Ограничения на циркуляцию флюидов в верхней коре и сейсмогенез из

Aug 04, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 5548 (2023) Цитировать эту статью

1192 Доступа

7 Альтметрика

Подробности о метриках

Проницаемость разломных зон играет существенную роль в распределении георесурсов и сейсмогенезе в хрупкой верхней коре, где как естественная, так и техногенная сейсмичность часто связана с миграцией флюидов и избыточным давлением. Таким образом, подробные модели структуры проницаемости зон разломов необходимы для уточнения нашего понимания естественных путей движения флюидов и механизмов, приводящих к компартментализации флюидов и возможному избыточному давлению в земной коре. Зоны разломов обычно содержат сложную внутреннюю архитектуру, определяемую пространственным сопоставлением «хрупких структурных фаций» (ЧФ), которые постепенно и непрерывно формируются и развиваются во время разломов и деформаций. Мы представляем первые систематические измерения проницаемости обнажений на месте ряда ЧФ из двух архитектурно сложных зон разломов в Северных Апеннинах (Италия). Ключевой структурно-гидравлической особенностью выступает резкая пространственная неоднородность современной проницаемости (до четырех порядков) даже для плотно совмещенных ЧФ, принадлежащих одному и тому же разлому. Результаты этого исследования позволяют нам лучше понять, как сложная архитектура разломов управляет трехмерной гидравлической структурой хрупкой верхней коры. Гидравлические свойства разломов, которые могут меняться как в пространстве, так и во времени во время орогенеза и/или отдельных сейсмических циклов, в свою очередь управляют развитием объемов с избыточным давлением, в которых может локализоваться сейсмогенез, вызванный флюидами.

Внутренняя архитектура зон разломов может влиять на формирование и накопление подземных вод, углеводородов, руд и тектонически и структурно-контролируемых потоков флюидов в хрупкой верхней коре (например, 1,2,3). Жидкости имеют первостепенное значение, поскольку они контролируют эффективное напряжение во время сейсмического цикла, тем самым влияя на механику разломов и общий стиль деформации4,5,6,7. Было продемонстрировано, что как природные, так и антропогенные землетрясения и сейсмические последовательности могут быть вызваны избыточным давлением жидкости7,8,9,10,11,12,13. Таким образом, детальная характеристика архитектуры разломов с прямыми ограничениями на структуру внутренней проницаемости разломов имеет основополагающее значение для (i) понимания механики разломов во всех масштабах, (ii) разработки уточненных моделей циркуляции жидкости в хрупкой верхней (сейсмогенной) коре. и их последствий с точки зрения формирования и накопления георесурсов и (iii) смягчения геологического риска, связанного с природными и техногенными землетрясениями.

В типичной модели разломов «ядро и зона повреждения» ядра разломов изображаются как барьеры для потока, пересекающие разломы, а зоны повсеместного трещиноватого повреждения – как каналы вдоль разломов (например, 14; рис. 1a). Однако сложные архитектуры разломов могут отличаться от этой относительно простой парадигмы, поскольку они содержат вторичные и связанные с разломами структуры, связанные с отчетливым гидравлическим поведением. Сосуществование в гетерогенной архитектуре разломов структурных областей с совершенно различным гидравлическим поведением может привести к объемным и локальным неоднородностям и анизотропии локального тензора проницаемости. Подробно показано, что помимо первичной проницаемости протолита (матричной проницаемости) вторичная структурная проницаемость зоны разлома определяется проницаемостью отдельных пород разлома, трещин, зоны повреждения и их трехмерной геометрической архитектурой ( например, 6,15,16). Например, ядра разломов обычно богаты слоистыми силикатами, которые, хотя обычно и чрезвычайно малопроницаемы (например, 17,18), образуют эффективные гидрологические барьеры только тогда, когда они непрерывны и физически связаны между собой. Открытые трещины и поверхности скольжения имеют проницаемость по простиранию, определяемую распределением и связностью их отверстий (например, 19,20). Присутствие разломных пород, характеризующихся плоской тектонической структурой (например, агрегатов полос глинистых минералов и/или нерастворимого материала), также может сильно влиять на проницаемость в объеме породы, приводя, например, к заметному разнице «поперек и вдоль расслоения». структуры проницаемости и, таким образом, существенно разделяют и модулируют циркуляцию флюидов в земной коре (например, 6,19,21). Кроме того, несколько исследований показали, что разломы также характеризуются анизотропными и сложными гидравлическими свойствами, которые изменяются во времени (во время орогенеза или сейсмического цикла; рис. 1) в ответ на развитие различных пород разломов (например, 19,22). ,23).