graduate student
Russian Federation
The paper considers the geophysical anomalies computer modeling from the structures obtained by analog physical modeling of shear deformations. Based on the results of physical modeling of slip-strikes (performed by other authors), a generalized petrophysical model was built, and then direct tasks of gravity and magnetic surveys were solved. The features of the resulting fields are presented, which can help in the interpretation of geophysical data over structures where shear faults are developed — these are chains of anomalies of different signs extended along the general fault. The applicability of experimental geotectonics results for digital modeling of geophysical anomalies is confirmed and the corresponding methodological approach is tested.
geophysics, tectonics, shear, gravity survey, magnetic survey, modeling
Введение
Сдвиговые нарушения активно изучаются в России и за рубежом в связи с решением множества прикладных задач. Так, сдвиги интересны при поисках и разведке месторождений углеводородов (Тимурзиев, 2013; Данилова, 2020), так как формируют, кроме прочего, бассейны «пулл-апарт» (pull-apart) — как правило, ромбовидные впадины размерами от малых ложбин до сотен километров. Строение рудных тел месторождений благородных металлов часто контролируется сдвигами (Данилова, 2020; Имаева и др., 2021b), так как возникающие сколы, трещины формируют пустотное пространство для рудоотложения в хорошо проницаемой флюидами зоне. Кроме того, сдвиги несомненно интересны с позиций общей геологии — при уточнении строения и эволюции территорий. При этом развитие сдвигов приводит к формированию и других разнообразных структур, хребтов «поп-ап» (pop-up), кулисных складок, структур типа «конский хвост» и других. Структуры отличаются в зависимости от развитости сдвига, особенностей состава нарушенных и перекрывающих пород. Такое разнообразие усложняет интерпретацию при использовании как геофизических, так и геологических методов (Имаева и др., 2021a; Koukouvelas, Aydin, 2002). Тем не менее имеется успешный опыт выделения сдвиговых нарушений, в том числе по потенциальным полям.
Метод построения стартовой модели
На аномалии гравитационного и магнитного полей кроме структур, вызванных сдвиговым нарушением, влияет вещественный состав пород, причем его влияние может быть более значительным и очень разнообразным. В текущей задаче рассмотрим (для выделения чистого эффекта сдвига) развитие такого нарушения в породах постоянного состава и, соответственно, плотностных и магнитных свойств. Но и при этом вариантов сдвигов очень много, остановимся на обобщенной модели, опубликованной в 1985 году (Christie-Blick, Biddle, 1985) с некоторыми дополнениями; вид модели в плане представлен на рисунке 1. Типичные формы структур, образующихся при сдвигах, изучены многократно с помощью физического моделирования. На текущем этапе не будем учитывать изменение физических свойств в зоне развития сдвига. Используем примеры результатов лабораторного тектонофизического моделирования для построения петрофизической модели как источника количественных характеристик амплитуды структуры, длины и ширины. Модель бассейна «пулл-апарт» зададим исходя из работы Mussofan (2019). За основу модели хребта «поп-ап» выберем работу Schellart, Nieuwland (2003). Данные работы описывают сдвиг примерно в равных масштабах, со схожими смещениями и материалами. Идеально было бы использовать физическую модель, в которой сформированы все интересные элементы сдвига, однако этому посвятим следующий этап исследования.
Полученная при физическом моделировании «структурная карта» поверхности использована как основа для задания границы раздела для формирования трехмерной плотностной и магнитной моделей. Эта поверхность подвергнута воздействию сдвигового нарушения, в ней проявлены структура и глубина бассейна, форма и высота хребта, но в масштабе физической модели; для расчетной цифровой модели указанные параметры пропорционально увеличены. Общая протяженность сдвига по цифровой модели составляет 25 км. На рисунке 2 показана сформированная «структурная поверхность» в трехмерном виде. Данная поверхность будет являться основой для построения петрофизической модели и решения прямой задачи грави- и магниторазведки.
Петрофизическая модель и методика компьютерного моделирования
При развитии сдвигового нарушения вероятен случай, когда сдвиг закладывается в породах фундамента, формируется в древних осадочных породах и перекрыт молодыми, относительно менее плотными осадочными отложениями. Смоделируем это, предполагая, что уровень съемки находится на 300 метров выше измененной поверхности. Рассмотрим модель со свойствами:
• перекрывающих отложений: плотность 2400 кг/м3, магнитная восприимчивость 0.001 ед. СИ;
• пород, в которых развит сдвиг: плотность 2670 кг/м3, магнитная восприимчивость 0.021 ед. СИ.
