Климатические экстремумы Земного шара

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Климатические экстремумы земного шара еще полностью не изучены. В некоторых пустынных районах атмосферные осадки настолько редки, что даже 100-летние измерения в определенных пунктах не позволяют точно оценить среднегодовое количество атмосферных осадков. Известно, что во многих таких районах за год выпадает менее 1 дюйма осадков, а в некоторых даже менее 0,1 дюйма. В некоторых же районах максимальное среднегодовое количество осадков, вероятно, превышает 450 дюймов. На земном шаре выделяют несколько таких наиболее увлажненных районов: это гора Вайлеале на Гавайских островах, район Черапунджи в Индии и южная часть провинции Чоко в Колумбии. Колебания температур столь же велики, как и изменения количества осадков. Известны следующие рекордные значения температур: --125° F в Антарктике и 130° F в Северной Африке. Среднегодовые температуры изменяются от менее --10° F в некоторых частях Антарктики примерно до 80° F в ряде тропических областей.

Экстремальные температуры и количества осадков не требуют установления каких-либо новых закономерностей в гидрогеологии, но они вызывают необходимость пересмотра обычных представлений о размерах и распределении источников питания подземных вод, величинах градиентов последних, выдержанности водоносных горизонтов и характере распределения вод неудовлетворительного химического состава.

Районы с обильными атмосферными осадками

Районы с очень большим количеством осадков имеют относительно малую площадь по сравнению с территориями, где наблюдаются низкие температуры или малое количество осадков. Наиболее известные районы с годовым количеством осадков, превышающим 150 дюймов,-- горные области острова Борнео, запад Камеруна, северо-восток Малагасийской Республики, восточная Индия, северо-восточная область Новой Гвинеи, южные районы Чили, восточная часть Колумбии и южная Бирма. Существует еще много таких районов с меньшей площадью и расположены они главным образом в горах. Внутригодовое распределение осадков здесь часто неравномерно, но исключительно засушливые периоды -- редкость. Благодаря этому питание подземных вод обеспечено в течение всего года. Обширные области с умеренно высоким годовым количеством осадков (более 50 дюймов) характеризуются влажными и сухими сезонами. В таких районах, как южная Индия, северо-восточная часть Южной Америки и восточные области Центральной Африки засухи настолько сильные, что там ежегодно испытывается нехватка воды для бытового и сельскохозяйственного потребления.

Обилие атмосферных осадков должно оказывать значительное влияние на гидрогеологические условия, но изучение даже основных проблем распространения подземных вод с учетом этого влияния фактически не проводится. Большинство этих районов имеет редкое население, поэтому эксплуатация водных ресурсов сводится там к отбору небольших количеств воды из родников и рек и сбору дождевых вод с крыш. Такое примитивное водоснабжение удовлетворяет потребности в воде, кроме того, водные ресурсы здесь постоянно пополняются.

Рис. 10.1 Схемы, показывающие зависимость между положением свободной поверхности подземных вод и интенсивностью их питания при одинаковой водопроницаемости пород.а -- обильнее питание; б -- ограниченное питание; в -- питание практически отсутствует

Можно строить только догадки о гидрогеологических условиях районов с очень большим количеством осадков, поскольку данных по этим районам почти нет. Обильное питание подземных вод позволяет предполагать, что здесь все водоносные горизонты, кроме сложенных сильно водопроницаемыми породами, полностью насыщены, т. е. породы должны быть полностью насыщены водой, за исключением водопроницаемых зон с быстрым дренированием. Как вывод из этого положения, можно утверждать, что уровень подземных вод расположен вблизи поверхности, а гидравлические градиенты значительно больше, чем в аналогичных водоносных горизонтах в других климатических условиях (рис. 10.1).

Обилие вод способствует быстрому вымыванию растворимых и слабо растворимых солей из водоносных горизонтов. Следовательно, химический состав этих вод должен быть благоприятным для потребителей. Большие количества разлагающегося органического вещества, что характерно для районов с густыми лесами, способствует увеличению содержания углекислоты и органических кислот в инфильтрующихся водах, вследствие чего в воде уменьшается величина рН и возрастает содержание марганца и железа. Ускоренная циркуляция подземных вод также способствует быстрому выносу соленых и солоноватых погребенных вод из водоносных горизонтов, обнажающихся в процессе эрозии.

Хозяйственное значение подземных вод в районах с обильными осадками в настоящее время весьма невелико. Кроме того, здесь ведется борьба с притоком воды в шахты и на строительстве. Но в будущем в районах с избыточным количеством поверхностных вод расширенное использование подземных вод будет оправдано вследствие их высокого качества.

Немногие стороны в деятельности гидрогеолога дают столько удовлетворения, как освоение крупных ресурсов подземных вод в опаленной пустыне. Хотя и справедливо утверждение, что даже обширные артезианские бассейны в таких районах рано или поздно обречены на полное истощение, когда не ограничиваются умеренной эксплуатацией, но если сельское хозяйства и промышленность могут при этом процветать даже в течение нескольких десятилетий, уже это одно имеет большое хозяйственное и социальное значение.

