ТРІЩИНУВАТІСТЬ І ПРОНИКНІСТЬ КРИСТАЛІЧНИХ ПОРІД ТА ЇХ РОЗЛОМНИХ ЗОН, ГІДРОГЕОЛОГІЧНИЙ АСПЕКТ
DOI:
https://doi.org/10.30836/igs.1025-6814.2022.2.254153Ключові слова:
тріщинуватість, проникність, водоносність, кристалічні породи, розломні зони, тектонофізичні моделі, гідрогеологічні моделі, математичні моделіАнотація
Підземні води тріщинуватих порід привертають особливу увагу завдяки практичній та науковій значущості щодо водопостачання, використання у ролі джерела енергії та при вирішенні питань безпечного захоронення радіоактивних відходів. Вивчення тріщинних вод кристалічних порід у контексті глобального потепління з метою вирішення питань питного водопостачання є вкрай актуальним на теперішній час і у перспективі має практичне значення. Cтале використання підземних вод тріщинуватих відкладів вимагає глибоких знань про властивості проникності тріщинуватих порід. Складність гідрогеологічних умов у масивах тріщинуватих порід пов’язана із невизначеностями щодо тріщинуватості та обводненості порід, тоді як можливість руху підземних вод у породах насамперед визначається їх проникністю і, відповідно, водопровідністю. Дана робота являє собою огляд та аналіз результатів міжнародних досліджень тріщинуватості і проникності масивів кристалічних порід та розломних зон, які знаходяться в цих породах. Оскільки дослідження проникності кристалічних порід стосується багатьох дисциплін – структурної геології, тектонофізики, петрофізики, гідрогеології та інших, то аналіз представленого матеріалу переслідував мету виокремити відомості про розповсюдження підземних вод тріщинуватих кристалічних порід у контексті можливостей їх експлуатації. Дане дослідження умовно розділене на дві частини: узагальнення результатів досліджень тріщинуватості і проникності кристалічних порід та особливості будови розломних зон кристалічних порід і знаходження в них підземних вод. У відповідності до отриманих результатів щодо розвитку загальної тріщинуватості (в тому числі під впливом вивітрювання й інших вторинних процесів) та будови розломних зон даються рекомендації щодо оптимізації гідрогеологічних польових робіт і математичного моделювання з активним використанням тектонофізичних реконструкцій.
Посилання
Achtziger P. 2017. Processes Controlling the Distribution of Permeability in Crystalline Rocks in the Upper 2 Kilometers of the Earth's Crust. Thesis Dr. sci. ETH (PhD), 170. https://doi.org/10.3929/ethz-b-000161477
Achtziger-Zupancic Р., Loew S., Hiller A., Mariethoz G. 2016. 3D-fluid flow in fault zones of crystalline basement rocks (Poehla-Tellerhaeuser Ore Field, Ore Mountains, Germany). Geofluids, (16): 688-710. https://doi.org/10.1111/gfl.12192
Achtziger-Zupančič P., Loew S., Mariethoz G. 2017. A new Global Data Base to Improve Predictions of Permeability Distribution in Crystalline Rocks at Site Scale. JGR Solid Earth, 122 (5): 3513-3539. https://doi.org/10.1002/2017JB014106
Altovsky M.E. 1962. Handbook of a hydrogeologist. Moscow: Gosgeolizdat (in Russian).
Arias D., Pando L., Lopez-Fernandez C., Diaz-Diaz L.M., Rubio-Ordonez A. 2016. Deep weathering of granitic rocks: a case of tunnelling in NW Spain. Catena, 137: 572-580. https://doi.org/10.1016/j.catena.2015.10.026
Belonovskaya L.G., Bulach M.Kh., Gnid L.P. 2007. The role of fracturing in the formation of capacitive filtration space of complex reservoirs. Oil and gas geology. Theory and practice, 2 (in Russian).
Bense V.F., Gleeson T., Loveless S.E., Bour O., Scibek J. 2013. Fault zone hydrogeology. Earth-Science Reviews, 127: 171-192. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2013.09.008
Berkowitz B. 2002. Characterizing flow and transport in fractured geological media: A review. Advances in Water Resources, 25 (8-12): 861-884. https://doi.org/10.1016/S0309-1708(02)00042-8
Borevsky B.V., Hordikainan M.A., Yazvin B.S. 1976. Exploration and evaluation of operational reserves of groundwater deposits in fissure-karst layers. Moscow: Nedra (in Russian).
