Подземные воды криолитозоны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Подземные воды криолитозоны



Введение

криолитозона вода порода гидрогеологический

Многолетнемерзлые горные породы занимают около 25% территории всей земной суши. Особенно они распространены в северном полушарии. Территория нашей страны примерно на 60% представлена площадью с наличием многолетнемерзлых пород. Это районы крупнейшего строительства в настоящем и, особенно в будущем, поэтому изучение многолетней мерзлоты и особенно гидрогеологических условий этих районов имеет огромное значение.

Актуальность изучения криолитозоны обусловлена спецификой природных процессов, которую необходимо учитывать при решении различных инженерно-геологических задач, при охране и рациональном использовании природных ресурсов.

Целью данной работы является выявление основных закономерностей развития водоносных горизонтов в криолитозоне. Для реализации поставленной цели необходимо дать характеристику зоны многолетней мерзлоты и особенностям формирования, развития, динамики и режима различных типов подземных вод в условиях сезонного и многолетнего промерзания горных пород.

Практическое использование работы заключается в закреплении и умении применять знания в рамках изучаемой дисциплины.



1. Природные особенности криолитозоны

Криолитозона выделяется как самостоятельный элемент подземной гидросферы в области распространения многолетнемерзлых пород (высокие широты Северного и Южного полушария, высокогорные районы), и обычно охватывает часть зоны аэрации и верхнюю часть зоны полного насыщения.

В условиях криолитозоны основная масса подземных вод находится в твердом состоянии (лед, газовые гидраты), а также в виде физически связанной воды, промерзание которой происходит при температурах ниже 0°С. Свободная гравитационная вода в пределах криолитозоны может быть связана только с участками распространения горных пород, находящихся в талом состоянии, или в тех случаях, когда вода в связи с повышенной минерализацией не замерзает при отрицательных температурах.

Возраст мерзлоты для всей территории ее распространения точно еще не установлен. Наиболее древними областями современной мерзлой зоны являются области Северо-Востока России, в которых мерзлое состояние горных пород существовало на протяжении всего четвертичного периода.

1.1 Распространение многолетней мерзлоты

Распространение многолетнемерзлых пород по площади и в разрезе определяются физико-географическими условиями тепло- и влагообмена верхней части литосферы с атмосферой, климатом, геолого-структурной обстановкой, геологической историей развития территории и гидрогеологическими условиями.

В пределах суши земного шара области многолетнемерзлых пород занимают 35 млн. км², или около 24% всей суши. Из них в северном полушарии находится около 22 млн. км² и в южном - 13 млн. км² [9].

Выделяются две основные зоны многолетней мерзлоты: субаэральная (субконтинентальная), развитая на континенте, и субмаринная, охватывающая шельфовые области, примыкающие к суше северных морей и Северного Ледовитого океана. Первый тип криолитозоны является наиболее распространенным и охватывает север европейской части России, Западную и Среднюю Сибирь, Северо-Восток и Дальний Восток, Прибайкалье и Забайкалье, а также высокогорные районы. За южную границу распространения принята граница, где горные породы имеют нулевую температуру на подошве слоя годовых колебаний. Наибольшей неоднородностью и динамичностью отличается южная зона, в которой отсутствует сплошная мерзлота, представленная здесь в виде островов различных размеров, разделенных талыми породами, и занимающих от 5 до 30% площади выделенного участка. К северу за ней следует зона островного расположения, где острова многолетнемерзлых горных пород занимают уже от 40 до 60% выделенной площади. Далее она переходит в зону массивно-островного и прерывистого распространения ММП, занимающих до 70-80% площади с островами талых вод (Рисунок 1).

Рисунок 1. Схема распространения многолетнемерзлых пород (ММП) на территории России [4]: 1 - зона редкоостровного, островного и массивно-островного распространения ММП со среднегодовыми температурами +3, -1°С и мощностью т мерзлых толщ 0 - 100 м; 2-5 - зона сплошного распространения ММП: 2 - температурами +l, -3°C, мощностью - 50-300 м; 3 - температурами -3, -5°С, мощностью - 100-400 м; 4 - температурами -5, -9°С, мощностью - 200-600 м; 5 - температурами ниже -9°С, мощностью - 400-900 м; 6 - границы зон ММП; 7 - южная граница криолитозоны

Таким образом, при движении с юга на север крупность массивов многолетнемерзлых горных пород увеличивается, одновременно возрастает и их мощность от 5 - 15 м, в редко-островной зоне до 100 м, и более в массивно-островной и прерывистой. В этом же направлении происходят понижение среднегодовых колебаний температур и уменьшение межостровных таликов.

Севернее описанной островной зоны располагается зона сплошного распространения многолетнемерзлых горных пород, занимающая наибольшие площади и характеризующаяся увеличенной мощностью от 10 -200 до 700 - 900 м, а местами до 1000-1500 м (Таблица).

