Пересмотр с геодинамических позиций механизмов формирования многих межгорных впадин мира обусловил открытие там новых месторождений нефти и газа, связанных с наклонными разрывными нарушениями в земной коре. Как правило, они сосредоточены в приразломных складках и тектонически-экранированных ловушках прибортовых зон. Расположенный в западной части Афгано-Таджикской межгорной впадины Сурхандарьинский нефтегазоносный регион также представляет в этом плане определенный практический интерес.

Рассматриваемая территория характеризуется неравномерной геолого-геофизической изученностью и преимущественно низким качеством сейсмических материалов. В результате предыдущих исследований здесь были установлены отдельные факты наличия наклонных разрывных нарушений. Их изучением занимались многие ученые [1-4]. Тем не менее идея проведения там поисково-разведочных работ не получила широкого практического воплощения ввиду отсутствия проработанной теоретической базы, а также недостатка фактических данных.

К настоящему времени у геологов так и не существует целостного представления о системе наклонных разрывных нарушений в земной коре Сурхандарьинского региона, которое позволило бы определить истинные масштабы этих объектов для прогнозных оценок. Кроме того, здесь не нашел объяснения и известный факт более интенсивной дислоцированности надсолевых отложений осадочного чехла. Очевидно, что быстро и эффективно восполнить подобные пробелы можно лишь с помощью геодинамических построений, базирующихся на точных физико-математических расчетах.

Целью данных исследований явилось выяснение с помощью методов численного математического моделирования структуры и механизмов формирования системы наклонных разрывных нарушений и приразломных складок неоген-четвертичного возраста в земной коре Сурхандарьинского региона. Для достижения поставленной цели определены действующие в регионе механические силы и на их основе разработана геодинамическая карта изучаемой территории; проведено численное математическое моделирование наблюдаемых геодинамических процессов на основе построенных физико-геологических разрезов земной коры.

Главным условием построения теоретически обоснованной системы наклонных разрывных нарушений в Сурхандарьинском регионе является определение действующих там механических сил. В результате проведения геодинамического анализа нефтегазоносных регионов Узбекистана было установлено, что основные направления этих сил обусловлены движением сопредельных литосферных плит и блоков (Абидов А.А., Долгополов Ф.Г., 1997). Эти построения базируются на широко известной геодинамической схеме В.Е. Хаина, отражающей характер взаимодействия литосферных плит и микроплит северной части восточного полушария Земли, которая послужила количественной основой для более детального определения системы внешних сил, действующих на литосферу Центральной Азии.

Геодинамический режим Центральной Азии представляет собой систему трех внешних сжимающих сил - одну статическую, приложенную с севера, и две динамические, приложенные с юго-востока и юго-запада. Он нашел свое отражение в особом мозаичном строении местной литосферы, состоящей из 19 относительно самостоятельных блоков. Очевидно, что на их границах действуют производные вторичные силы более сложной конфигурации.

Геодинамический режим Афгано-Таджикского литосферного блока определяется системой таких вторичных сил, передаваемых от четырех сопредельных блоков. Следует отметить, что интенсивность сил северо-западного направления имеет здесь явно преобладающее значение вследствие более быстрого дрейфа Индо-Австралийской плиты и смещаемых ею микроплит в северном направлении. Возникшая при этом матрица внутренних напряжений Сурхандарьинского региона соответствует полю сжатия северо-западного направления. Этот режим обусловил формирование целостной системы наклонных разрывных нарушений в земной коре.

Для ее точного картирования в условиях современного залегания была составлена геодинамическая карта Сурхандарьинского региона ( рис. 1 ). На ней самыми крупными структурными элементами выступают фрагменты Каракумского, Южно-Тянь-Шаньского, Байсунского и Афгано-Таджикского литосферных блоков. Сурхандарьинский нефтегазоносный регион расположен в северо-западной части Афгано-Таджикского литосферного блока, соответствующей одноименной мегасинклинали. С точки зрения авторов данной статьи она представляет собой квазисимметричную отрицательную структуру, ограниченную двумя главными наклонными разрывными нарушениями в земной коре. Ее образование связано с действием горизонтальных сжимающих сил северо-западного направления. В соответствии с их ориентацией и рельефом местности западная граница мегасинклинали закономерно представлена поддвиговой, а восточная - надвиговой зонами. Внутри мегасинклинали также выделяются наклонные разрывные нарушения более низких порядков, представленные преимущественно поддвигами.

В пределах висячих и лежачих крыльев таких разрывных нарушений закартированы узкие протяженные зоны, которые с позиции механики сплошной среды наиболее благоприятны для формирования приразломных складок и тектонически-экранированных ловушек. При этом большинство открытых здесь месторождений нефти и газа, а также выявленных локальных структур приурочено именно к этим зонам. Следует отметить, что в регионе еще существует некоторый резерв неопоискованных участков, расположенных в пределах лежачих крыльев поддвиговых зон, где прогнозируется выделение новых локальных складок.