Borevski B.V., Samsonov B.G., Yazvi L.S.1973. Methods for determining the parameters of aquifers based on the data of points. Moscow: Nedra (in Russian).
Boullier A.M. 2011. Fault-zone geology: lessons from drilling through the Nojima and Chelungpu faults. Geol. Soc. Lond. Spec. Publ., 359; 17e37. https://hal-insu.archives-ouvertes.fr/file/index/docid/662907/filename/Boullier-Sibsonvolume_1_.pdf
Brace W.F. 1984. Permeability of crystalline rocks: new in situ measurements. J. Geophys. Res., 89: 4327-4330.
Briz-Kishore B.H. 1993. Assessment of yield characteristics in granitic aquifers in South India. Ground Water, 31 (6):921-928.
Brodaric B., Boisvert E., Cher, L., Dahlhaus P., Grellet S., Kmoch A., Letournea, F., Lucido J., Simons B., Wagner B. 2018. Enabling global exchange of groundwater data: GroundWaterML2 (GWML2). Hydrogeol. J., 26: 733-741. https://doi.org/10.1007/s10040-018-1747-9
Cai Z., Ofterdinger U. 2016. Analysis of groundwater-level response to rainfall and estimation of annual recharge in fractured hard rock aquifers. NW Ireland. Hydrol. J., 535: 71-84. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2016.01.066
Caine J.S., Evans J.P., Foster C.B. 1996. Fault zone architecture and permeability structure. Geol., 24: 1025-1028. https://doi.org/10.1130/0091-7613(1996)024%3C1025:FZAAPS%3E2.3.CO;2
Caine J.S., Forster C.B. 1999. Fault zone architecture and fluid flow: insights from field data and numerical modeling. In Faults and Subsurface Fluid Flow in the Shallow Crust. Geophysical monograph-American: 101-127. https://doi.org/10.1029/GM113p0101
Caine J.S., Tomusiak S.R.A. 2003. Brittle structures and their role in controlling porosity and permeability in a complex Precambrian crystalline-rock aquifer system in the Colorado Rocky Mountain Front Range. GSA Bull., 115 (11):1410-1424.
Cathles L.M., Adams J.J. 2005. Fluid flow and petroleum and mineral resources in the upper (<20 km) continental crust. Economic Geology, 100th Anniversary Vol.: 77-110.
Chambel A., Duque J., Nascimento J. 2007. Regional study of hard rock aquifers in Alentejo, South Portugal: methodology and results. In: Krasny J., Sharp J.M. Jr. (Eds.), Groundwater in fractured rocks. IAH Selected Papers 9: 73-93.
Chester F.M., Logan J.M. 1986. Implications for mechanical properties of brittle faults from observations of the Punchbowl Fault zone, California. Pure appl Geophys., 124: 79-106.
Collettini C., Niemeijer A., Viti C., Marone C. 2009. Fault zone fabric and fault weakness. Nature, 462. http://dx.doi.org/10.1038/nature08585
Comte J.C., Cassidy R., Nitsche J., Ofterdinger U., Pilatova K., Flynn R. 2012. The typology of Irish hard-rock aquifers based on an integrated hydrogeological and geophysical approach. Hydrogeol. J., 20: 1569-1588. https://doi.org/10.1007/s10040-012-0884-9
Dewandel B., Marechal J.C., Bour O., Ladouche B., Ahmed S., Chandra S., Pauwels H. 2012. Upscaling and regionalizing hydraulic conductivity and effective porosity at watershed scale in deeply weathered crystalline aquifers, J. of Hydrol., 416-417: 83-97. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2011.11.038
Dhakate R. 2020. Distribution of aquifer characteristics in different geomorphologic units in a granitic terrain. Appl.Water Sci., 10 (231). https://doi.org/10.1007/s13201-020-01313-0
Dortman N.B., Vasilyeva V.I., Veineberg A.K. 1964. Physical properties of rocks and minerals of the USSR. Moscow: Nedra (in Russian).
Einarsson V., Hoglund A. 2013. Does one fracture dominate the borehole transmissivity? Investigation of fracture transmissivity in a crystalline rock mass. Master’s Thesis, 79. Gothenburg, Sweden.
Elkhoury J.E., Brodsky E.E., Agnew D.C. 2006. Seismic waves increase permeability. Nature, 441: 1135-8.