Аридные и полуаридные районы встречаются под всеми широтами. Конечно, засушливые районы Арктики и Антарктики нельзя считать пустынями в обычном понимании этого слова. Районы Северной Гренландии и территория вблизи пролива Мак Мердо в Антарктиде имеют замкнутые бассейны и соленые озера. Если отбросить температурный фактор, эти районы трудно отличить от пустынь более низких широт. Настоящие пустыни расположены главным образом между пятнадцатой и пятидесятой параллелями по обе стороны от экватора. Крупнейшая пустыня занимает площадь больше территории США и простирается от Атлантического океана через Северную Африку и Аравийский полуостров до Персидского залива. Другие крупные пустыни находятся в Центральной и Средней Азии, на юго-западе Северной Америки и в Центральной Австралии. В общем около 1/10 суши расположено в аридной зоне и еще столько же или немного больше -- в полуаридной. Подземные и поверхностные воды, транспортируемые из других районов, обеспечивают потребность в воде в наиболее благоприятных частях аридных и полуаридных областей. Тем не менее огромные засушливые территории ожидают своего развития, и от гидрогеологов потребуются большие усилив в осуществлении этой цели.

Характеристики водоносных горизонтов

Водоносные горизонты, сформировавшиеся еще до образования пустынь, не подверглись большому влиянию нарастающей аридности. Отсутствие органического вещества и высокие температуры позволяют считать, что небольшие количества инфильтрующихся вод в аридных районах не способны растворить очень большие количества СO₂ по сравнению с районами влажной умеренной зоны. Это обстоятельство наряду с общим дефицитом влаги приводит к тому, что химическое выветривание после образования пустыни становится замедленным. Замедляется и процесс формирования пустот в карбонатных и других породах, поэтому обширные водоносные горизонты в карбонатных породах, встречаемые в некоторых пустынях, могут быть свидетелями значительно более влажного климата в прошлом. Впрочем, такие районы, как южные окраины Атласских гор, вероятно, обязаны своим обводнением большим массам воды, инфильтрующейся через области питания хорошо обводненных нагорий, прилегающих к пустыне.

Пустынные условия сказываются на типе седиментации, что определяет характер водоносных горизонтов, залегающих в рыхлых отложениях кайнозоя. Водотоки редко бывают здесь достаточно мощными, чтобы сохранить сток при пересечении вулканических или тектонических преград. В результате замкнутые бассейны заполняются тонкими озерными осадками, смешивающимися в центральных частях бассейнов с засоленными элювиальными отложениями. Пресные воды и пригодные водоносные горизонты встречаются лишь в краевых частях таких бассейнов или на более значительных глубинах, где нет ощутимого влияния аридных условий. В пустыне наиболее мощные водоносные горизонты образуются подрусловыми отложениями. В отличие от водотоков влажных районов реки пустынной зоны перемещают исключительно большое количество взвешенных и влекомых наносов, содержание которых в воде может достигать таких размеров, что водный поток превращается в вязкую смесь грязи и обломочного материала. Образующиеся при этом отложения характеризуются слабой сортированностью и обычно имеют низкую водопроницаемость. Водопроницаемые зоны развиваются там, где водоток сохраняется длительное время, достаточное для накопления сортированного материала в русле. Такая обстановка наблюдается в период падения уровня воды, когда водоток течет между бортами суженных участков русла. Вследствие этого водопроницаемые зоны составляют лишь небольшую часть аллювиальных отложений рек пустынь и обычно с трудом оконтуриваются по данным бурения.

Рыхлые отложения кайнозоя, заполняющие долины вулканического и тектонического происхождения, представляют собой наиболее важные водоносные горизонты пустынь юго-запада США, северо-запада Мексики, севера Чили и некоторых областей Центральной Азии. Поскольку эрозия -- преобладающий процесс в большинстве пустынных районов, коренные породы здесь залегают близко к дневной поверхности, а водоносные горизонты в рыхлых породах приурочены к маломощным отложениям вдоль русел временных водотоков, у основания крупных дюнных полей, а также в депрессиях оседания и бассейнах дефляции. Благоприятно то обстоятельство, что некоторые бассейны пустынной зоны с недостаточно развитым аллювиальным покровом характеризуются широким распространением полностью или частично консолидированных водоносных отложений. Таковы мезозойские песчаники Большого артезианского бассейна в Австралии и нубийские песчаники в Египте и соседних странах (рис. 10.2). Оба этих водоносных комплекса содержат подземные воды различного качества -- от пресных, пригодных для питья на площадях протяженностью в несколько сотен миль от источника питания до солоноватых вод в глубоко погруженных частях водоносных горизонтов. Восходящие подземные воды нубийских водоносных горизонтов в течение многих столетий обеспечивают существование оазисов Дахла, Фарафра и Бахария. Сооруженные здесь в настоящее время скважины значительно увеличили отбор подземных вод, но несколько снизили их напор. Однако производительность нубийских водоносных горизонтов настолько велика, что существование значительного числа скважин при условии правильного использования подземных вод оправдано.

