Murtuman yhteys tiettyyn litologiaan, rakenteeseen (murtuma, poimu tai ei rakennetta), deformaatiohistoriaan (ikä) ja nykyiseen (in situ) jännityskenttään.
3. Systemaattiset kalliomurtumat kehittyvät usein yhdeksi tai useammaksi murtumakokonaisuudeksi. On tärkeää kartoittaa ja kvantifioida nämä murtumissarjat ja selvittää niiden suhteellinen ikä.
4. Murtumien asentoon kuuluvat isku (pohjoiseen nähden) ja kallistuskulma (0° vaakasuorasta 90° pystysuoraan) sekä suunta (kallistussuunta on aina kohtisuorassa iskun suuntaan nähden). Nämä tiedot voidaan esittää stereografisilla tasavälisillä piirroksilla. Murtumien iskeytymissuuntaukset voidaan esittää myös ruusukaaviona tai histogrammina.
5. Murtuman pituus osoittaa rakenteen sivusuuntaisen pysyvyyden. Jäljen pituudet <1 m ovat hyvin vähän pysyviä, kun taas >20 m ovat hyvin paljon pysyviä murtumia.
-
R.A. Hodgson julkaisi vuonna 1961 AAPG Bulletinissa (Vol. 45) tutkimuksiaan Arizonan ja Utahin kiviin kehittyneistä nivelkuvioista, joissa hän erotti toisistaan systemaattiset nivelet, jotka ovat tasomaisia, samansuuntaisia ja tasaisin välimatkoin sijaitsevia, ja ei-systemaattiset nivelet, jotka ovat epäsäännöllisiä muodoltaan, orientaatioltaan ja välimatkoiltaan. Systemaattiset liitokset muodostavat ”läpäiseviä murtumakokonaisuuksia”, jotka ovat kohtisuorassa kerrospintoja vastaan, ja ne voivat olla yhteydessä toisiinsa ”ristikkäisliitoksilla”. Murtumakokonaisuudet voivat leikata toisiaan vakiokulmalla; konjugoituneilla murtumilla on 30°-60°:n dihedraalikulmat, kun taas ortogonaaliset murtumat ovat suorassa kulmassa (lähes 90°). Epäsysteemiset liitokset ovat kaarevia ja päättyvät usein kerrostumispintoihin.
-
Kerrostumaliitokset Perustuen murtumien suuntautumiseen kerrostumaan nähden murtumat (erityisesti liitokset) luokitellaan iskeviin liitoksiin (suunnassa katsottuna samansuuntaisesti kerrostuman iskevän tason kanssa), kallistuviin liitoksiin (kohtisuoraan kerrostumaan nähden) ja kerrostumaliitoksiin (samansuuntaisesti sekä suunnassa että pystysuuntaisesti katsottuna kerrostuman kanssa).
6. Murtumien etäisyydet ja niiden suhde kerrostuman paksuuteen tai rakenteelliseen asemaan (rikkonaisuuteen liittyvä, poimuun liittyvä tai ei mitään) ovat ratkaisevia tietoja. Paljastumissa murtumaväli voidaan mitata mittanauhalla skannauslinjaa pitkin. Havainnot osoittavat, että hyvin jäykissä kerroksissa on enemmän niveliä kuin hyvin heikoissa kerroksissa, ja tietyn kivilajin osalta ohuemmissa kerroksissa nivelet ovat lähekkäin. Kansainvälinen kalliomekaniikkayhdistys ISRM (International Society for Rock Mechanics) on suositellut seuraavaa asteikkoa murtumavälien luokittelemiseksi: erittäin tiheä väli (<0,02 m), erittäin tiheä väli (0,02-0,06 m), tiheä väli (0,06-0,2 m), kohtalainen väli (0,2-0,6 m), leveä väli (0,6-2,0 m), erittäin leveä väli (2,0-6,0 m) ja erittäin leveä väli (>6,0 m). Murtumatiheys määritellään murtumien määränä metrin pituutta kohti. Se on siis murtumavälien käänteisluku. Murtumatiheys on yhtä suuri kuin 1/murtumaväli.
7. Väestö: Murtumien esiintyminen voidaan kvantifioida 1D:nä (murtumatiheys tiettyä pituutta kohti), 2D:nä (murtumien intensiteetti tiettyä aluetta kohti) ja 3D:nä (murtumatiheys tiettyä tilavuutta kohti).