Evans J.P., Forster C.B., Goddard J.V. 1997. Permeability of fault-related rocks, and implications for hydraulic structure of fault zones. J. Struct. Geol., 19 (11): 1393-1404. https://doi.org/10.1016/S0191-8141(97)00057-6
Faulkner D.R., Jackson C.A.L., Lunn R.J., Schlische R.W., Shipton Z.K., Wibberley C.A.J., Withjack M.O. 2010. A review of recent developments concerning the structure, mechanics and fluid flow properties of fault zones. J. Struct. Geol., 32: 1557-1575. https://doi.org/10.1016/j.jsg.2010.06.009
Forster C., Smith L. 1989. The influence of groundwater flow on thermal regimes in mountainous terrain: a model study. J. of Geoph. Res., 97: 9439-51.
Forster C.B., Evans J.P. 1991. Hydrology of thrust faults and crystalline thrust sheets: results of combined field and modeling studies. Geophysical Research Letters, 18: 979-982.
Gleeson T., Novakowski K. 2009. Identifying watershed-scale barriers to groundwater flow: lineaments in the Canadian Shield. Geol. Soc. Am. Bull., 121: 333-347. http://dx.doi.org/10.1130/B26241.1
Golfrakht T.D. 1983. Fundamentals of oilfield geology and the development of fractured reservoirs. Moscow: Nedra (in Russian).
Hongyuan Z., Abdelaziz A., Grasselli G. 2018. Rock dilation and its effect on fracture transmissivity. SPE/AAPG/SEG Unconv. Res. Techn. Conf. (URTeC): 2903018. Texas, USA. https://doi.org/10.15530/URTEC-2018-2903018
Huenges E., Erzinger J., Kuck J., Engeser B., Kessels W. 1997. The permeable crust: Geohydraulic properties down to 9101 m depth. J. Geophys. Res., 102: 18255-18265.
Hyman J.D., Aldrich G., Viswanathan H., Makedonska N., Karra S. 2016. Fracture size and transmissivity correlations: Implications for transport simulations in sparse three-dimensional discrete fracture networks following a truncated power law distribution of fracture size. Water Resour. Res., 52: 6472-6489. https://doi.org/10.1002/2016WR018806
Janssen C., Wirth R., Reinicke A., Rybacki E., Naumann R., Kemmnitz H., Wenk H.-R., Dresen G. 2011. Nanoscale porosity in SAFOD core samples (San Andreas Fault). Earth Planet. Sci. Lett., 301: 179-189.
Janssen C., Wirth R., Wenk H.R., Morales L., Naumann R., Kienast M., Song S.R., Dresen G.H. 2014. Faulting Processes In Active Faults - Evidences From TCDP And SAFOD Drill Core Samples. J. Struct. Geol., 65: 100-116. https://doi.org/10.1016/j.jsg.2014.04.004
Kobranova V.N. 1962. Physical properties of rocks. Moscow: Nedra (in Russian).
Kostenko N., Kuziv L., Tolstoy M., Shabatura O. 2011. Substance-petrophysical evaluation of granitoids of the Volyn megablock of the Ukrainian Shield with determination of their suitability for creation of radioactive waste repositories. Bul. of the T. Shevchenko Nat. Univ. of K. Geol., 52: 48-52. http://nbuv.gov.ua/UJRN/VKNU_geol_2011_52_16 (in Ukrainian).
Labuz J.F., Chen C.N., Berger D.J. 1991. Microcrack-dependent fracture of damaged rock. Int. J. Fract., 51: 231-240.
Lachassagne P., Dewandel B., Wyns R. 2021. Review: Hydrogeology of weathered crystalline/hard-rock aquifers—guidelines for the operational survey and management of their groundwater resources. Hydrogeol. J., 29: 2561-2594. https://doi.org/10.1007/s10040-021-02339-7
Lachassagne P., Wyns R., Dewandel B. 2011. The fracture permeability of Hard Rock Aquifers is due neither to tectonics, nor to unloading, but to weathering processes. Terra Nova, 23 (3): 145-161. https://doi.org/10.1111/j.1365-3121.2011.00998.x
Lobatskaya R.M. 1987. Structural zonality of faults. Moscow: Nedra (in Russian).
Lomize G.M. 1951. Filtration in fractured rocks. Moscow: Gosenergoizdat (in Russian).