Рис. 10.2. Территория обнажений и общее направление движения подземных вод в нубийских и родственных им песчаниках на северо-востоке Африки (неопубликованная карта У. Эллиса). 1--направление движения подземных вод; 2-- территория, подстилаемая главным образом постнубийскими осадками; 3 -- нубийские песчаники и родственные им породы; 4 -- донубийские граниты

Питание подземных вод

Большая часть специфических гидрогеологических особенностей аридных районов связана с количеством и качеством подземных вод, доступных для использования. Во всех отложениях, кроме наиболее водопроницаемых почв, естественное питание подземных вод прекращается при годовых осадках менее 5 --10 дюймов. Размер питания зависит от водопроницаемости почвы, ее удельной влагоемкости (водоудерживающей способности) и распределения осадков при определенных температурных условиях. Например, почва с удельной влагоемкостью 15%, иссушенная до глубины 2 футов в период летних температур, только для восстановления запасов влаги до дефицита влажности требует 3,6 дюйма осадков. Если осадки выпадают в течение года несколько раз, чередуясь с периодами засухи, когда вода теряется на испарение, необходимо большее количество осадков, прежде чем начнется питание подземных вод. Но пески дюнных отложений с удельной влагоемкостью менее 5% могут обеспечить инфильтрацию на глубину более 3 футов уже при осадках лишь в 2 дюйма. Эта глубина инфильтрации, возможно, превышает мощность зоны сезонного иссушения почвы даже в тех частях дюн, которые подвергаются переотложению. Лёви выполнил более точные расчеты, приняв во внимание и другие факторы, и пришел к выводу, что питание подземных вод в дюнах осуществляется даже в относительно сухих пустынных районах.

Инфильтрация дождевой воды не происходит в виде передвижения сплошного водонасыщенного фронта. Это убедительно показано на примере недавних работ в одном из полуаридных районов западной части Большой долины Калифорнии. Множество небольших конусов выноса сложено здесь глинистым аллювием и материалом грязевых потоков. Начальная пористость этих отложений настолько велика, что их скелет не выдерживает даже незначительных нагрузок. Однако уплотнения грунта не происходит, пока сила сцепления глинистого цементирующего вещества в порах недостаточна вследствие увлажнения. Дорожное строительство и ирригационные работы здесь были затруднены образованием просадок, вызванных оросительными водами. Многочисленные работы с затоплением и увлажнением опытных участков, а также изучение влажности по многочисленным кернам показали, что пористые отложения не насыщались водой с момента их образования. В некоторых местах такое сухое состояние породы прослеживалось на глубину более 100 футов от поверхности. Даже если происходило довольно быстрое отложение породы, на это требовалось несколько тысяч лет. Таким образом, не происходило вообще никакой инфильтрации дождевой воды через поверхность этих малых конусов выноса за все время их существования. Среднегодовое количество осадков в этом районе равно примерно 7 дюймам, т. е. больше, чем в пустыне. Поэтому более надежным будет вывод о том, что в почвах пустынь с довольно большим содержанием глины не происходит значительной инфильтрации.

На коренные породы, выходящие на поверхность, и такыры во многих пустынных районах выпадает всего лишь несколько десятых дюйма осадков. В редких случаях сток может быть относительно свободен от взвешенного материала. Чаще поверхностный сток переносит большие объемы наносов. В результате образуются потоки очень мутной воды и грязевые потоки. Если вода не слишком мутная и дно русла достаточно водопроницаемо, воды инфильтруются в гравийные отложения русла. Но большая часть этих вод возвращается в атмосферу в результате испарения. При более интенсивной инфильтрации происходит питание водоносных горизонтов. Наиболее значительное питание, вероятно, там, где русло несколько сужено, чем где поток распластан и занимает широкую полосу пустыни. Это объясняется преимущественной концентрацией водопроницаемого материала на суженных участках русла. Кроме того, на такие участки поступают последние порции паводочного стока, состоящие из вод, сдренированных из вышерасположенных скоплений обломочного материала и поэтому относительно свободных от взвешенных наносов.

Рис. 10.3 Карта части долины Санта-Крус, штат Аризона, с указанием участков паводочного питания подземных вод в аридных условиях. 1 -- затопляемая территория; 2 -- территория, на которой замеры уровней воды в скважинах указывают на пополнение запасов подземных вод; 3 -- направление паводочного стока

Гидрогеологи, изучающие пустыни, обычно полагают, что большая часть питания подземных вод происходит за счет русловых потерь, но для подтверждения этой концепции данных недостаточно. Доказательства основываются главным образом на общих соображениях, аналогичных только что приведенным. Лишь в немногих пунктах детальные наблюдения за уровнями подтверждают указанную концепцию. Одним из наиболее известных исследований этого вопроса явилось изучение обстоятельств сильных паводков в районе Тусона, штат Аризона. Несмотря на то, что была затоплена значительная территория, а еще большая оказалась под воздействием необычайно сильных дождей, наблюдения за уровнями воды по многочисленным скважинам показали, что лишь на относительно малой части затопленной территории происходило существенное питание подземных вод (рис. 10.3).

