2.2 Складки

Складка может быть определена как искривление отмеченной поверхности (то есть из плоской формы до складкообразования в не плоскую после него). Главные интересы инженеров-нефтяников связаны с напластованными осадочными горными породами, поэтому под «отмеченной поверхностью» мы обычно будем понимать наслоение (но не всегда только его). Даже если толща горных пород представляет собой монотонное наложение друг на друга слоев одной и той же литологии, планы наслоения представляют существенный элемент неоднородности. В более обычной ситуации, когда меются вариации в литологии (например, переслаивание песчаников, глин, песчаников и так. далее), мы имеем даже более высокую степень неоднородности. Эти механические изменения являются тем, что делает «складкообразование» особенным структурным процессом.

Возможно, вы будете удивлены, если изучите целый ряд книг, чтобы найти другие точки зрения на складкообразование: ни одна из них не дает определение складкообразовния более однозначно, чем дано в предыдущем абзаце! Причина такой «сдержанности» заключается в том, что большинство геологов желают классифицировать складки в соответствии с их режимом происхождения: то есть с их генезисом. Если бы было возможно сделать это менее амбициозно, проблема была бы решена. К сожалению, процесс складкообразования все еще является предметом научных исследований, и происхождение любой отдельной складки не может быть определено однозначно, поэтому данная стратегия не может быть применена к реальной ситуации. Мы еще вернемся к теме генезиса складок, но вначале мы должны быть уверены, что мы знаем терминологию, отосящуюся к формам складок.

Формы складок

Первое, что мы должны определить, это слово «поверхность». Слои горных пород, и другие имеющие определенную форму тела горных пород ограничены поверхностями. Поверхность представляет собой искривленную плоскую сущность, которая, на математическом языке, имеет только две размерности (поверхность имеет неопределенную толщину). Большая часть схем наименования форм складок (рис. 11) основана на форме поверхностей. В этом отношении «поверхностью» мы будем обычно называт плоскость наслоения, ограничивающую пласт горных пород сверху (в кровле). (Но помните, что эта плоскость напластования также ограничивает снизу следующий, вышезалегающий пласт). Ключевыми словами являются: линия гребня (линия, которая представляет места с наиболее высокими отметками по высоте), линия прогиба (места с наиболее низкими отметками по высоте), линию перегиба (границу между выгнутой вверх и прогнутой вниз частями поверхности), вершина (наивысшая точка на линии гребня или прогиба) и впадина (самая низкая точка на на линии гребня или прогиба). Заметьте, что форма изменения поверхностей определенно трехмерна (важно, чтобы вы не забыли, что двухмерные изображения складок на разрезах, которые мы используем – только иллюстрации, и они не очень близки к реальным!).

Рисунок 11

Термины, которые описывают форму искривленной плоской поверхности

Большая часть следующего материала основана на представлении изучаемых форм поверхностей на разрезах. В математике ключевым понятием, необходимым для оценки формы поверхности, является кривизна. Кривизна по сути является величиной, обратной радиусу (1/r) круга, который имеет ту же самую форму, что и малый сегмент поверхности. Если мы определяем кривизну изогнутой в складки поверхности (посредством уравнения, которое не столь уж важно для достижения наших целей), обычно будут иметься некоторые точки, в которых кривизна больше, чем на соседних участках (то есть изогнутость поверхности в местах с высокой кривизной более «тугая»). Мы называем такие части складок с высокой кривизной «шарнирами». Менее искривленные (более прямые) части складок называются «крыльями». Возможно существование ка одношарнирных, так и многошарнирных складок. Осью складки называется линия, которая образуется при пересечении осевой поверхности с границей некоторого пласта. Ось складки и шарниры обычно параллельны (Рис. 12).

Рисунок 12

Шарниры и крылья складки

Удобной геометрической характеристикой формы складки является ее межкрыльевой угол (рис. 12). Этот параметр должен быть увязан с кажущейся сжатостью складки или угловатостью ее шарниров. Следующая таблица дает описание терминов, которые применяются для классификации (ранжирования) складок по измеренным межкрыльевым углам.

Описание	Межкрыльевой угол (0)
Пологая	180 - 120
Открытая	120 – 70
Закрытая	70 – 30
Тугая	30 – 0
Изоклиналь	0

Другие термины, использующиеся для описания строения складок, включают симметрию складок. Хотя складки не встречаются в форме цуга волн (волновых пакетов), следующее определение наиболее легко изображается, если мы нарисуем такой набор складок, повторяющейся формы. Охватывающие поверхности ограничивают отклонение смятой в складки поверхности относительно некоторого среднего(медианного) положения. Тогда амплитуда складки – это половина расстояния между охватывающими поверхностями. Средняя (медианная) поверхность связывает точки перегиба. Длина волны будет равна расстоянию между сопоставимыми точками перегиба. Заметьте, что длина волны будет короче, чем расстояние между точками перегиба, измеренными вдоль пласта. Симметричные складки имеют крылья равной длины, несимметричные складки имеют неравную длину крыльев (Рис. 13).