Для магнитного поля были заданы склонение (0°), наклонение (75°) вектора намагничивающего поля, модуль вектора магнитной индукции — 51000 нТл; индуктивная намагниченность.
Решение прямой задачи грави- и магниторазведки выполнено в программном обеспечении Oasis Montaj (GM-SYS 3D). Моделирование предполагает создание гипотетической геологической модели и решение прямой задачи с оценкой параметров физических полей. Для данных гравиметрии расчетным параметром является вертикальная составляющая напряженности гравитационного поля (ускорения свободного падения) в миллигалах, а для магнитного — приращение модуля вектора магнитной индукции (∆T) в нанотеслах. Решение основано на быстром преобразовании Фурье и реализуется в короткие сроки даже для больших трехмерных моделей.
Результаты и обсуждение
В результате получены аномалии, показанные на рисунках 3 и 4. Положительные аномалии модельного гравитационного поля локализованы над хребтом, отрицательные — над прогибами. Аномалии магнитного поля имеют немного более сложную конфигурацию ввиду биполярности аномалий аномалеобразующих тел. Биполярность магнитных аномалий предполагает двухполюсность источника и возможность получения в различных условиях положительной, отрицательной либо расположенных рядом положительной и отрицательной аномалий для одного и того же объекта. По результатам моделирования видно, что при заданных параметрах намагничивающего поля отрицательный полюс располагается севернее для возвышенностей в рельефе поверхности нижележащих пород и южнее для прогибов.
Рассмотрим полученные структуры в вертикальных сечениях через бассейн и через хребет (рис. 5, 6). Модельные структуры в разрезах представляют собой упрощенную форму отрицательной и положительной цветковых структур — расщепляющихся от нижней к верхней части разреза разломов. Такие структуры выделяются и в разрезе физических моделей сдвигов (Фролова, 2019), и в реальных геофизических данных, в частности сейсмических (Данилова, 2020). Ширина цветковой структуры и ее конфигурация зависят в высокой степени от глубины расположения фундамента или глубины заложения основного шва (разлома), вдоль которого наблюдаются смещения, что показано многочисленными экспериментальными исследованиями (Фролова, Корбутяк, 2019; Каримова, 2021). Ширина полученных в текущей работе аномалий гравитационного и магнитного полей незначительно превышает поперечный размер структур, вызванных сдвиговой деформацией.
Полученные результаты позволяют ожидать проявления сдвиговых деформаций на картах гравитационного поля в форме цепочек аномалий разных знаков и амплитуды как проявления дуплексов сжатия и растяжения. Наиболее выраженные аномалии у амплитудных бассейнов и хребтов; аномалии складок менее проявлены. Для магнитного поля отмечаются разнознаковые аномалии в форме пар вытянутых cигмовидных кривых (). Складки аномалии также имеют меньшую амплитуду, чем для бассейнов и хребтов. Сравнение карт полей друг с другом говорит о лучшей проявленности отдельных складок в магнитном поле, тогда как в гравитационном поле аномалии складки сливаются практически в единую структуру без заметного линейного характера аномалий. Сопоставление карты расчетного магнитного поля и положения заданных разрывных нарушений говорит о том, что делать напрямую линеаментный анализ можно с большой осторожностью из-за существенного смещения осей аномалий и градиентных зон.
Конечно, сдвиг должен проявляться и в нарушении корреляции аномалий, созданных особенностями вещественного состава и свойств пород, испытавших воздействие сдвигового нарушения. Величина смещения и характер поля индивидуальны — очень разнятся в зависимости от особенностей реальной геологической среды, но для примера покажем один из вариантов такого влияния (рис. 7, 8).
Пусть структуры фундамента до развития сдвига уже были неоднородны, имели линейные аномалии северо-восточного простирания. При развитии сдвига в зоне влияния последнего произошло изменение свойств — ослабление плотностных и магнитных характеристик, а также смещение оси аномалий до и после сдвига. В таком случае конфигурация поля становится более сложной: накладываются эффекты от сдвига и аномалии, вызванные разностью свойств пород, и соотношение аномалий различного происхождения может быть любым в зависимости от характеристики свойств пород, глубины расположения фундамента, интенсивности развития дуплексных структур (хребтов и бассейнов в зоне сдвига), величины смещения по магистральному разлому.