Рис. 10.4 Схема, иллюстрирующая, как в результате эксплуатации подземных вод увеличиваются региональные гидравлические градиенты, что, в свою очередь, подчеркивает различия в водопроницаемости пород

В пустынных районах большая глубина до воды на возвышенных территориях и исключительно малые гидравлические градиенты объясняются относительно слабым питанием подземных вод. В ненарушенных природных условиях гидравлические градиенты могут быть столь малы, что не удается обнаружить важные гидрогеологические барьеры. С развитием отбора подземных вод происходит увеличение объема вод, циркулирующих под поверхностью земли, и градиенты становятся более резкими, что облегчает выделение зон слабой водопроницаемости (рис. 10.4).

Циркуляция подземных вод

На Западе США многие пустынные бассейны насыщены водой до самой поверхности земли, но лишь в некоторых из них существуют постоянные озера. Вода, поступающая в верхние части конусов выноса, расходуется растительностью и за счет прямого испарения с почвы в центральных частях этих бассейнов (рис. 10.5). Интересным исключением из общего правила является циркуляция подземных вод в районе Аш-Медоуз на юге штата Невада. Здесь в горах несмотря на большое количество осадков (более 10 дюймов) бассейны не заполнены водой и уровень воды в скважинах оказывается ниже уровня днищ долин более чем на 1000 футов. Трещиноватые палеозойские породы сложной структуры достаточно водопроницаемы, чтобы служить системой естественного глубинного дренирования для данного района и обеспечивать циркуляцию подземных вод вплоть до очагов разгрузки в районе Аш-Медоуз (рис. 10.6).

Рис. 10.5 Циркуляция подземных вод в простом замкнутом бассейне в пустыне. Пунктирная линия указывает уровень, на котором установилась бы вода в скважинах

Рис. 10.6 Циркуляция подземных вод в трещиноватых палеозойских породах на юге-штата Невада

Замкнутость гидроизогипс объяснется движением воды из отложений туфа и аллювия в нижележащие палеозойские водоносные горизонты. Равнины Френчмен и Юка представляют собой замкнутые впадины, где подземные воды залегают преимущественно на глубине более 1000 футов. 1 -- местоположение рассматриваемой территории на карте штата Невада; 2 -- Аризона; 3 -- Калифорния; 4 -- гидроизогипсы, построенные по данным об уровнях воды в скважинах, вскрывающих водонасыщенные отложения на глубину менее 50 футов; 5 -- временное солоноватое озеро.

Качество подземных вод

Обычно средний химический состав подземных вод пустынных районов значительно менее благоприятен, чем во влажных районах (рис. 10.7). Характерные данные химических анализов подземных вод приведены в табл. 10.1. Хотя не все воды солоноватые или соленые, действуют следующие факторы, повышающие минерализацию вод. Во-первых, соли, содержащиеся в дождевой воде и снеге, концентрируются на поверхности в процессе интенсивного испарения. Периодические сильные дожди и паводки вызывают растворение отложившихся солей, которые поступают с инфильтрующимися водами в водоносные горизонты. Во-вторых, обычные для пустынных районов толщи соленосных отложений, залегающие близко к поверхности, растворяются подземными водами. В-третьих, медленная циркуляция подземных вод замедляет удаление погребенных вод, в результате чего создаются благоприятные условия для растворения слабо растворимых солей при контакте их с подземными водами. В-четвертых, тонкопылеватые соли пересыхающих мелководных бассейнов разносятся ветром и при выпадении дождей проникают в почву, а затем в подземные воды. Растворимые вещества такого типа представляют важный, но пока еще полностью не изученный источник поступления солей в подземные воды пустынных районов.

Таблица 10.1

Химический состав вод аридных и полуаридных районов (ч. на 1 млн.)

вода атмосферный гидрогеологический подземный

Рис. 10.7 Зависимость между среднегодовым количеством осадков и общей минерализацией по 70 пробам подземных вод из Сирии Количество осадков указано для территорий, на которых взяты пробы воды. Для многих проб это количество не совпадает с количеством осадков, выпадающих над областью питания подземных вод. На графике пунктиром оконтурено 90% точек

Вода, пригодная для питья, отнюдь не редкость во многих пустынных районах. Однако солоноватые воды -- единственный вид воды многих больших пустынь, где население потребляет воду с минерализацией более 3000 ч. на 1 млн. Воды с наиболее низкой минерализацией обычно встречаются в малых количествах в трещинах метаморфических и изверженных пород и в осадках, происшедших из этих пород. Благоприятные условия для накопления воды наблюдаются в основаниях больших дюнных (барханных) площадей, а также в отложениях известняков и базальтов, которые, обладая хорошей водопроницаемостью, быстро поглощают на обнаженных поверхностях дождевые воды.