Рисунок 13

Термины, относящиеся к складкам повторяющейся формы

Конечно, наши реальные интересы связаны со смятыми в складки пластами горных пород (которые имеют конечную толщину). Когда пласт изогнут вверх, мы называем такую струтуру - аниклиналь; когда пласт изогнут вниз, мы называем такую структуру – синклиналь (рис. 14). Поскольку углеводороды обычно более легкие (и, соответственно, плавучие), чем водяные растворы, которые широко присутствуют в поровом пространстве горных пород, ини имеют тенденцию мигрировать по направлению вверх. Антиклиналь является идеальной формой, которая может служить ловушкой для нефти и газа (полагая, что мигрирующие углеводороды проникли в пласт-коллектор, могли перемещаться вдоль него, и что перекрывают этот пласт в данном месте непроницаемые породы-экраны; смотри отдельную главу по Нефтяной геологии).

Рисунок 14

Определение антиклинали и синклинали

Наши реальные интересы буду относиться к ситуации (обычно), когда имеется несколько наложенных друг на друга пластов. Мы можем создать воображаемые поверхности (рис. 15), которые объединяют различные точки, определенные на границах каждого пласта. Осевые поверхности разделяют крылья складок. Для тех типов складок, с которыми мы обычно сталкиваемся в системах углеводородов (те есть с приблизительно постоянной толщиной пластов; смотри ниже по тексту) осевая поверхность, это почти то же самое, что и поверхность шарниров, которая связывает все точки шарниров. Поверхности перегиба объединяют все точки перегиба, а поверхности гребня и прогиба (изображаемые не так уж часто) могут соединять все высокие и низкие точки соответственно. Поверхности перегиба определяют области складок – в их пределах изменения формы складок обычно регулярные и предсказуемые.

Рисунок 15

Воображаемые поверхности, разделяющие смятую в складки толщу горных пород.

Чаще всего оси складок негоризонтальные. Про негоризонтальные оси говорят, что они погружающиеся (рис. 16). (Линия погружения определяется по направлению погружения – углу между направлением на север и погружающимся вниз концом линии, и ее углу погружения – измеряемому от горизонтального положения). Если у складки погружающаяся ось, и невертикальная осевая поверхность, то ее осевая линия (где осевая поверхность пересекает земную поверхность) и ее вершинная линия (где вершинная поверхность пересекает земную поверхность) могут не совпадать на карте. Кажется, что этот момент сильно озадачивает многих студентов! Профиль складки, это поперечный разрез складки, построенный под прямым углом к оси складки. Для погружающихся складок профиль не совпадает с ее вертикальным разрезом.

Рисунок 16

Погружающаяся складка

Схема классификации складок основана на изменениях или постоянстве толщины слоев, смятых в складку (Рис. 17). У параллельных складок толщина слоев постоянная (измеренная по перпендикуляру к границам пласта). Концентрическими складками называются специфичные параллельные складки, которые имеют более-или-менее постоянную кривизну относительно центральной точки. Подобные складки имеют постоянное расстояние между слоями (измеренное вдоль направления, параллельного осевой поверхности – расстояние постоянное вдоль простирания складки, а не поперек).

Рисунок 17

Параллельные и концентрические складки

Другая схема классификации основана на распределении линий равных наклонов (изогон), как показано на профилях складок (Рис. 18). Изогонами называются линии, объединяющие точки на разных поверхностях, которые имеют одинаковый наклон. Имеется 3 класса, хотя первый класс подразделен на три подкласса 1А, 1В и 1С. В толще горных пород, сложеных большим количеством пластов, и особенно если имеется сильный контраст по механическим свойствам между пластами, меют место смешанные классы складок. Большинство складок, интересующих инженеров-нефтяников, принадлежат к классу 1В.

Рисунок 18

Классификация складок, основанная на изогонах (линиях равных наклонов)

Существует набор терминов, чтобы обеспечить лаконичную связь с ориентировкой скважин (рис. 19). Эти термины основаны на: сжатости складок (то есть величине межкрыльевого угла; смотри выше); их симметричности; погружении осевой поверхности; и погружении шарнира складки.

Описание	Наклон осевой поверхности (0)
Горизонтальная, субгоризонтальная	0,1 – 10
Слабо наклонная	10 – 30
Умеренно наклонная	30 – 60
Круто наклонная	60 – 80
Субвертикальная, вертикальная	80 – 89, 90

Описание	Угол погружения (0)
Горизонтальная, субгоризонтальная	0,1 – 10
Слабо наклонная	10 – 30
Умеренно наклонная	30 – 60
Круто наклонная	60 – 80
Субвертикальная, вертикальная	80 – 89, 90

Каждая комбинация терминов подразумевает геометрический вид складки. Полное описание связывает все эти термины вместе: например, асимметричная, сжатая, наклонная, погружающаяся антиклиналь. Если описание выражено численно (например, углы простирания и падения осевой поверхности, направление и угол погружения шарнира складки и т. д.), тогда сообщена полная ориентация складки.

