GEO ExPro – Törés, törés mindenütt – I. rész
Skócia, Caithness, St. Mary’s Chapel, Caithness, Skócia: Jól fejlett fugakészletek a járólapokon. (Forrás: Mike Norton)
I. rész
A “törés” kifejezés magában foglal minden olyan törést vagy szerkezeti megszakadást a kőzetekben, amelyben két (általában sík) kőzettörési felületet keskeny, a törés hosszánál vagy magasságánál jóval rövidebb rés választ el egymástól. A törés a kőzet kohéziójának elvesztése miatt következik be, és a Föld felső kérgében a rideg deformáció tipikus kifejeződése (ellentétben a kéreg mélyén duktilis körülmények között kialakuló áramlási és redős szerkezetekkel).
Sziklamászó, aki a cornwalli gránit természetes töréseit használja kéz- és lábtartóként. (Forrás: Jane Whaley)A törések a leggyakoribb szerkezeti jellemzők, amelyek minden kőzettípusban (vulkáni, üledékes és metamorf) és minden lemeztektonikai környezetben megtalálhatók, a kontinentális hasadékoktól és az óceánközépi gerincektől a szubdukciós árkokig és a kontinentális ütközésekig. A törések ismerete tudományos, technológiai és gazdasági szempontból egyaránt fontos. A törések lényeges részei azoknak a geológiai folyamatoknak, amelyek hegységöveket, üledékes medencéket, partvonalakat, óceánfeneket, földrengéseket stb. alakítanak ki. A törések folyadékpályákat biztosítanak a talajvíz, az olaj és a gáz, az érclelőhelyek és a magma mozgásához is.
A törések tudományos vizsgálata a tizenkilencedik századra nyúlik vissza, és az utóbbi évtizedekben gyorsan növekedett. Ezek a vizsgálatok magukban foglalják a kőzetmegfigyeléseket és a szerkezeti térképezést mikro- és makroszinten, kísérleti és analóg munkákat, geometriai és geomechanikai elemzéseket, valamint numerikus modellezést és szimulációt.
A kőolajmezőkön gyakran megkülönböztetünk természetes (természetes eredetű) töréseket, valamint fúrás által kiváltott és hidraulikus (a kőzetek törésére szolgáló folyadék befecskendezésével kiváltott) eredetű töréseket. Bár természetes törések minden kőzetben előfordulnak, ezek nem mind egyformák, és az egyszerű “természetes törések” kifejezés nem felel meg összetettségüknek. A törések tudományos alapokon és adatokon alapuló jellemzése ezért döntő fontosságú az erőforrások feltárása és kitermelése során történő felhasználásukhoz.
A törések különböző formákban jelentkeznek
Változatos töréstípusok egy konjugált normál törésszerkezeten. Módosítva: Haakon Fossen, Structural Geology (2010) A törések az ásványoktól a tektonikus lemezekig különböző léptékben fordulnak elő, és számos különböző folyamat révén számos formában keletkeznek. A törés a kőzetekben előforduló különféle törések gyűjtőfogalma.
Az ásványi szemcsék szintjén a törés a kristályok egyenetlen vagy görbült felületek mentén történő törése; ehhez a kristályra kifejtett külső erőre van szükség. (A törés különbözik a kristályhasadástól, az ásványkristály egy vagy több sima sík mentén való hasadási hajlamától, amely az ásványrácsban lévő kémiai kötések elrendeződésével függ össze.) A kőzetminta vékonymetszetén megfigyelhetjük a mikrotöréseket, amelyek lehetnek intragranulárisak (egyes szemcsékre korlátozódnak) vagy intergranulárisak (több szemcsén átvágnak).