Lutzenkirchen V.H. 2002. Structural geology and hydrogeology of brittle fault zones in the central and eastern Gotthard Massif, Switzerland. Doctoral Thesis, ETHZ, Zurich. 246 p. https://doi.org/10.3929/ethz-a-004522949
Marechal J.C., Dewandel B., Subrahmanyam K. 2004. Use of hydraulic tests at different scales to characterize fracture network properties in the weathered fractured layer of a hard rock aquifer. Water Resources Res., 40 (11): W11508. https://doi.org/10.1029/2004WR003137
Marler J., Ge S. 2003. The permeability of the Elkhorn fault zone, South Park: Colorado. Ground Water, 41 (3), 321-332. http://dx.doi.org/10.1111/j.1745-6584tb02601.x
Masset O., Loew S. 2010. Hydraulic conductivity distribution in crystalline rocks, derived from inflows to tunnels and galleries in the central Alps, Switzerland. Hydrogeol. J., 18: 863-891. https://doi.org/10.1007/s10040-009-0569-1
Matsumoto N., Shigematsu N. 2018. In-situ permeability of fault zones estimated by hydraulic tests and continuous groundwaterpressure observations. Earth Plan. Sp., 70: 1-12. https://doi.org/10.1186/s40623-017-0765-5
McPherson B.J.O.L., Bredehoeft J.D. 2001. Overpressures in the Uinta basin, Utah: analysis using a three-dimensional basin evolution model. Water Resources Res., 37 (4): 857-71. https://doi.org/10.1029/2000WR900260
Mironenko M.A. 2009. Dynamics of underground waters. Moscow: Publishing House of the Moscow State Mining University. (Gornaya kniga) (in Russian).
Moore D.E., Rymer M.J. 2007. Talc-bearing serpentinite and the creeping section of the San Andreas Fault. Nature, 448 (7155): 795+. http://dx.doi.org/10.1038/nature06064
Nasseri M.H.B., Rezanezhad F., Young R.P. 2011. Analysis of fracture damage zone in anisotropic granitic rock using 3D X-ray CT scanning techniques. Int. J. Fract., 168: 1-13. https://doi.org/10.1007/s10704-010-9551-0
Nikonov A.A. 1977. Holocene and modern movements of the earth's crust (geological-geomorphological and seismotectonic issues). Moscow: Nayka (in Russian).
Nohara T., Tanaka H., Watanabe K., Furukawa N., Takami A. 2006. In situ hydraulic tests in the active fault survey tunnel, Kamioka. Mine, excavated through the active Mozumi-Sukenobu Fault Zone and their hydrogeological significance. Island. Arc., 15: 537-545. https://doi.org/10.1111/j.1440-1738.2006.00548.x
Person M.A., Dugan B., Swenson J.B., Urbano L., Stott C., Taylor J., Millet M. 2003. Pleistocene hydrogeology of the Atlantic continental shelf, New England. Geol. Soc. of Am. Bull., 115: 1324-43. https://doi.org/10.1130/B25285.1
Petrenko L., Shestopalov V. 2017. Use of petrophysical data for siting of deep geological repository of radioactive waste. E3S Web of Conf., 24: 8 p. https://doi.org/10.1051/e3sconf/20172402005
Rock Fractures and Fluid Flow: Contemporary Understanding and Applications. The National Academies Press. 1996. 542 p. https://doi.org/10.17226/2309
Rojstaczer S.A., Ingebritsen S.E., Hayba D.O. 2008. Permeability of continental crust influenced by internal and external forcing., Geofluids, 8 (2): 128-139. https://doi.org/10.1111/j.1468-8123.2008.00211.x
Romm E.S. 1966. Filtration properties of fractured rocks. Moscow: Nedra (in Russian).
Romm E.S. 1985. Structural models of the pore space of rocks. Leningrad: Nedra (in Russian).