Наиболее высоким качеством обладают подземные воды, сформировавшиеся в пустынных районах как естественным, так и искусственным путем, при условии кратковременной циркуляции в толщах пород. Хорошими примерами таких подземных вод служат воды многих долин Запада США, долины Нила, многочисленных долин прибрежных пустынь западной части Латинской Америки, территорий вдоль нижнего течения Инда, а также долин крупных рек к югу и востоку от Аральского моря. В районах поливного земледелия с недостаточным дренированием потери подземных вод на суммарное испарение бывают столь велики, что соли, ранее присутствовавшие в подземных водах, начинают концентрироваться в почвах. Под влиянием периодически повторяющихся поливов большая часть этих солей переходит снова в раствор, совершенно засоляя верхнюю часть неглубоко залегающих подземных вод. Это явление -- одна из важнейших проблем, связанных с эксплуатацией крупнейших ирригационных сооружений Западного Пакистана, как и многих подобных менее значительных сооружений в других частях земного шара.

Разведка подземных вод

Обычно пустынные территории представляют максимум благоприятных условий для применения научных методов гидрогеологических исследований. Выходы горных пород обнажены и не маскируются растительным покровом, что характерно для других районов; населенные пункты редки и поэтому не служат препятствием при проведении геофизической разведки: при сейсморазведке, когда используется взрывчатка, а электроразведка облегчена отсутствием металлических труб, очаги природной разгрузки пресных подземных вод маркируются растительностью. Обычные гидрогеологические методы разведки применяются и в пустынных районах. Однако эти методы требуют здесь некоторой модификации в связи с более глубоким залеганием водоносных горизонтов и наличием редкой сети колодцев и скважин, по которым можно было бы собирать нужные гидрогеологические сведения. Большую роль здесь играет сейсморазведка в сочетании с буровыми работами.

Много скважин пробурено в педиментах с целью найти воду. Педимен-ты -- относительно сглаженные, пологие поверхности, характерные для нижней части горных возвышенностей пустынных районов. Они покрыты тонкими и иногда прерывистыми слоями аллювия. Большое сходство педи-ментов с конусами выносов вводит в заблуждение многих, кто бурит скважины на воду, вскрывающие только водонепроницаемые коренные породы на небольшой глубине.

Фреатофиты -- одни из наиболее полезных индикаторов гидрогеологических условий. По площади, занятой этой растительностью, приблизительно судят о степени разгрузки подземных вод на поверхность. Путем установления видового состава растительности и определения плотности растительного покрова можно делать и более точные расчеты. Даже не проводя этих работ, путем умножения величины площади поверхности, полученной с помощью аэрофотосъемки, на примерную величину транспирации, получают в первом приближении количественную оценку водообильности района. Например, если 250 акров покрыты густым растительным покровом, наиболее вероятная величина транспирации будет от 2,0 до 7,0 футов слоя воды в год. Если принять среднюю величину 3,5 за исходную, то расход воды через транспирацию составит 875 акрофутов в год, или около 540 галл/мин, что достаточно для водоснабжения поселка с населением более 1000 человек.

Фреатофиты указывают и на глубину залегания подземных вод. Травянистая растительность развита в местах, где уровень грунтовых вод обычно не глубже 10 футов от поверхности. Кустарниковая растительность указывает на глубину залегания подземных вод в пределах 30 футов, а древесная -- 90 футов. Это в лучшем случае ориентировочные цифры, фактические глубины залегания подземных вод зависят от ширины капиллярной каймы, количества осадков, видового состава растительности и других факторов. Фреатофиты дают также некоторые указания на химический состав подземных вод. Ива и тополь обычно растут там, где подземные воды пригодны для питья, а алленрольфия (Allenrolfea occidentalis) -- где почва насыщена соленой водой. Некоторые фреатофиты (пальмы, мескитовое дерево и солянка американская) произрастают как над пресными, так и над солоноватыми водами.

Многолетнемерзлые породы развиты почти повсеместно к северу от Полярного круга за исключением значительной части Северной Скандинавии (рис. 10.8). Районы распространения многолетнемерзлых пород простираются к югу до 48° с. ш. как в Центральной Азии, так и в центральных районах Северной Америки. К северу от Полярного круга многолетнемерзлые породы вообще имеют сплошное распространение, но по мере продвижения к югу область их развития становится прерывистой, а затем островной. За исключением высокогорных районов Анд, отдельных островов и Антарктиды в южном полушарии многолетнемерзлых пород нет.

Рис. 10.8 Распределение многолетнемерзлых пород в северном полушарии. 1 -- области сплошного развития многолетнемерзлых пород; 2 -- области прерывистого развития многолетнемерзлых пород; 3 -- области островного развития многолетнемерзлых пород

Многолетнемерзлые породы даже при несплошном распространении оказывают значительное влияние на циркуляцию подземных вод, а в крайних случаях делают фактически невозможным их эксплуатацию. Но в арктических районах существуют также другие источники пресных вод (рис. 10.9).

Рис. 10.9 Источники воды в полярных районах

Кроме морской воды, солеными могут быть лагунные воды и морские льды. Талые воды на поверхности морского льда бывают солеными, а в случае интенсивного таяния -- солоноватыми. Снежный покров на поверхности морского льда обычно служит источником пресной воды в верхней части мощного пакового льда.