Az üledékes kőzetek feltárásakor valószínűleg a rétegsíkok és a hézagok a legszembetűnőbb kőzettörések. Az ágyazati síkok egymást követő üledékes kőzetek rétegeit választják el egymástól a litológia vagy más üledéktulajdonságok változása miatt. Az illesztés kifejezést először a bányászok használták, akik úgy gondolták, hogy a kőzetek ezen síkok mentén “összeilleszkednek”, mint az építőkockák. Az illesztések nem mutatnak látható nyírást, hanem dilatációs (megnyíló) vagy extenziós törések, amelyek a húzófeszültség hatására jönnek létre. A dilatációs törések más típusai közé tartoznak a hasadékok (levegővel, vízzel vagy más folyadékkal kitöltött széles nyílások), az erek (ásványokkal kitöltöttek) és a gátak (függőleges, széles törések, amelyeket plutonikus vagy vulkáni kőzet tölt ki).
A nyírásos törések viszont két törésfalnak a törési síkkal (csúszási felülettel) párhuzamos relatív mozgását (csúszását) mutatják. A nyírt törések általában milliméteres és centiméteres nagyságrendű elmozdulásokkal, míg a törések nagyobb elmozdulásokkal rendelkeznek. A töréseknek gyakran vannak csiszolt vagy csíkozott felületei (úgynevezett slickensides), amelyek a törésfalak súrlódásos csúszásából erednek. A geológusok a slickenside-vonalak (barázdák a törésfelszínen) segítségével meghatározhatják a törés irányát.
A törések geometriai osztályozása hosszanti, keresztirányú (kereszt), konjugált, átlós (ferde) és ortogonális törésekre, amelyek egy redős szerkezeten alakultak ki. Ezeket a terepi alapú fogalmakat geológusok fogalmazták meg a 20. század első felében. Módosítva a Singhal and Gupta, Applied Hydrogeology of Fractured Rocks (2010) című könyvből.A kőolaj- és talajvíziparban a törés gyakran utal a tározó méretű illesztésekre és más nyitott, kiterjedt törésekre, amelyek pozitív hatással vannak a felszín alatti folyadékáramlásra. Ebben a korlátozott értelemben például a nagy töréseket más jellemzőnek tekintik. Így gyakran hallunk “törésekről és törésekről” a tározó kőzetekben, ami olyan, mintha azt mondanánk, hogy “állatok és kutyák vannak a farmunkon”. A törések valóban a törésképződés egy jelentős típusát jelentik, és genetikailag sok más töréstípushoz kapcsolódnak. (A törések különböző típusairól lásd az “Ismerd meg a töréseidet” című kétrészes cikket, GEO ExPro, 9. kötet, 5. és 6. szám).
A törések néhány különleges típusát itt is meg kell említeni. Az iszaprepedések (kiszáradási törések) olyan nyúlványos törések poligonjai, amelyek az erősen agyagban gazdag üledékekben a zsugorodás és a vízveszteség következtében alakulnak ki. A hasadékok természetes, nyílt módusú törések a földgázzal vagy vízzel feltöltött szénrétegekben. A deformációs sávok milliméteres szélességű, síkszerű vonások a nagy porozitású homokkövekben, amelyek kevés eltolódást mutatnak, de alacsony porozitású, alacsony áteresztőképességű sávok jellemzik a kőzeteket, de ezek nem mind egyformák az ásványi szemcsék áramlása, törése vagy cementálódása miatt; törések körül csoportosulnak.
Egyes törések látványos vonásokat alkotnak a műholdképeken; ezek a kéreg léptékű folyadékmozgások szempontjából is fontosak. A lineamentumok olyan regionális kiterjedésű fiziográfiai vonalak, amelyek a kőzetek jelentős törések vagy redők általi deformációját jelzik. Az óceánfenéki törészónák az óceánközépi gerinceken túl a kontinentális peremekig terjednek.
Törések jellemzése
A törések átfogó jellemzése számos paraméter feltérképezését, mérését és dokumentálását foglalja magában, beleértve a következőket:
1. A törés típusa és kitöltése (nyitott vagy kitöltött).
2. A törés kapcsolata az adott litológiával, szerkezettel (törés, redő vagy szerkezet nélküli), deformációtörténettel (kor) és a jelenlegi (in-situ) feszültségmezővel.