Распространение многолетнемерзлых пород на Земном шаре [9]

Зона	Площадь мерзлой зоны, млн. км3
	Европа и Азия	Северная Америка	Северное полушарие	Антарктида	всего на Земном шаре
Сплошного распространения	3,66	3,89	7,55	12,98	20,53
Прерывистого распространения (с участками таликов)	3,66	3,66	7,32	-	7,32
Островного распространения	3,76	3,46	7,22	-	7,22
ИТОГО	11,08	11,01	22,09	12,98	35,07

По мере продвижения к северу постепенно снижается и температура среднегодовых колебаний, достигая -10, -15°С на побережье моря Лаптевых и арктических островах. В зоне сплошной мерзлоты сквозные и несквозные талики наблюдаются только под крупными реками и водоемами. На юге Западно-Сибирской низменности и на крайнем северо-востоке европейской части России выделяется реликтовая криолитозона на глубинах 100 - 200 м и мощностью более 200 м.

В горных районах распространение многолетнемерзлых горных пород подчиняется вертикальной зональности и характеризуется увеличением мощности с высотой гор (более 100 ? 1000 м). В субмаринной криолитозоне наибольшее распространение имеет островная и прерывистая мерзлота мощностью 0 - 100 м, в меньшей степени - сплошная мощностью 100 - 400 м. В вертикальном разрезе мерзлых пород различают:

1) сплошные или преимущественно сплошные мерзлые породы;

2) мерзлые породы, сильно нарушенные таликами;

3) включения различных по размерам и форме объемов мерзлых пород (массивов, толщ) внутри талых пород, распространенных на определенных элементах рельефа (водоразделы, долины);

4) спорадически залегающие массивы, толщи и линзы мерзлых пород среди талых.

Мощность многолетнемерзлых пород различна, в общем плане увеличивается с юга на север. У южной границы их распространения достигает десятки метров, в центральных частях Сибири и в горных массивах в пределах 600 - 1450 м. По данным Н.А. Ведьминой, наибольшая мощность зоны охлаждения земной коры установлена в южной части Анабарского массива в верховьях р. Мархи, и равная 1450 м. Некоторые исследователи предполагают, что причиной столь глубокого промерзания пород является влияние высокоминерализованных рассолов с низкой отрицательной температурой. Максимальные глубины промерзания горных пород, установленные для низменностей и долин, составляют 650 - 700 м.

Для высокогорных районов в современных областях оледенения свойственны наибольшее охлаждение горных пород и максимальные мощности многолетнемерзлых пород. В межгорных впадинах отмечаются меньшие мощности.

Следует отметить, что положения границ мерзлой зоны и нулевой температуры пород часто не совпадают, так как в определенных гидрогеологических условиях не только соленые воды и рассолы, но даже пресные воды могут находиться при отрицательных температурах в жидком состоянии.

1.2 Типы подземных вод

Впервые классификация подземных вод мерзлой зоны литосферы была предложена в 1933 г. Н.И. Толстихиным. Он выделил три типа подземных вод, распространенных в многолетнемерзлых породах: надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные [4]. В 1940-1941 гг. была им несколько расширена. Сегодня эта классификация остается руководящей, поскольку она учитывает основные особенности залегания подземных вод в многолетнемерзлых породах.

Рисунок 2. Схема взаиморасположения мерзлых и талых пород и взаимосвязи надмерзлотных, межмерзлотных и подмерзлотных вод [9]. а - надмерзлотные воды; б - надмерзлотно-межмерзлотные воды; в-воды криогенных образований; г - межмерзлотные воды; д - межмерзлотные (внутримерзлотные) мощные водоносные горизонты; е - подмерзлотно-межмерзлотные воды; ж - подмерзлотные воды; з - «регулирующие подземные резервуары», 1 - мерзлые породы; 2 - талые породы; 3 - нижняя граница надмерзлотных и верхняя граница подмерзлотных вод; 4 - криогенные образования, ГВВ - горизонт высоких вод

Надмерзлотные воды залегают в толще пород, ограниченной сверху поверхностью земли, снизу - верхней границей многолетнемерзлых пород. К надмерзлотным водам обычно относят воды деятельного слоя, воды надмерзлотных таликов и криогенных образований (Рисунок 2).

Деятельный слой - слой максимального зимнего промерзания и летнего оттаивания. Сложен он породами различного «генезиса и состава. В зависимости от литологических особенностей пород, их влажности, гранулометрического состава, географического положения, климата района, экспозиции поверхности рельефа мощность его изменяется от нескольких сантиметров до 3 - 5 м.

Надмерзлотные воды деятельного слоя в области развития многолетнемерзлых пород широко распространены. Водоупорным основанием для вод деятельного слоя служит поверхность многолетнемерзлых пород.