Рисунок 19

Ориентация складок

На практике эти термины не часто используются специалистами в нефтяной геологии или инженерами, но полезно знать об их существовании, чтобы вы могли понимать описание складок, которое вы можете прочитать в будущем, или потребность в котором может возникнуть при неожиданных обстоятельствах. И хотя эти термины не часто используются, ценно заметить, что если складки могут быть описаны таким способом, это приводит к выводу, что геометрия складок есть что-то «регулярное» и, следовательно, предсказуемое.

Типы изгибов (флексур)

Многие геологи делают разлечие между складками сжатия и складками, созданными за счет изгибания. Полагается, что сжатия являются результатом укорачивания слоев, в то время, как изгибания создаются смещениями, сориентированными перпендикулярно к напластованию. Однако изгибание может (и обычно так и бывает) приводить к образованию более коротких складок (протягивающихся на меньшее растояние на карте) после завершения процесса складкообразования, нежели те складки, в которые горные породы были смяты перед этим, поэтому их вид не полностью адекватен различию между этими типами складок (по одному этому признаку не различишь).

Несколько более аккуратное замечание о сжатии заключается в том положении, что слои горных пород «сжаты» вдоль их длины. На практике (для естественных складок) это положение значит, что разделенные в пространстве точки на слое сдвинуты ближе друг к другу, и слой отклоняется (превращается в складку) в сторону от начальной плоской формы. Форма отклонений (изначально их длина волны) контролируется рядом факторов, включающим толщину слоя и его свойства по отношению к свойствам вмещающих его горных пород. Думется, что модель складки этого сорта создает «волновой пакет» складок, которые имеют подобные друг другу геометрические характеристики. Отдельные складки в «волновом пакете» растут за счет увеличения их амплитуд, и поскольку предполагается, что шарниры складок «фиксированы» в толще горных пород, одновременно с этим уменьшается длина волны.

Рисунок 20

Различия в нагрузке: (а) складки сжатия и (b) складки изгиба

При изображении на карте, складки сжатия ассоциируются с эллипсом напряжения (смотри приложение по механике горных пород), который имеет свою короткую полуось сориентированной в направлении давления, а свою короткую полуось ориентированной вдоль осей складок. Большинство реальных складок сжатия не бесконечны вдоль их осей, но переносят свое укорачивание на соседствующие складки. Для большинства складок сжатия отношение длины к ширине (как это выглядит на картах) составляет около 1:10.

Здесь удобно внсти замечание, которое применимо ко всем видам структур, но которое особенно наглядно изображается в виде складок как «цуга волн». Как было отмечено выше, складки имеют тенденцию к вытягиванию. При взгляде на карту ориентация этого вытягивания соотносится с направлением вытягивания или простирания складок. Эти же слова используются также, чтобы указать "длинное" направление структуры любого типа. Перпендикулярная к нему на карте ориентация называется поперечным направлением, или, "менее точно" (но более часто употребляемо), "направление падения". Хотя разрезы могут быть построены вдоль любой линии, наиболее обычно их рисуют в поперечном или направлении "падения", так как эта ориентация "наиболее эффективно" иллюстрирует главные изменения в форме. Для специфичных целей могут использоваться линии разрезов другой ориентации.

Момент, еще не отраженный в должной мере в литературе - то, что, в пачке наложенных друг на друга слоев, в которой каждый обладает своими собственными механическими свойствами, один слой может быть сжать, в то время как другие подвергнуты изгибанию по причине отклонения, связанного с контролирующим его сжатием. В областях, которые были сжаты, имеются важные генетические ассоциации между надвиговыми разломами и разломами по плоскостям напластования, и складками (см. дальше в этой Главе).

Независимо от причины складкообразования, флексуры в верхней части земной коры (то есть те, которые интересуют специалистов-нефтяников) в высшей степени зависят от того факта, что гоные породы залегают слоями. Плоскости напластования между слоями горных пород являются механическими разрывами сплошности, вдоль которых может происходить скольжение. Когда происходит складкообразование, вдоль некоторых (но не всех) плоскостей напластования происходит скольжение, и этот процесс (называемый складкообразование со скольженим при изгибе) поразительно изменяет структуру деформаций - по сравнению со смятием в складку отдельного толстого пласта, который не имеет внутренних плоскостей напластования. Скольжение вдоль плоскости напластования чрезвычайно важно в отношении ограничения величины напряжений, которые создаются в любой точке в изогнутой пачке слоев (например, интенсивности трещиноватости), и во влиянии на протяженность трещин, которые могут быть созданы при гидроразрыве. Когда имеет место сдвиг при изгибании (это "нормальная" ситуация при изгибании пластов в верхней части земной коры, представляющей интереса для инженеров-нефтяников), возникающие при этом трещины будут распределены иным образом, чем это можно было бы ожидать по степенному закону (описанному в этой главе выше). Из-за разделения напряжения, связанного со сдвигом при изгибе, толщи слоев горных пород могут быть значительно согнуты без того, чтобы испытывать чрезвычайную внутреннюю деформацию (рис. 21).

Рисунок 21

Деформации в складках со скольжением при изгибе