8. Aukko on murtuman vierekkäisten kallioseinämien (murtumapintojen) välinen kohtisuora etäisyys. Se voi olla avoin (sisältää ilmaa, vettä tai muuta nestettä) tai suljettu (täytetty rikkonaisella kalliolla tai muulla injektoidulla materiaalilla). Aukko voi olla tiivis (<0,25 mm) suljetuissa murtumissa tai laaja (>10 mm) avoimissa murtumissa. Aukko pienenee murtuman pituutta pitkin kohti murtumarintamaa. Aukko voi myös muuttua murtuman korkeudella asperiteettien vuoksi (ks. jäljempänä). Usein käytetään termejä ”ekvivalentti”, ”hydraulinen” ja ”mekaaninen” aukko riippuen niiden arviointimenetelmistä ja tarkoituksesta.
9. Murtumaseinämillä ei ole täydellisen yhdensuuntaisia, sileitä pintoja, vaan niissä on karheuksia ja epäsäännöllisyyksiä, joita kutsutaan asperiteeteiksi ja jotka vähentävät murtuman läpäisevyyttä. Jonkinlainen tieto asperiteeteista voi siten auttaa mallintamaan paremmin nesteen virtausta murtuman läpi.
Kallion murtumien anatomia. (Lähde: Rasoul Sorkhabi)10. Murtuma-jäykkyys (mitattuna Pascal/mm) kuvaa murtuman jännitys-muodonmuutosta normaalijännityksen (normaalijäykkyys eli sulkemisvastus) ja leikkausjännityksen (leikkausjäykkyys eli leikkaussiirtymävastus) suhteen. Murtumajäykkyyttä koskevia tietoja on vaikeinta saada, koska ne edellyttävät geomekaanisia laboratorio- tai in-situ-kokeita murtuneista kivistä.
11. Halkeamien kytkeytyneisyys: luonnollisten halkeamien risteytyminen muodostaa läpäisevän verkoston nesteille, kun taas irralliset, eristetyt halkeamat eivät ole hydraulisesti tehokkaita. Murtumakytkeytyneisyyden mahdollisuus kasvaa, kun murtumien määrä ja pituus tietyssä kalliotilavuudessa kasvaa.
12. Murtumien petrofysikaaliset ominaisuudet, mukaan lukien huokoisuus ja läpäisevyys.
Murtuneet varannot
Kaikki varantokivet ovat jossain määrin murtuneita ja yleensä useamman kuin yhden prosessin avulla. Termi ”murtunut varasto” viittaa kuitenkin tiiviiseen varastoalueeseen (matriisin läpäisevyys < 0,1 mD), jossa luonnollisilla murtumilla on merkittävä läpäisevyyden merkitys nestevirtaukselle (vesi, öljy tai maakaasu). Siksi näissä säiliöissä murtumien kartoittaminen ja karakterisointi 3D-geologisessa mallissa sekä murtumien petrofysikaalisten ominaisuuksien kvantifiointi on ensiarvoisen tärkeää porauksen ja tuotannon kannalta.
Kirjassaan Geologic Analysis of Fractured Reservoirs (Geologinen analyysi murtuneiden säiliöiden geologinen analyysi) Ronald Nelson on kuvaillut säiliöiden luokittelua, joka perustuu sekä kallion matriksin että murtumien huokoisuuteen ja läpäisevyyteen. Näin ollen erotetaan neljä tyyppiä:
Kallion murtumien petrofysikaalisiin ominaisuuksiin perustuva varastoalueiden luokittelu. Muokattu lähteestä Ronald Nelson, Geologic Analysis of Fractured Reservoirs (2001). – Tyypin I säiliöissä murtumat tarjoavat olennaisen huokoisuuden ja läpäisevyyden (esim. Amalin kenttä, Libya; Ellenburgerin kentät, Texas). Näillä varastoalueilla on korkeat laskevat käyrät kaivoa kohti.
– Tyypin II varastoalueilla murtumat tuottavat olennaisen läpäisevyyden (esim. Agha Jarin kenttä, Iran; Rangely, Colorado).
– Tyypin III säiliöissä murtumat lisäävät jo tuotettavissa olevan säiliön läpäisevyyttä (esim. Kirkuk, Irak; Cottonwood Creek, Wyoming).
– Tyypin IV säiliöissä murtumat toimivat itse asiassa nesteesteinä (esim. Beaver Creek, Wyoming; Houghton, Kansas). Nämä säiliöt ovat rakenteellisesti lokeroituneita.
Pinnanalaiset murtumat ovat aina haaste etsinnälle ja tuotannolle. Öljy-, maalämpö- ja pohjavesiteollisuudessa hyödynnetäänkin monenlaisia materiaaleja, välineitä ja tekniikoita murtumien tunnistamiseksi, kartoittamiseksi ja luonnehtimiseksi. Näihin kuuluvat muun muassa altaan tektoniikka, esiintymisanalogit, ydinsydämet, porakaivon kuvantamislokit, seismiset leikkaukset, in situ -jännitystiedot, porakaivon virtaustestit, geomekaaniset kokeet ja niin edelleen.