На водораздельных и междуречных пространствах воды в деятельном слое появляются только в период выпадения дождей; в засушливые же периоды эти элементы рельефа обычно дренированы. На низких элементах рельефа и в речных долинах надмерзлотные воды в деятельном слое существуют в течение всего теплового сезона года. В зимний период воды деятельного слоя промерзают. В процессе промерзания, особенно на участках распространения надмерзлотно-межмерзлотных вод, безнапорные воды приобретают временный напор [4].

При ограничении снизу многолетнемерзлыми породами, а сверху горизонтом сезонного промерзания надмерзлотные воды увеличиваются в объеме при замерзании. Это приводит к значительному повышению давления, под влиянием которого породы деятельного слоя в местах наименьшего сопротивления приподнимаются и выпучиваются, образуя так называемые бугры пучения или наледные бугры.

Надмерзлотные воды деятельного слоя выходят на поверхность обычно в виде нисходящих сезонных источников на склонах падей (лощин), озерных котловин, террас, распадков и оврагов. Воды деятельного слоя чаще пресные, с общей минерализацией менее 0,2 г/л, гидрокарбонатного кальциевого состава; только в районах населенных пунктов и в местах связи их с водами более глубоких горизонтов повышается их общая минерализация и изменяется химический состав.

Кроме деятельного слоя надмерзлотные воды распространены в несквозных таликах, которые образуются в результате отепляющего воздействия на многолетнемерзлые горные породы поверхностных и более теплых межмерзлотных вод.

В области распространения многолетнемерзлых пород часто встречаются подрусловые (и прирусловые), подозерные и подаласные присклоновые и субмаринные (на дне морей) несквозные талики.

Подрусловые несквозные надмерзлотные талики формируются под руслами и в прирусловых полосах наиболее крупных рек области многолетней мерзлоты в хорошо водопроницаемых преимущественно аллювиальных песчано-галечниковых и песчаных отложениях. Под руслами малых рек, имеющими непостоянный поверхностный сток, талики отсутствуют. Мощность таликов изменяется в широких пределах: от 5 до 30 м. Химический состав вод подрусловых таликов изменяется от гидрокарбонатных кальциевых (весной) до хлоридно-гидрокарбонатных натриевых (зимой).

Подозерные несквозные талики (включая поддласные) распространены под большинством озер и пересохших озерных котловин мерзлой зоны литосферы в рыхлых аллювиальных отложениях, иногда в трещиноватых известняках и песчаниках. Мощность их изменяется от нескольких до 50-80 м и более. Наиболее полно подозерные талики изучены в Якутском артезианском бассейне, где в них встречаются пресные, солоноватые и соленые воды с минерализацией от 0,2 до 5-6 г./л, реже выше. По составу воды изменяются от гидрокарбонатных кальциевых и гидрокарбонатных кальциево-магниевых до гидрокарбонатных магниево - натриевых и гидрокарбонатных натриевых.

Присклоновые надмерзлотные несквозные талики образуются в нижней части склонов озерных котловин, речных террас, падей и обычно встречаются в песчаных отложениях. Вода источников пресная, общая минерализация не превышает 0,3 г/л, по составу гидрокарбонатная кальциевая или гидрокарбонатная магниево-кальциевая.

Субмаринные несквозные надмерзлотные талики обнаружены в устьях больших северных рек, особенно в прибрежной мелководной зоне. Образование таликов происходит в результате теплового воздействия речных вод, при этом повышается температура донных отложений до положительной, вблизи устьев северных рек на площадях, где глубина воды не превышает 5-15 м. Мощность таликов составляет обычно 4 - 5 м, реже 10 м.

Межмерзлотные воды - это подземные воды, залегающие и движущиеся в толще многолетнемерзлых пород. Они низкотемпературные, с температурой, колеблющейся от долей градуса до первых градусов, а высоко минерализованные могут быть даже с отрицательной температурой. В многолетнемерзлой толще пород подземные воды связаны со сквозными и замкнутыми водоносными таликами (Рисунок 2).

Сквозные талики подразделяются на преимущественно выводящие и преимущественно поглощающие воду. Последние имеют большое значение в питании подземных вод. Водопоглощающие сквозные талики (не связанные с тектоническими трещинами) образуются в руслах и по берегам рек на участках южной экспозиции в трещиноватых осадочных породах. Такие талики являются основными путями пополнения запасав подземных вод глубоких горизонтов. Подобные водопоглощающие талики наблюдаются в пределах Алданского кристаллического массива на реках Горбылях, Чульман, Налымакит и др. Сквозные талики в зонах тектонических нарушений отмечены во многих районах, в том числе на Крайнем Севере, в Норильске.

Общая минерализация и химический состав вод сквозных таликов могут быть самыми разнообразными. В водопоглощающих сквозных таликах, как правило, отмечаются пресные, реже солоноватые воды, состав которых определяется величиной минерализации вод поверхностных водоемов. В водовыводящих сквозных таликах химический состав вод зависит от степени минерализации подмерзлотных вод. В таких таликах встречаются пресные и соленые воды и даже рассолы.