Roques C., Bour O., Aquilina L., Dewandel B., Leray S., Schroetter J.M., Longuevergne L., Le Borgne T., Hochreutener R., Labasque T., Lavenant N., Vergnaud-Ayraud V., Mougin B. 2014. Hydrological behavior of a deep sub-vertical fault in crystalline basement and relationships with surrounding reservoirs. J. of Hydrol., 509: 42-54. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2013.11.023
Sausse J., Genter A. 2005. Types of permeable fractures in granite. Geological Society, London. Special Publications, 240:1-14. https://doi.org/10.1144/GSL.SP.2005.240.01.01
Schleicher A.M., van der Pluijm B.A., Warr L.N. 2012. Chlorite-smectite clay minerals and fault behavior: new evidence from the San Andreas Fault Observatory at Depth (SAFOD) core. Lithosph., 4 (3): 209-220. https://doi.org/10.1130/L158.1
Schuck B., Schleicher A.M., Janssen C., Toy V.G., Dresen G. 2020. Fault zone architecture of a large plate-bounding strikeslip fault: a case study from the Alpine Fault, New Zealand. Solid Earth, 11: 95-124. https://doi.org/10.5194/se-11-95-2020
Scibek J. 2020. Multidisciplinary database of permeability of fault zones and surrounding protolith rocks at world-wide sites. Sci. Data., 7 (95): 1-14. https://doi.org/10.1038/s41597-020-0435-5
Scibek J., Gleeson T., McKenzie J.M. 2016. The biases and trends in fault zone hydrogeology conceptual models: global compilation and categorical data analysis. Geofluids (Online), Chichester, 16 (4): 782-798. https://doi.org/10.1111/gfl.12188
Seminsky K.Zh. 2003. Internal structure of continental fault zones. Tectonophysical aspect. Novosibirsk: Publishing House of the RAS, Branch "Geo" (in Russian).
Setlur N., Sharp J.M., Hunt B.B. 2019. Crystalline-rock aquifer system of the Llano Uplift, Central Texas, USA. Hydrogeol. J., 27: 2431-2446. https://doi.org/10.1007/s10040-019-02000-4
Shen Yj., Hou X., Yuan Jq., Wang S.-fei, Zhao C.-hu. 2020. Thermal cracking characteristics of high-temperature granite suffering from different cooling shocks. Int. J. Fract., 225: 153-168. https://doi.org/10.1007/s10704-020-00470-2
Shults S.S. 1979. Tectonics of the earth's crust (based on the analysis of recent movements). Leningrad: Nedra (in ussian).
Sibson R.H. 2019. Arterial faults and their role in mineralizing systems. Geos. F., 10 (6): 2093-2100. https://doi.org/10.1016/j.gsf.2019.01.007
Starostenkо V.I., Gintov O.B. 2018. Essays on the geodynamics of Ukraine. Kyiv: IGPh NASU (in Russian).
Talbot C.J., Sirat M. 2001. Stress control of hydraulic conductivity in fracture saturated Swedish bedrock. Eng. Geol., 61 (2-3): 145-153. https://doi.org/10.1016/S0013-7952(01)00047-3
Tolstoy M.I., Hasanov Yu.L., Kostenko N.V., Gozhyk P.F., Shabatura O.V. 2006. Petrogeochemistry and petrogeophysics of granitoids of the Ukrainian Shield and some aspects of their practical use. Kyiv (in Ukrainian).
Townend J., Zoback M.D. 2000. How faulting keeps the crust strong. Geol., 28: 399-402. https://doi.org/10.1130/0091-7613(2000)28<399:HFKTCS>2.0.CO;2
Tyapkin K.F., Dovbnich M.M. 2002. On the stresses arising in the tectonosphere as a result of a change in the rotational regime of the elastic-viscous Earth. Geophys. J., 24 (2): 52-59 (in Russian).
Warr L.N., Cox S. 2001. Clay mineral transformation and weakening mechanisms along the Alpine Fault, New Zealand. In: Holdsworth, R.E., Strachan, R.A., Magloughlin, J.F., Knipe, R.J. (Eds.), The Nature and Tectonic Significance of Fault Weakening, Spec. Publ. Geol. S. London, 186, pp. 85e 1001.
Yakovlev L.Ye. 1993. The role of metamorphism of the basaltic basement of sedimentary basins in crustal evolution. Intern. Geol. Rev., 35: 27-47.
Yang H. 2015. Recent advances in imaging crustal fault zones: a review. Earthq. Sci., 28: 151-162. https://doi.org/10.1007/s11589-015-0114-3
Yardley B.W.D., Baumgartner L.P. 2007. Fluid processes in deep crustal fault zones. In: Handy M.R., Hirth G., Hovius N. (Eds.), Tectonic Faults - Agents of Change on a Dynamic Earth, The MIT Press MA., Cambridge, pp. 295-318.
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2022 Ліліана Петренко, Вячеслав Шестопалов
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та безоплатно передають журналу невиключне право публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License (CC BY-NC 4.0), котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з некомерційними цілями, з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