3. A szisztematikus kőzettörések gyakran egy vagy több töréskészletben alakulnak ki. Fontos e töréskészletek feltérképezése és számszerűsítése, valamint relatív koruk kidolgozása.
4. A törések fekvése magában foglalja a csapásirányt (északra vonatkoztatva) és a bemerülési szöget (0° vízszintes és 90° függőleges között) és irányt (a bemerülési irány mindig merőleges a csapásirányra). Ezek az adatok sztereografikus, egyenlő területű ábrákon ábrázolhatók. A törésütközési trendek rózsadiagramon vagy hisztogramon is ábrázolhatók.
5. A töréshossz a szerkezet oldalirányú fennmaradását jelzi. A <1 m-es nyomvonalhosszúságok nagyon alacsony perzisztenciájúak, míg a >20 m-esek nagyon magas perzisztenciájú törések.
-
R.A. Hodgson 1961-ben az AAPG Bulletin 45. kötetében R.A. Hodgson közzétette az arizonai és utahi kőzeteken kialakult ízületi mintákról szóló tanulmányait, amelyben megkülönböztette a szisztematikus ízületeket, amelyek síkszerűek, párhuzamosak és egyenletes távolságban vannak, és a nem szisztematikus ízületeket, amelyek formájuk, tájolásuk és távolságuk tekintetében szabálytalanok. A szisztematikus ízületek “átható töréskészleteket” alkotnak, amelyek merőlegesek az ágyazati felszínre, és “kereszt-ízületek” köthetik össze őket. A töréskészletek állandó délidőszögben metszhetik egymást; a konjugált törések délidőszöge 30°-60°, míg az ortogonális törések derékszögűek (közel 90°). A nem szisztematikus ízületek íveltek, és gyakran végződnek az ágyazati felszíneken.
-
Ágyazati ízületek A töréseknek az ágyazathoz viszonyított irányultsága alapján a töréseket (nevezetesen az ízületeket) az ütőízületek (alaprajzban az ágyazati síkkal párhuzamosak), a meredekízületek (az ágyazatra merőlegesek) és az ágyazati ízületek (az ágyazattal párhuzamosak mind alaprajzban, mind függőleges nézetben) szerint osztályozzák.
6. A törések távolsága és annak viszonya a rétegvastagsághoz vagy a szerkezeti helyzethez (töréssel kapcsolatos, redőkkel kapcsolatos vagy nincs) döntő fontosságú adat. A feltárásoknál a törések távolsága szalaggal mérhető a szkennelési vonal mentén. A megfigyelések azt mutatják, hogy a nagyon merev rétegek több törést tartalmaznak, mint a nagyon gyenge rétegek; és egy adott litológia esetében a vékonyabb rétegeknél a törések sűrűn helyezkednek el. A Nemzetközi Kőzetmechanikai Társaság (ISRM) a következő skálát ajánlotta a töréstávolságok osztályozására: rendkívül szoros távolság (<0,02 m), nagyon szoros távolság (0,02-0,06 m), szoros távolság (0,06-0,2 m), mérsékelt távolság (0,2-0,6 m), széles távolság (0,6-2,0 m), nagyon széles távolság (2,0-6,0 m) és rendkívül széles távolság (>6,0 m). A törési gyakoriságot a törések méterenkénti számaként határozzák meg. Ez tehát a töréstávolság fordítottja. A törési gyakoriság egyenlő: 1/törési távolság.
7. Népesség: A törések előfordulása számszerűsíthető 1D-ben (törésgyakoriság egy adott hosszra), 2D-ben (törésintenzitás egy adott területre) és 3D-ben (töréssűrűség egy adott térfogatra).
8. Apertúra: Egy törés szomszédos kőzetfalai (törésfelszínei) közötti merőleges távolság. Lehet nyitott (levegőt, vizet vagy más folyadékot tartalmazó) vagy zárt (töréskőzet vagy más injektált anyaggal kitöltött). A nyílás lehet szűk (<0,25 mm) zárt töréseknél vagy széles (>10 mm) nyitott töréseknél. A nyílás a törés hossza mentén a törésfront felé csökken. A nyílás a törés magassága mentén is változhat az aszperitások miatt (lásd alább). Gyakran használják az “egyenértékű”, “hidraulikus” és “mechanikus” nyílások kifejezéseket, a becslésük módszerétől és céljától függően.