Большое количество энергии, необходимое для таяния льда, позволяет использовать его лишь для водоснабжения небольших поселков. Крупные родники и озера глубиной не менее 10 футов -- единственно возможные источники круглогодичного водоснабжения, кроме подземных вод из скважин, не перемерзающих зимой. Пригодные для водоснабжения родники редки, а озера подвержены загрязнению. Поэтому скважины, если только возможно их сооружение,-- лучший источник питьевого водоснабжения.

Факторы, определяющие распространение многолетнемерзлых пород

Главная причина возникновения многолетней мерзлоты очевидна: это исключительно холодный климат, в условиях которого породы имеют температуры ниже точки их замерзания. Однако в деталях различные физические факторы, от которых зависит температура породы, сложны и в большинстве случаев пока не поддаются количественной оценке. Тепловой поток обычно направлен из внутренней части Земли к ее поверхности, однако он незначителен и поэтому температура на глубине нескольких сотен футов определяется прежде всего количеством солнечной радиации, поглощаемой поверхностью, и теплопроводностью пород (рис. 10.10). Направление теплового потока, а отсюда и ориентировка изотермических поверхностей зависит от пространственного распределения скальных и осадочных пород с различной теплопроводностью, конрисурации дневной поверхности, переноса тепла циркулирующими водами и температуры поверхности.

Тепловой эффект ускоренной инфильтрации или дренирующихся с большой скоростью подземных вод -- наиболее важные факторы в районах островного распространения многолетнемерзлых пород. Ускоренная инфильтрация воды происходит через осыпи, песчаные дюны, валунные поля и покрытые гравием террасы. Наиболее значительная локальная инфильтрация вод наблюдается на осыпях под тающим снегом. Тепла, поступающего с водой в толщу пород, может оказаться достаточным, чтобы предотвратить их замерзание на данном участке и обеспечить прямую инфильтрацию в водоносные горизонты, залегающие ниже многолетнемерзлой толщи. В других случаях вода, инфильтрующаяся через осыпи, проникает лишь на небольшую глубину, вследствие чего образуются локальные зоны, свободные от многолетней мерзлоты. Необходимо отметить, что многие большие родники, появляющиеся летом, возникают просто в результате неглубокой циркуляции талых снеговых вод, замерзающих зимой.

Рис. 10.10 Гипотетические температурные профили для района развития многолетнемерзлых пород

Хотя тепловой поток направлен из недр Земли к ее поверхности, фактические температурные градиенты за данный отрезок времени, а также температуры на той или иной глубине определяются в основном температурой дневной поверхности. Представлен общий случай, когда деятельный слой полностью не оттаивает. Промерзание грунта в глубину в начале зимы задерживает воду в деятельном слое, пока она не начнет мигрировать в боковом направлении или замерзнет в конце зимы.

Потеря тепла за счет кондуктивного переноса в приповерхностном слое рыхлых отложений существенно зависит от влажности пород. Теплопроводность воды примерно в 15 раз больше теплопроводности сухого воздуха. У льда теплопроводность приблизительно в 4 раза превышает теплопроводность воды в жидкой фазе. Из этого следует, что пористый грунт органического происхождения во влажном состоянии может иметь теплопроводность в 10 раз больше, чем в сухом состоянии. Если вода в порах породы замерзает, теплопроводность ее увеличивается. Для практических целей можно считать, что, если почва становится сухой к концу зимы и остается такой в течение всего лета, в нее может поступить лишь небольшое количество тепла, и многолетняя мерзлота сохранится близко к поверхности. В то же время почва, остающаяся сухой всю зиму, но затем насыщающаяся водой за лето, будет вызывать повышение температуры, достаточное, чтобы предотвратить замерзание пород.

Факторы, определяющие температуру поверхности: растительный покров, интенсивность почвенного испарения, температура воздуха, скорость ветра, экспозиция склонов, толщина снежного покрова и окраска почвы имеют важное значение и весьма сложны. Благоприятные условия для сохранения низкой температуры почвы в летнее время создаются в результате затенения склонов, вследствие светлой окраски поверхности, увеличивающей отраженную радиацию, а также благодаря оголенным от снега поверхностям, подверженным действию сильных холодных ветров зимой. Высокая температура почвы отмечается при мощном снежном покрове, экспозиции склонов летом и при темной окраске почвы, поглощающей солнечную энергию.

Незамерзшие поверхности озер и рек поглощают значительное количество солнечного тепла и поэтому имеют более высокую температуру, чем окружающий их грунт. В результате этого тепловой поток направлен от водной массы в сторону грунта и температура последнего удерживается выше точки замерзания. Деятельный слой и более глубокие зоны вблизи крупных водных масс -- единственные приповерхностные зоны, не замерзающие в районах Крайнего севера Азии и Америки.