Для точного отображения наклонных разрывных нарушений и приразломных складок в трехмерном пространстве были построены семь равноудаленных поперечных физико-геологических разрезов земной коры Сурхандарьинского региона. При их составлении использовались геофизические данные ГСЗ, ОГТ, МОВЗ и МТЗ. Наиболее характерные сечения мегасинклинали представлены на профилях 2-2, 4-4 и 6-6 ( рис. 2 ). Ее земная кора состоит из двух частей - верхней и нижней. Верхняя кора, изученная более детально, включает осадочный чехол, палеозойский комплекс, кристаллический фундамент и волноводный слой. Последний характеризуется относительно пониженной для этих глубин скоростью прохождения упругих волн ~6 км/с и на основании данных о глубинных термобарических параметрах региона интерпретируется как интервал дилатансии. Под дилатансией здесь понимается переход горных пород в двухфазное текучее состояние, вызванное образованием микротрещиноватости и насыщением флюидами. Она возникает благодаря межзерновым сдвиговым деформациям под воздействием быстрых механических напряжений и относительно невысоких температур менее половины солидуса. Нижняя кора аппроксимируется однородным слоем постоянной толщины.

Верхняя кора мегасинклинали разбита системой наклонных разрывных нарушений с различной глубиной проникновения. Самые крупные из них ограничивают мегасинклиналь в виде поддвиговой и надвиговой зон, достигая слоя дилатансии. При воздействии горизонтальных сжимающих напряжений более пластичное вещество этого слоя обеспечивает значительные перемещения упругих блоков верхней коры в плоскости разрывных нарушений.

Для доказательства механизмов формирования наблюдаемых на физико-геологических разрезах структур были использованы численные математические модели. В них на основе теории упругости методом граничных интегральных уравнений вычислялись величины деформаций слоев земной коры, находящихся под воздействием горизонтальных сжимающих напряжений. При задании граничных условий для напряжений и деформаций на контактах слоев и в зонах разрывных нарушений учитывалось действие закона Амантона, связывающего нормальные и касательные напряжения на поверхностях раздела через коэффициент трения. Практическая возможность таких вычислений реализована в компьютерной программе NADVIG.FOR. Физико-механические параметры основных слоев литосферы региона представлены в таблице.

Поэтапно нами были просчитаны три типа моделей, позволивших охарактеризовать все многообразие наблюдаемых геодинамических ситуаций ( рис. 3 ).

Модель 1 имитировала образование региональной квазисимметричной отрицательной структуры типа Сурхандарьинской мегасинклинали. Она состоит из трех слоев, аппроксимирующих верхнюю кору, слой дилатансии и нижнюю кору. Верхняя кора представлена однородным упругим слоем, разделенным на три блока двумя наклонными разрывными нарушениями с противоположными углами падения. В результате приложения горизонтальных сжимающих сил была получена картина опускания центрального блока при поднятии боковых. При этом вблизи разрывных нарушений наблюдаются максимальные деформации блоков.

Модель 2 имитировала формирование прибортовой поддвиговой зоны мегасинклинали. Она состоит из четырех слоев, аппроксимирующих осадочный чехол, консолидированную часть верхней коры, слой дилатансии и нижнюю кору. Осадочный чехол и консолидированная верхняя кора представлены однородными упругими слоями, разделенными на три блока двумя наклонными разрывными нарушениями с одинаковыми направлениями падения. В результате приложения горизонтальных сжимающих сил была получена картина поддвигания блоков друг под друга. При этом вблизи разрывных нарушений наблюдаются максимальные деформации осадочного чехла и консолидированной коры, напоминающие по форме приразломные складки.

Модель 3 имитировала формирование системы поддвиговых зон внутри мегасинклинали. Она состоит из пяти слоев, аппроксимирующих осадочный чехол, палеозойский комплекс, кристаллический фундамент, слой дилатансии и нижнюю кору. Осадочный чехол и палеозойский комплекс представлены однородными упругими слоями, разделенными на четыре блока тремя наклонными разрывными нарушениями с одинаковыми направлениями падения. В результате приложения горизонтальных сжимающих сил была получена картина последовательного поддвигания блоков друг под друга. При этом вблизи разрывных нарушений наблюдаются максимальные деформации осадочного чехла и палеозойского комплекса, соответствующие приразломным складкам в пределах висячих и лежачих крыльев блоков. Сопоставление их амплитуд указывает на большую дислоцированность осадочного чехла, чем подстилающих его палеозойских образований, обусловленную различием физико-механических свойств этих слоев. Очевидно, что включение в модель тонкого высокопластичного слоя солей приведет к еще более значительным дислокациям надсолевой части разреза, как это наблюдается в природе.