9. A törésfalak nem tökéletesen párhuzamos, sima felületűek, hanem tartalmaznak érdességet és egyenetlenségeket, úgynevezett aszperitásokat, amelyek csökkentik a törés áteresztőképességét. Az aszperitások némi ismerete így segíthet a törésen keresztüli folyadékáramlás jobb modellezésében.
A kőzettörések anatómiája. (Forrás: Rasoul Sorkhabi)10. A törésmerevség (Pascal/mm-ben mérve) a törés feszültség-alakváltozását írja le a normálfeszültség (normálmerevség vagy záródási ellenállás) és a nyírófeszültség (nyírómerevség vagy nyírási elmozdulással szembeni ellenállás) tekintetében. A törésmerevségre vonatkozó adatokat a legnehezebb megszerezni, mivel ezekhez a törött kőzeteken végzett geomechanikai laboratóriumi vagy helyszíni kísérletek szükségesek.
11. Töréskapcsolat: a természetes törések kereszteződése permeábilis hálózatot biztosít a folyadékok számára, míg a szétválasztott, elszigetelt törések hidraulikailag nem hatékonyak. A törések összekapcsolhatóságának esélye nő a törések nagyobb populációjával és hosszával egy adott kőzettérfogatban.
12. A törések petrofizikai tulajdonságai, beleértve a porozitást és az áteresztőképességet.
Töréses tározók
Minden tározó kőzet valamilyen mértékben és általában egynél több folyamat révén törik. Mindazonáltal a “töredezett tározó” kifejezés olyan szűk tározóra utal (mátrix áteresztőképessége < 0,1 mD), amelyben a természetes törések jelentős szerepet játszanak a folyadék (víz, kőolaj vagy földgáz) áramlásában. Ezekben a tározókban ezért a törések feltérképezése és jellemzése egy 3D-s geológiai modellben, valamint a törések petrofizikai tulajdonságainak számszerűsítése kiemelkedő jelentőségű a fúrás és a termelés szempontjából.
Ronald Nelson Geologic Analysis of Fractured Reservoirs című könyvében a kőzetmátrix és a törések porozitása és permeabilitása alapján írta le a tározók osztályozását. Így négy típust különböztet meg:
Tározók osztályozása a kőzet töréseinek petrofizikai tulajdonságai alapján. Módosítva: Ronald Nelson, Geologic Analysis of Fractured Reservoirs (2001) alapján.- Az I. típusú tározókban a törések biztosítják az alapvető porozitást és permeabilitást (pl. Amal-mező, Líbia; Ellenburger-mezők, Texas). Ezek a tározók kútonként magas csökkenő görbékkel rendelkeznek.
– A II. típusú tározókban a törések biztosítják az alapvető permeabilitást (pl. Agha Jari mező, Irán; Rangely, Colorado).
– A III. típusú tározókban a törések hozzájárulnak a már kitermelhető tározó permeabilitásához (pl. Kirkuk, Irak; Cottonwood Creek, Wyoming).
– A IV. típusú tározókban a törések valójában folyadékgátként működnek (pl. Beaver Creek, Wyoming; Houghton, Kansas). Ezek a tározók szerkezetileg tagoltak.
A felszín alatti törések mindig kihívást jelentenek a feltárásban és a kitermelésben. A kőolaj-, a geotermikus és a felszín alatti vizek iparában ezért sokféle anyagot, eszközt és technikát használnak a törések azonosítására, feltérképezésére és jellemzésére. Ezek közé tartoznak a medencetektonika, a feltárási analógiák, a magok, a fúrás képalkotó naplók, a szeizmikus szelvények, a helyszíni feszültségadatok, a kútáramlási tesztek, a geomechanikai kísérletek és így tovább.