Индикаторы многолетнемерзлых пород

Разведка подземных вод в арктических районах сводится по существу к отысканию водопроницаемых немерзлых зон (таликов), насыщенных пресной водой. При этом необходимо избегать отдельных островов многолетней мерзлоты, пользуясь типичными индикационными признаками на поверхности. Характер растительных сообществ, микрорельеф, гидролакколиты, формы рельефа, вызванные протаиванием, и различные гидрологические и гидрогеологические проявления могут быть полезными ключевыми признаками для определения распространенности многолетнемерзлых пород. Многие из этих признаков, в частности особенности микрорельефа, лучше всего могут быть изучены по аэрофотоснимкам. Такие объекты, как обнажения ископаемых льдов в берегах рек, лучше всего изучать наземными методами.

Растительный покров оказывает важную помощь в распознавании мерзлотных условий, но нельзя ограничиваться только этим фактором. Замечено, что на Аляске такие деревья, как лиственница и пихта черная, произрастают в условиях развития мерзлых пород на небольшой глубине, так как обладают поверхностной корневой системой. Высокие ивы на поймах и взрослая осина имеют более глубокую корневую систему и поэтому они произрастают там, где нет многолетней мерзлоты. К северу от лесной зоны кустарниковый растительный покров обычно служит индикатором таликов.

Полигональные формы микрорельефа обычно указывают на распространение многолетнемерзлых пород. Они образуются на относительно плоских участках в результате развития крупных полигональных трещин, которые заполняются клиновидным льдом. Диаметр полигонов от 20 до 400 футов. Поскольку лед в полигонах с ледяными клиньями редко обнажается с поверхности, эту форму рельефа ошибочно принимают за аналогичные формы, не обязательно связанные с многолетней мерзлотой. Большая часть других полигональных форм имеет меньшие поперечники, и некоторые из них развиваются в условиях такого же рельефа. Полигоны морозобойных трещин образуются в результате сжатия грунтов сезонно промерзающего слоя во время исключительно сильных морозов. Полигоны морозобойных трещин подстилаются как мерзлыми, так и оттаивающими грунтами. Их труднее различить, но они обладают несколько более крупными размерами, чем полигоны с ледяными клиньями на той же территории. Каменные полигоны возникают при морозном пучении грунта, они меньших размеров и указывают на интенсивное действие зимнего промерзания, не обязательно связанного с мерзлотой. Трещины усыхания грунтов в аридных районах достигают ширины нескольких футов. Они обычно возникают на поверхности такыров, подверженных спорадическому затоплению. Трещины усыхания имеют достаточно большие размеры, позволяющие выделять их на аэрофотоснимках. Но в арктических районах крупные трещины усыхания образуются редко вследствие круглогодичного избыточного увлажнения.

Гидролакколиты, или пинго, представляют собой холмы, возникающие в результате замерзания воды в виде ледяных линз, которые вызывают вспучивание почвенного слоя. Такие холмы достигают 300 футов в высоту и 800 футов в поперечнике, но мелкие формы более распространены. Верхние участки многих гидролакколитов рассечены трещинами, напоминающими кратеры, что придает гидролакколитам внешнее сходство с конусами вулканов. Гидролакколиты -- надежные индикаторы многолетней мерзлоты.

Многочисленные формы протаивания обычно указывают на развитие подстилающего слоя многолетнемерзлых пород. Сезонное промерзание редко вызывает заполнение льдом пор пород или образование ледяных клиньев столь значительной мощности, чтобы при их таянии возникали термокарстовые дренажные борозды или происходили крупные обрушения грунта у дорог, построек и других объектов культурного освоения территории.

Некоторые гидрологические явления связаны с участками, где нет мерзлых пород. Резкое уменьшение расхода реки при пересечении ею зоны водопроницаемых отложений, впадение крупного водотока в небольшое озеро, бессточные озера и необычайно резкие колебания уровня воды в озерах указывают на ускоренную инфильтрацию, а, следовательно, на то, что мерзлые породы здесь не распространены по крайней мере до некоторой глубины. Подобным образом родники, пятна пышной растительности и другие признаки разгрузки подземных вод указывают на наличие водоносных горизонтов в незамерзающих породах.

Рис. 10.11 Отбор подземных вод из аллювиальных водоносных горизонтов. А -- скважина выше толщи многолетнемерзлых пород (в деятельном слое); Б -- скважина в таликовой зоне; В -- скважина в подмерздотпой толще; Г -- скважина около озера; Д -- скважина около большой реки. Заштрихованная часть разреза -- зона сезонного промерзания и оттаивания (деятельный слой)

Районы, благоприятные для эксплуатации подземных вод

Некоторые участки, благоприятные для эксплуатации подземных вод в условиях Арктики, схематично представлены на рис. 10.11 и 10.12. Зоны немерзлых пород (талики) у крупных водных объектов и водоносные горизонты, залегающие под многолетнемерзлыми породами,-- наиболее надежные источники больших количеств воды. Там, где многолетнемерзлые породы имеют очень большую мощность, наиболее производительные водоносные горизонты могут находиться в мерзлом состоянии, и скважины в таких случаях следует бурить до коренных пород: иначе скважина, законченная в водоносном горизонте, насыщенном погребенными водами, даст воду плохого качества. Наиболее глубокая скважина, пройденная на Аляске в толще мощностью 603 фута, дающая питьевую воду, имеет дебит 45 галл/мин, причем почти вся эта толща сложена мерзлыми породами. По мере развития водоснабжения на таких территориях с большим числом скважин запасы подземных вод будут истощаться, так как при мощной непрерывной мерзлой толще питание их крайне затруднено.