Межмерзлотные воды встречаются в водоносных таликах, которые со всех сторон окружены многолетнемерзлыми породами. Такие талики принято называть замкнутыми. Постоянно существуют в толще мерзлых пород только замкнутые талики, которые содержат соленую воду или рассол, находящиеся в жидком состоянии при отрицательной температуре. Они образуют с мерзлыми толщами пород устойчивые термодинамические системы. Соленые межмерзлотные воды в замкнутых таликах возникли в процессе промерзания осадочных отложений, содержавших воду морского генезиса или соленосных отложений. Реже в замкнутых таликах встречаются пресные и солоноватые воды, имеющие положительную температуру. Такие талики термодинамически неустойчивы и существуют только определенное (сравнительно короткое) время.

Кроме воды в жидкой фазе в многолетнемерзлой толще пород заключены крупные запасы подземного льда, залегающих в мерзлых породах в виде пластов, линз, жил, клиньев и т.п. Мощность их достигает иногда нескольких десятков метров. Льды, формирующиеся в горных породах, могут быть подразделены на четыре основные группы:

1. Погребенный лед, образующийся при захоронении снежников и подземных льдов.

2. Повторно-жильный лед, образующийся при неоднократном заполнении водой или снегом морозобойных трещин, захватывающих как деятельный слой, так и многолетнемерзлых пород

3. Инъекционный лед, возникающий в результате замерзания подземной воды, внедряющейся под напором в толщу мерзлых дисперсных пород.

4. Конституционный лед, образующийся главным образом при промерзании влажных дисперсных пород.

Подмерзлотные воды - это подземные воды, залегающие под мерзлой толщей. Как правило, они находятся только в жидкой фазе (Рисунок 2). В зависимости от условий залегания они могут быть безнапорными, но чаще бывают напорными (артезианскими). Глубина залегания их определяется мощностью толщи многолетнемерзлых пород и гидрогеологическими условиями. Если под толщей мерзлых пород залегают водоупорные породы, то глубина до подмерзлотных вод возрастает. В мерзлой зоне литосферы обычно глубина залегания подмерзлотных вод увеличивается с юга на север, достигая в центральных и северных районах более 300 - 600 м.

Подмерзлотные воды заключены в различных по генезису, возрасту и составу породах. Они имеют положительную и отрицательную температуру. Подземные воды, располагающиеся глубже подошвы толщи многолетнемерзлых пород, обычно имеют положительную температуру. Воды, залегающие непосредственно под мерзлой толщей, показывают отрицательную температуру, особенно соленые воды, температура замерзания которых ниже 0°С. Если пресные воды находятся между нижней границей толщи мерзлых пород и близко расположенными к ней снизу водоупорными породами, то они имеют отрицательную температуру. В этом случае воды напорные и находятся в замкнутой системе. В таких условиях в водоносном горизонте возникает значительное давление, которое способствует сохранению пресных вод с отрицательной температурой.

Минерализация, химический и газовый состав подмерзлотных вод разнообразны. Химический состав вод зависит от литологических особенностей вмещающих пород, наличия в разрезе соленосных отложений, характера их питания и разгрузки, «метаморфизации» состава вод в процессе промерзания пород и других природных факторов. Подмерзлотные воды могут быть как пресными, так и солеными и рассолами с высокой концентрацией.

В области распространения многолетней мерзлоты основные ресурсы подземных вод (преимущественно пресных) сосредоточены в пределах впадин, мелких грабенов и речных долин тектонического происхождения. В пределах этих структур широко развиты бассейны подмерзлотных вод трещинного типа и зафиксированы выходы глубинных термальных и пресных низкотемпературных вод, разгружающихся по новейшим длительно действующим разломам, обновленным в неоген-четвертичное время.

Подземные воды всех трех типов на отдельных площадях гидравлически связаны как между собой, так и с поверхностными водами.

1.3 История развития гидрогеологических структур

В четвертичный период продолжалось развитие гидрогеологических структур, но протекало в иных геотемпературных условиях. Уже в конце плиоцена на огромной циркумполярной площади Северного полушария Земли и до значительной глубины температура пород опустилась ниже 0°С, началось многолетнее промерзание пород верхних горизонтов земной коры. Под воздействием процесса криогенного метаморфизма, протекающего в породах при отрицательной температуре на протяжении десятков, сотен тысяч и даже миллионов лет, в недрах гидрогеологических структур произошло существенное и глубокое (более 1500 м) криогенное преобразование толщи пород и подземных вод. Криогенные водоупоры, сформировавшиеся в зоне свободного водообмена с пресными водами, изменили условия питания, движения и разгрузки подземных вод, а также гидрохимическую зональность и емкость гидрогеологических структур [6].