Выводы
Практическим результатом проведенного «численного эксперимента» считаем возможность наблюдать проявление в потенциальных полях аномалий, связанных с деформациями, вызванными сдвиговыми нарушениями. Полученные карты позволяют выделить в гравитационном поле цепочки разнознаковых аномалий, в магнитном поле — cигмовидные по форме парные («+» и «–») аномалии. Амплитуды аномалий говорят о возможности их изучения с помощью современной аппаратуры — в основном это десятки микрогал в гравитационном поле, единицы нанотесел в магнитном поле. Конечно, аномалии, обусловленные влиянием вещественного состава вмещающих пород, осложнят идентификацию таких структур на практике, но по крайней мере теперь понятно, какие именно особенности сдвигов могут проявляться в данных потенциальных полях.
Основным принципиальным результатом работы считаем вывод о применимости результатов физического моделирования развития геологических структур для компьютерного моделирования геофизических полей. Вероятно, это может стать достоверным инструментом для обоснования интерпретационных моделей таких сложных структур, как сдвиговые деформации. Рассмотренная в текущей работе модель является весьма общей, однако показывает адекватность результатов, хотя пока и достаточно грубых, но уже полезных, на взгляд авторов. Для интерпретации данных реально измеренных полей для территорий, где ожидается наличие сдвигов, можно порекомендовать комбинацию физического и компьютерного моделирования. Предполагается, что модель будет отражать гипотетические представления об изучаемой геологической среде (с учетом деформаций, вещественного состава, характеристик нормального поля), а результаты моделирования позволят подтвердить, отвергнуть или потребовать уточнений гипотезы о строении участка на основе сопоставления модельного и наблюденного полей. Такой подход не только может позволить подобрать оптимальную модель структур для интерпретации данных потенциальных полей, но и помочь в верификации результатов аналогового тектонофизического моделирования, результаты которого несут собственную высокую прикладную ценность (Чернецкий, Фролова, 2018; Фролова, 2019). Перспективным направлением видится взаимодействие между специалистами разных геологических наук, выполнение комплексных междисциплинарных исследований, в том числе на стыке экспериментальной тектонофизики и геофизики.
1. Danilova E. A. Prisdvigovye cvetkovye struktury yugo-zapada Orenburgskoj oblasti (Strike flower structures of the southwest of the Orenburg region). Regional geology and metallogeny, 2020, No. 82, pp. 60-68.
2. Imaeva L. P., Makkej K. G., Koz'min B. M., Makarov A. A. Sejsmotektonicheskaya reaktivizaciya kraevyh shovnyh zon Sibirskogo kratona (Seismotectonic reactivation of the marginal suture zones of the Siberian Craton)// Regional geology and metallogeny, 2021, V. 26, No. 2. pp. 7-26.
3. Imaeva L. P., Imaev V. S., Seredkina A. I. Sejsmotektonicheskie deformacii aktivnyh segmentov zony sopryazheniya Kolymo-Omolonskogo superterrejna i Yuzhno-Anyujskoj sutury, Severo-Vostok Rossii (Seismotectonic deformations of active segments of the conjugation zone of the Kolyma-Omolon superterrane and the South Anyui suture, Northeast Russia). Geotectonics, 2021, No. 1, pp. 232-240.
4. Karimova A. A., Bornyakov S. A., Panteleev I. A. Osnovnyye zakonomernosti razvitiya razryvnoy struktury sdvigovykh zon: po rezul'tatam fizicheskogo modelirovaniya (The main regularities of the development of the discontinuous structure of shear zones: according to the results of physical modeling). Proc. of conference, 2021, pp. 118-119.
5. Karimova A. A., Bornyakov S. A. Primery segmentnoy aktivizatsii razlomov v prirodnykh sdvigovykh zonakh (Examples of segment activation of faults in natural shear zones). Structure of the Lithosphere and Geodynamics: Proceedings of the XXIX All-Russian Youth Conference. Irkutsk: Institute of the Earth's Crust SB RAS, 2021, pp. 126-127.