Проще всего использовать подземные воды деятельного слоя во вторую половину лета и в начале зимы. Такой источник редко может обеспечить круглогодичное водоснабжение, хотя Седерстром описывает неглубокую скважину, пройденную под отапливаемым зданием в Коцебу на Аляске. Эта скважина дает воду из талика, образовавшегося под зданием, а также из окружающей толщи талых отложений, которая залегает между слоем зимнего промерзания и многолетнемерзлыми породами. Дренажные коллекторы мелкого заложения также используются в талых зонах у водотоков. Биологическая чистота таких вод, поступающих с небольшой глубины, всегда остается под вопросом, особенно вблизи малых населенных пунктов, где нет необходимых устройств для удаления отбросов.

Рис. 10.12. Скважины в условиях горной местности

А -- скважина с малым сезонным дебитом, глубина скважины недостаточна для круглогодичной эксплуатации; Б -- глубокая скважина в коренных породах с умеренным дебитом в течение всего года; В -- неглубокая скважина с высоким дебитом в периоды активного питания подземных вод, дебит в конце лета может снижаться; Г -- неглубокая скважина в коренных породах с малым, но постоянным дебитом; Д -- глубокая скважина в коренных породах, не дающая воды, так как она еще не прошла многолетнемерзлые породы; Е -- глубокая скважина в коренных породах, пройденная значительно глубже мерзлой толщи; дебит, вероятно, очень мал вследствие недостаточной водопроницаемости пород на большой глубине; Ж -- неглубокая скважина с высоким дебитом около крупного водотока, в долине которого концентрируется геотермический поток. Заштрихованная часть разреза-- зона сезонного промерзания и оттаивания (деятельный слой).

Талые зоны, по которым происходит питание гидролакколитов, могут быть благоприятны для эксплуатации подземных вод. Однако Мюллер приходит к заключению, что большая часть гидролакколитов относительно мало питается за счет подземных вод. Наиболее крупные потоки подземных вод разгружаются на поверхности в виде постоянно действующих родников и не накапливают ледяных масс в грунте. Такие родники образуют большие наледи на поверхности в наиболее холодное время года.

Условия проходимости и климата делают разведку и эксплуатацию подземных вод в Арктике наиболее трудными по сравнению со всеми другими географическими районами. Отдаленность территорий и леденящие ветры представляют только часть трудностей. Много проблем возникает при бурении в многолетнемерзлых породах. Ударно-канатное бурение может приостановиться вследствие примерзания обсадных труб к стенке скважины, поэтому рекомендуется продолжительное бурение без длительных остановок для опускания обсадных труб. Помогает также промывка скважины теплой водой, однако чрезмерное протаивание мерзлого грунта вокруг устья скважины вызывает опасное оседание грунта. Особенно это нужно учитывать при вращательном бурении. Бурение с очисткой скважины воздухом в зимнее время или с применением промывочных рассолов и глинистых растворов на нефтяной основе позволяет проходить участки многолетнемерзлых пород при температуре ниже температуры замерзания. Как только бурение скважины закончено, необходимо принять меры против нежелательного смерзания скважины и насоса, а также замораживания резервуаров и распределительных систем. Обогревательные змеевики и трубопроводы для подачи пара можно использовать, если есть гарантия от чрезмерного протаивания мерзлых пород. Менее дорогостоящий, обычно применяемый метод предотвращения замерзания скважины заключается в непрерывной откачке воды. Поскольку температура воды может быть на несколько градусов выше температуры замерзания, а теплоемкость воды и скрытая теплота плавления льда высоки, для предотвращения промерзания умеренно изолированных систем водоотбора необходимо совсем небольшое количество воды.

Качество воды

Химический состав вод рек и озер в Арктике обычно превосходен. Подземные воды, питаемые этими водами, также хорошего качества.

Имеются данные, что содержание железа и марганца вызывает некоторые затруднения с использованием подземных вод в арктических районах. Благоприятные условия для проникновения этих элементов в подземные воды создаются, вероятно, благодаря большим количествам органического материала в аллювиальных водоносных горизонтах. Сохранности органического вещества способствуют холодный климат. Органический материал водоносных горизонтов может вызывать нежелательную окраску воды, а в более редких случаях и неприятный вкус.

Сама по себе многолетняя мерзлота, вероятно, имеет второстепенное влияние на химический состав вод. Частичное вымерзание может создавать остаточное образование соленых вод, в результате чего происходит концентрация некоторых растворенных веществ в течение длительного периода времени, необходимого для замерзания воды в мерзлой толще. Однако во многих водоносных горизонтах циркуляция подземных вод достаточно интенсивна, чтобы удалять соленые воды быстрее, чем они накапливаются. Имеются данные о том, что под влиянием циклов промерзания содержание некоторых компонентов в воде зимой гораздо выше, чем летом.

Размещено на Allbest.ru