Таким образом, криогенный метаморфизм толщ пород и подземных вод - это ведущий процесс, под воздействием которого на протяжении позднего плиоцена, плейстоцена и голоцена коренным образом изменялись условия формирования и распространение подземных вод практически во всех гидрогеологических структурах.

Учитывая огромные масштабы криогенного преобразования условий формирования и распространение подземных вод в недрах гидрогеологических структур, выделяют период криогенного преобразования пород и подземных вод в недрах геологических структур в особый криометаморфический цикл формирования подземных вод. Начало криометаморфического цикла соотносится с началом устойчивого похолодания климата и в акватории Тихого океана.

В плиоцен-голоценовом криогенном периоде выделяют три геокриологические эпохи. Они разделены продолжительными (250 и 550 тыс. лет) теплыми климатическими эпохами. В течение теплых эпох в южных районах криогенные водоупоры полностью деградировали, а в северных субаэральных районах температура пород повышалась, но в пределах отрицательных значений.



2. Условия формирования подземных вод

Влияние многолетнего промерзания на гидрогеологические условия весьма значительно и многообразно. Формирование криолитозоны отразилось на условиях питания, движения и разгрузки подземных вод, их химическом составе, тепловом режиме и ресурсах. В настоящее время мерзлые породы прослеживаются до глубин 500-700 м, а в недавнем геологическом прошлом их подошва опускалась до 1000-1200 м. Именно в этом интервале глубин многолетнее промерзание влияло и влияет на гидрогеологическую обстановку.

2.1 Гидрогеологические условия криолитозоны

Промерзание верхних горизонтов литосферы приводит к переходу водопроницаемых и водосодержащих горных пород в мерзлые водонепроницаемые, поскольку образующийся лед заполняет поры и трещины. Относительно проницаемыми для воды и воздуха могут оставаться породы повышенной пористости и трещиноватости, слагающие возвышенные участки рельефа, промерзание которых происходило в условиях дренирования, в осушенном состоянии, т.е. при наличии мощной зоны аэрации.

Появление криогенных водоупоров ухудшило взаимосвязь поверхностных и подземных вод, что привело к расчленению гидрогеологического разреза и к снижению емкостей водоносных структур. В суровых условиях криолитозоны отдельные массивы горных пород оказались полностью промороженными, и в них практически отсутствуют подземные воды в жидкой фазе (Анабарский щит). В то же время криогенные водоупоры являются весьма динамичными геологическими образованиями. Они могут формироваться, исчезать, менять свои параметры за весьма короткие геологические отрезки времени. Следствием этих процессов происходит изменение самих гидрогеологических структур и подземных вод, содержащихся в них [2].

В результате замерзания воды ее объем, как известно, увеличивается. В связи с этим, некогда безнапорные грунтовые воды переходят в напорные, а в артезианских структурах увеличивается пластовое давление. Дополнительный напор, вызванный промерзанием горных пород, называется криогенным. При деградации мерзлой толщи наблюдается обратный процесс - снижение напоров и даже переход напорных вод в безнапорные, грунтовые.

Многолетнее промерзание?протаивание водоносных отложений может привести к формированию как аномально высоких, так и аномально низких пластовых давлений (АВПД и АНПД). [3] Первые обнаруживаются в тех случаях, когда высота напора соизмерима с весом (в метрах водного столба) осадочных отложений, перекрывающих водоносные горизонты и комплексы. АВПД широко распространены в нефтегазоносных провинциях различных регионов и обусловлены различными причинами - тектоникой, метаморфизмом пород и пр.

Охлаждение земных недр в криогенные эпохи приводит к понижению температуры подземных вод. Если за пределами многолетней криолитозоны температура подземных вод, извлекаемых скважинами с глубины 500 - 600 м, составляет порядка 15-20°С, то в областях сплошного развития многолетнемерзлых толщ она будет близка к нулю или равняться нескольким градусам. Вместе с тем в районах криолитозоны, где наблюдается повышенная новейшая тектоническая активность, встречаются и горячие источники с температурой выше 37-40°С (бассейн реки Олекмы в Южной Якутии; Чукотский п-ов и др.).

В гидрогеологических структурах, содержащие пласты солей или вмещающих воды морского генезиса, под подошвой собственно мерзлой толщи находятся отрицательно-температурные соленые воды - криопэги (криогалинные воды, по Н.Н. Романовскому). Температура этих вод может опускаться до минус 10-12°С, а минерализация достигать 300-400 г./дм³. Криопэги распространены не только глубоко в недрах, но и достаточно часто приурочены к слою годовых колебаний температур на антропогенно нарушенных территориях (Якутск, Норильск, Анадырь и т.д.) [7].