Результаты всех этапов численного моделирования показали, что амплитуды приразломных складок закономерно убывают по мере удаления от места приложения сжимающих сил. Это позволяет предположить, что формирование системы надвиговых и поддвиговых зон в Сурхандарьинском регионе происходило не одновременно, а по мере накопления сжимающих напряжений в некотором объеме земной коры до предельных значений, т.е. в релаксационно-колебательном режиме.

В результате проведения численного математического моделирования неоген-четвертичных геодинамических процессов в земной коре Сурхандарьинского нефтегазоносного региона и синтеза полученных результатов можно сделать следующие выводы.

1. В пределах мегасинклинали существует целостная система наклонных разрывных нарушений, которая с достаточной полнотой и точностью отображена на геодинамической карте и поперечных физико-геологических разрезах
2. Механизм образования системы наклонных разрывных нарушений связан с действием горизонтальных сжимающих сил северо-западного направления и наличием высокопластичиого слоя дилатансии в средней части коры.
3. Более интенсивная дислоцированность надсолевых отложений осадочного чехла вызвана высокой текучестью соляно-ангидритовой толщи.
4. В зонах наклонных разрывных нарушений формируются приразломные складки и тектонически-экранированные ловушки.
5. В пределах конкретных надвиговых и поддвиговых зон существуют новые перспективные участки для поисков месторождений нефти и газа.

1. Геология и геодинамика нефтегазоносных территорий Юга СССР: Тр. ВНИГНИ. / Под ред. С.П. Максимова, К.А. Клещева, В.С. Шеина. – М.: Недра, 1986.
2. Клещев К.А., Петров А.И., Шеин В.С. Геодинамика и новые типы природных резервуаров нефти и газа – М.: Недра, 1995.
3. Обухов А.Н. Эволюция межгорных впадин Центрально-Азиатского орогенного пояса – М.: Наука, 1990.
4. Таль-Вирский Б.Б. Геофизические поля и тектоника Средней Азии – М.: Недра, 1982.

The purpose of investigation data is to find out with the help of numeric mathematical modelling methods of structure and mechanism of formation of a system of fractures and near-fault folds of Neogene-Quarternary age in the Earth s crust of Surkhandarynsky region To achieve the desired target, mechanical forces active in the region were determined and on their basis a geodynamic map of the territory under study was elaborated; numeric mathematical model ling of geodynamic processes on the basis of constructed physical-geological sections of the Earth's crust was done

Таблица

Физико-механические параметры слоев литосферы Сурхандарьинского региона

Рис. 1. ГЕОДИНАМИЧЕСКАЯ КАРТА СУРХАНДАРЬИНСКОГО НЕФТЕГАЗОНОСНОГО РЕГИОНА

Выходы на дневную поверхность отложений: 1 палеозойских, 2 донеогеновых; 3 границы литосферных блоков: I - Каракумского, II - Южно-Тянь-Шаньского, III - Байсунского, IV - Афгано-Таджикского; 4 - поддвиги; 5 - надвиги; 6 - сдвиги; 7 - изогипсы поверхности палеогеновых отложений, км; 8 - внешние механические силы; 9 - внутренние механические напряжения; 10 - месторождения нефти и газа; 11 - локальные структуры: а - с отрицательными результатами бурения, б - подготовленные и выделенные; 12 - зоны формирования приразломных складок и тектонически-экранированных ловушек; 13 - профили физико-геологических разрезов

Рис. 2. ПОПЕРЕЧНЫЕ ФИЗИКО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ РАЗРЕЗЫ ЗЕМНОЙ КОРЫ 2-2 (А), 4-4 (Б) И 6-6 (В) СУРХАНДАРЬИНСКОГО РЕГИОНА

1 - кристаллический фундамент, 2 - соляно-ангидритовая толща, 3 - слой дилатансии; 4 - нижняя кора, 5 - наклонные разрывные нарушения, 6 - месторождения нефти и газа. Положение профилей и остальные усл. обозначения см. на рис. 1

Рис. 3 ЧИСЛЕННЫЕ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ФОРМИРОВАНИЯ СУРХАНДАРЬИНСКОЙ НАДВИГОВО-ПОДДВИГОВОЙ СИСТЕМЫ

1 мезо-кайнозойский осадочный чехол; 2 палеозойский комплекс; 3 кристаллический фундамент; 4 слои дилатансии; 5 нижняя кора; 6-наклонные разрывные нарушения; 7 горизонтальные сжимающие напряжения; 8 начальное положение элементов модели до действия горизонтальных сжимающих напряжений; 9 - границы слоев модели