6. Metelkin D. V., Vernikovskij V. A., Kazanskij A. Yu. Tektonicheskaya evolyuciya Sibirskogo paleokontinenta ot neoproterozoya do pozdnego mezozoya: paleomagnitnaya zapis' i rekonstrukcii (Tectonic Evolution of the Siberian Paleocontinent from the Neoproterozoic to the Late Mesozoic: Paleomagnetic Recording and Reconstructions). Geologiya i geofizika, 2012, V. 53, No. 7, pp. 883-899.
7. Timurziev A. I. Novejshaya sdvigovaya tektonika osadochnyh bassejnov: tektonofizicheskij i Flyuidodinamicheskij aspekty (v svyazi s neftegazonosnost'yu) chast' 1 (Recent strike-slip tectonics of sedimentary basins: tectonophysical and fluid dynamic aspects (in connection with oil and gas potential). Part 1. Glubinnaya neft'. 2013, V. 1, No. 4, pp. 561-605.
8. Frolova N. S., Kara T. V., Chitalin A. F., Cherneckij A. G. Analogovoe modelirovanie slozhnyh sdvigovyh zon. Primer Baimskoj rudnoj zony (Zapadnaya Chukotka) (Analog modeling of complex shear zones. An example of the Baim ore zone (Western Chukotka)). Problems of tectonics of continents and oceans: Proceedings of LI Tectonic Meeting, 2019, pp. 320-324.
9. Frolova N. S., Korbutyak A. N. Znachenie modelirovaniya dlya strukturnoj interpretacii sejsmicheskih dannyh: primer sdvigovyh zon s chekhlom bol'shoj moshchnosti (The value of modeling for the structural interpretation of seismic data: an example of shear zones with a thick cover). Proc. of conference, 2019, pp. 90-96.
10. Frolova N. S., Kara T. V., CHitalin A. F. Fizicheskoe modelirovanie sdvigovyh zon razlichnoj slozhnosti dlya vyyavleniya uchastkov povyshennoj flyuidopronicaemosti (Physical modeling of shear zones of varying complexity to identify areas of increased fluid permeability). Dynamic geology. Electronic scientific and educational journal, 2019, No. 1, pp. 29-47
11. Frolova N. S., Mishakina A. A., Korbutyak A. N. Analogovoe modelirovanie struktur, formiruyushchihsya na platformah pri smene rezhima rastyazheniya sdvigovym rezhimom (Analog modeling of structures formed on platforms during a change in tension regime by shear regime). Proc. of conference, 2021, pp. 139-140.
12. Cherneckij G. A., Frolova N. S. Analogovoe modelirovanie shirokih zon sdviga (Analog modeling of wide shear zones). Innovations in Geology, Geophysics, Geography - 2018: Proceedings of the 3rd International Scientific and Practical Conference, 2018, pp. 167-168.
13. Christie-Blick, N. and Biddle, K. T. Deformation and Basin Formation along Strike-Slip Faults. In: Biddle, K. T. and Christie-Blick, N., Eds., Strike-Slip Deformation, Basin Formation, and Sedimentation. Society of Economic Paleontologists and Mineralogists, Special Publication, 1985, V. 37, pp. 1-34. DOIhttps://doi.org/10.2110/pec.85.37.0001.
14. Koukouvelas, I. K., and Aydin, A., Fault structure and related basins of the North Aegean Sea and its surroundings, Tectonics, 2002, 21 (5), 1046 p. DOI:https://doi.org/10.1029/2001TC901037.
15. Le Guerroué, Erwan & Cobbold, Peter. Influence of erosion and sedimentation on strike-slip fault systems: Insights from analogue models. Journal of Structural Geology, 2006, 28. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.jsg.2005.11.007.
16. Mussofan, W. Thick silicic volcanic sequences at Muara Laboh and Rantau Dedap geothermal fields, Sumatra, Indonesia: implications for reservoir architecture and permeability. Proceedings of the 41st New Zealand Geothermal Workshop, 2019.
17. Schellart, Wouter & Nieuwland, Dirk. (2003). 3D evolution of a pop-up structure above a double basement strike-slip fault: Some insights from analogue modelling. Geological Society, London, Special Publications, 212, pp. 169-179. DOIhttps://doi.org/10.1144/GSL.SP.2003.212.01.11.