Изменение агрегатного состояния воды сопровождается значительным выделением или поглощением тепла при фазовых переходах - 335 кДж/кг. Поэтому наибольшее многолетнее промерзание горных пород (при равной величине теплового потока) происходит на тех участках, геологический разрез которых сложен монолитными слабовлажными породами или подземная вода имеет очень высокую минерализацию.

Необходимо отметить еще одно важное обстоятельство, связанное с процессом многолетнего промерзания?оттаивания - это повышение трещиноватости и открытой пористости горных пород. В результате опусканий и поднятий подошвы мерзлоты, связанных с длиннопериодными колебаниями климата, перехода воды в лед и обратно, под мерзлой толщей возникает зона повышенной трещиноватости (криогенная дезинтеграция). Формирование на контакте талых и мерзлых толщ таких зон приводит к повышенному обводнению скальных и полускальных пород, способствует усилению водообмена в водоносных структурах.

Наличие в верхней части геологического разреза регионально выдержанного криогенного водоупора способствует усилению процессов внутри грунтовой конденсации паров воды воздуха. Конденсационная влага пополняет ресурсы приповерхностного водоносного горизонта и может достигать величины 20-30% от инфильтрационной составляющей атмосферных осадков. Подземные воды, в свою очередь, оказывают влияние на тепловой режим горных пород, начиная с момента проникновения в породы в местах питания и кончая их выходом на поверхность в очагах и зонах разгрузки. Тепловое воздействие подземных вод проявляется в процессе своего движения, когда воды изменяют теплофизические свойства пород. Движение подземных вод обуславливает возникновение конвективных потоков и перераспределение тепловой энергии в водоносных горизонтах и зонах, нередко они являются основной причиной существования таликов.

Подземные воды в значительной степени определяют криогенное строение мерзлых толщ; с ними главным образом связано формирование пластовых залежей инъекционных и сегрегационных льдов, протекание большинства криогенных геологических процессов и, в первую очередь, таких как наледеобразование, пучение грунтов и пр.

2.2 Питание и разгрузка

В зоне вечной мерзлоты горные породы находятся постоянно или длительное время в мерзлом состоянии на значительной глубине. Эта зона отличается: отрицательными годовыми температурами, холодной сухой и продолжительной зимой; малым количеством осадков. Эти условия не благоприятствуют образованию и питанию подземных вод.

Питание подземных вод (в летний период) происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков и конденсации водяного пара. Разгрузка осуществляется в виде малодебитных источников, многочисленных высачиваний или фильтрацией в гидрографическую сеть.

Надмерзлотные воды в летний период безнапорные. Области питания и распространения их в этот период совпадают. Основными источниками питания вод деятельного слоя в летний период служат атмосферные осадки, а на участках речных долин, сложенных хорошо проницаемыми отложениями, в литании подземных вод принимают участие и воды поверхностного стока. В меньшей степени в питании надмерзлотных вод участвуют подмерзлотные воды, поднимающиеся под напором по сквозным таликам, а также воды, образующиеся в результате таяния льдов и льдонасыщенных пород.

Сквозные водоносные межмерзлотные талики в основном формируются под различными водоемами (руслами рек, озерами, под шельфовыми частями морей, в зонах тектонических нарушений), где среднегодовая температура в донных отложениях для пресных вод выше 0° С, а для соленых - выше температуры их замерзания. Такого рода сквозные талики распространены в пределах всей области развития многолетнемерзлых пород, однако их количество уменьшается с юга на север; В этом же направлении затрудняются и условия разгрузки подземных вод. Поглощение речной воды сквозными таликами происходит обычно весной и летом, а разгрузка подземных вод осуществляется в основном зимой; по некоторым таликам разгрузка продолжается весь год.

Гидродинамические условия подмерзлотных вод более сложные по сравнению с артезианскими водами бассейнов, расположенных вне мерзлой зоны. Условия питания подмерзлотных водоносных горизонтов нередко оказываются невыясненными [2]. В связи с наличием мощной толщи многолетнемерзлых пород участки выхода на поверхность пород того или иного водоносного горизонта или комплекса на более высоких абсолютных отметках обычно не бывают областями питания. Питание подмерзлотных водоносных горизонтов осуществляется на локальных участках через водопоглощающие сквозные талики. В процессе промерзания и оттаивания пород, как правило, изменяются условия водообмена. Областями разгрузки подмерзлотных (и межмерзлотных) вод являются водовыводящие сквозные талики на прибрежных частях морей, под озерами, руслами рек, а также в зонах тектонических нарушений. На реках такие участки хорошо заметны зимой, так как в местах выхода подмерзлотных вод образуются полыньи. Многие из сквозных таликов периодически бывают то питающими, то дренирующими.

Гидрогеологические структуры криолитозоны разделяются на две категории. К первой отнесены структуры сплошного вымерзания, где питание ПВ осуществляется через подозерные и подрусловые инфильтрационные талики, преимущественно, за счет поверхностных вод. Последующим звеном меж поверхностными водами и водами глубочайшего стока служат аллювиальные воды подрусловых и пойменных сквозных и несквозных таликов. Во вторую категорию гидрогеологических структур объединены структуры прерывающегося и островного вымерзания, где кроме таликов под озерами и в равнинах рек (под руслами и поймами) есть так именуемые дождевально-радиационные талики на террасах, склонах долин и междуречьях. Через дождевально-радиационные талики происходит конкретное пополнение дождевыми водами ПВ глубочайшего стока. Промежным звеном могут быть воды слоя сезонного оттаивания пород и верховодка на сезонном криогенном водоупоре (воды слоя сезонного вымерзания отложений).

2.3 Гидрогеохимическая характеристика

Состав подземных вод зависит от их происхождения, а также от степени и характера водообмена и взаимодействия с горными породами по которым они протекают. В процессе движения подземных вод происходят выщелачивание горных пород или включений в них и обогащение вод минеральными солями.

Общую минерализацию подземных вод составляет сумма растворенных в них веществ. Она обычно выражается в г/л или мг/л. В глубинных водах в условиях затрудненного водообмена происходят наибольшая концентрация растворенных веществ и значительное увеличение общей минерализации.

Подземные воды в верхних горизонтах преимущественно пресные гидрокарбонатно-кальциевого состава. Но в северных районах, примыкающих к Северному Ледовитому океану, встречаются минерализованные воды, близкие по химическому составу к морской воде. Во многих артезианских горизонтах, залегающих под слоем мерзлых пород, отмечаются сульфатные и хлоридные воды. Местами в долинах рек и в озерных впадинах эти минерализованные воды разгружаются, засолоняя при этом воды рек и озер или образуя видимые соленые источники.

Многолетнее промерзание и протаивание пород сопровождается изменением химического и газового состава подземных вод. При промерзании водоносных пород происходит перераспределение солевого состава между образующимся льдом и жидкой фазой подземных вод. Наиболее подвижные и легко растворимые соли уходят из зоны льдовыделения в непромерзшую часть гидрогеологического разреза, в которой минерализация воды увеличивается (вплоть до формирования соленых вод). При оттаивании многолетнемерзлой толщи снизу под подошвой мерзлоты формируется слой опресненных вод. Неоднократное промерзание?оттаивание горных пород приводит не только к изменению минерализации, но и химического состава подземных вод, поскольку отдельные соли выпадают в осадок, консервируются во льду, а при таянии последнего не возвращаются в раствор [7].

2.4 Мерзлотно-геологические процессы в криолитозоне

В области распространения многолетнемерзлых пород процессы промерзания и оттаивания отложений в деятельном слое, а также деградация или нарастание мощности многолетнемерзлых пород во времени приводят к изменению условий питания и взаимосвязи между отдельными типами вод, переходу вод из безнапорных в напорные. Эти процессы обусловливают возникновение таких криогенных явлений, как образование бугров пучения, подземных и наземных наледей, термокарста и др [6].

Бугры пучения возникают в результате процессов миграции воды при промерзании влажных или насыщенных водой рыхлых отложений (торфяники, пески, песчано-глинистые отложения, глины). Они связаны с расширением объема замерзающей в породе воды. Бугры пучения обычно встречаются в периферийной зоне области многолетней мерзлоты. Они наиболее развиты на севере европейской части России, в Западной Сибири. Их высота обычно составляет 1,5-2 м, реже 4-8 м. Диаметры их оказываются разной величины.

Подземные наледи представляют собой подземные ледяные линзы в ядрах бугров пучения различных размеров. Они бывают сезонными и многолетними. Сезонные наледи обычно находятся в пределах деятельного слоя и в течение лета, как правило, тают. Многолетние наледи существуют постоянно и образуют бугры пучения больших размеров. В рельефе подземные наледи выражаются в виде бугров, высота которых достигает 8-12 м, реже 40 м.

Наземные наледи - ледяные тела, образовавшиеся при замерзании речной или подземной воды, излившейся на поверхность льда, снега, земли или в толще деятельного слоя в результате промерзания того водоносного тракта, по которому обычно движется вода. При сезонном промерзании деятельного слоя оставшаяся незамерзшей вода, заключенная между многолетнемерзлой толщей и промерзшей верхней частью деятельного слоя, приобретает значительный напор. Замерзший слой начинает выпучиваться на участках наименьшего сопротивления (Рисунок 3). При этом вода прорывается и изливается на поверхность, создавая наземную наледь. Образование наземных наледей происходит и при выходе источников подземных вод. Крупные наледи находятся в зонах тектонических нарушений пород. Их формирование связано уже с более глубокими подмерзлотными и, возможно, межмерзлотными водами, выходящими по тектоническим трещинам и разломам земной коры. По объемам наледей можно приближенно установить ресурсы подземных вод и, кроме того, выявить участки интенсивного дренирования подмерзлотных или (реже) межмерзлотных вод.



Рисунок 3. Схема образования речных наледей [9]. а - начальная стадия образования; б - вторая стадия образования. 1, 4 - вода; 2 - слой льда; 3 - многолетнемерзлая порода; 5 - вода, промерзшая до дна; 6 - наледный бугор; 7 - вода, образующая в процессе замерзания наледи

Термокарст - результат неравномерного проседания или провала почвы и подстилающих ее пород при таянии подземного льда. Развитие термокарста происходит при повышении среднегодовой температуры воздуха или при увеличении амплитуды колебания температуры почвы, что ведет к увеличению глубины протаивания пород. Формы проявления термокарста многообразны: от мелких просадочных впадин, провалов участков до огромных по площади впадин, котловин, нередко заполненных водой. Термокарстовые озера развиты на обширных равнинных территориях. Размеры термокарстовых форм изменяются от нескольких метров до многих километров в диаметре; глубина их достигает десятки метров.

Каменные полигоны (каменные кольца, многоугольники) представляют плоскую или слабовыпуклую площадку округлой или многоугольной формы, сложенную мелкозернистым минеральным материалом и окаймленную каменным бордюром. Они образуются на участках, представленных неоднородными по механическому составу рыхлыми породами, содержащими включения каменных обломков различной формы и размеров.

Промерзание рыхлых пород вызывает их пучение, а оттаивание - усадку. В результате многократных процессов промерзания и оттаивания происходит вымораживание из породы крупного каменного материала с выталкиванием его на поверхность.

2.5 Изменение гидрогеологических структур под воздействием многолетнего промерзания недр

Гидрогеологическая структура - это часть земной коры, в пределах которой подземные воды связаны в единую зональную систему и характеризуются общими условиями формирования и размещения [8]. Решающими факторами размещения подземных вод являются геологические и физико-географические: геологические определяют размещение и строение гидрогеологических структур, а физико-географические - особенности жизни подземных вод каждой гидрогеологической структуры в отдельности. По характеру залегания выделяют гидрогеологическую структуру с пластовыми и трещинными водами, а по основному направлению движения - структуры с центростремительным стоком (от периферии к центру) и структуры с центробежным стоком (от центра к периферии).

Выделяются три основных типа гидрогеологических структур: артезианские бассейны, гидрогеологические массивы и вулканогенные бассейны.

Артезианские бассейны состоят из осадочного чехла и кристаллического фундамента. Для этой структуры характерен пластовый тип вод и преимущественно центростремительный характер стока, поэтому их многолетнее промерзание происходит в условиях высокой обводненности пород и ограниченной расчлененностью рельефа.

Гидрогеологические массивы сложены изверженными или метаморфизованными породами, подземные воды которых циркулируют в различного рода трещинах горных пород. Массивы могут перекрываться чехлом четвертичных отложений. Характер движения подземных вод - центробежный, поскольку в рельефе такие структуры выражены преимущественно положительными формами рельефа. Сплошное глубокое промерзание гидрогеологических массивов привело к различным гидрогеологическим последствиям, связанным с вещественным составом водоносных пород, их сложением и характером промерзания.

Вулканогенные бассейны - сложные структуры, образованные покровами вулканогенных пород, перекрывшими гидрогеологические массивы и артезианские бассейны, т.е. это молодые по геологическим меркам образования. Для них характерно наличие трещинных вод при подчиненной роли пластовых. Вулканогенные бассейны, распространенные значительно меньше, чем гидрогеологические массивы и артезианские бассейны, а также имеют разнообразные и часто сложные гидрогеологические условия.

Некоторые гидрогеологи (А.М. Овчинников, А.А. Карцев, Е.В. Пиннекер, В.М. Матусевич) выделяют только «гидрогеологический бассейн», избегая терминов «артезианский бассейн» и «гидрогеологический массив.



3. Направление использования подземных вод

Методика гидрогеологических исследований в криолитозоне имеет некоторые специфические особенности поисков и разведки подземных вод, по сравнению с методами, которые применяются вне этой зоны при изучении запасов подземных вод.

3.1 Значение подземных вод области многолетнемерзлых пород

В северных и северо-восточных районах России в связи с развитием крупных промышленных предприятий возникла потребность в больших объемах воды для водоснабжения. Поверхностные воды этих территорий не могут обеспечить нужное количество воды, особенно, когда поверхностные водотоки промерзают до дна. В ряде районов с мощной низкотемпературной толщей многолетнемерзлых пород получение воды настолько затруднительно, что приходиться снижать нормы водопотребления и принимать меры более эффективного использования оборотных вод. Так в некоторых районах Аляски практикуется повторное использование сточных вод для нужд бытовой канализации [1].

Из надмерзлотных вод наиболее неблагоприятными для использования их в народном хозяйстве являются воды деятельного слоя. Сезонность существования надмерзлотных вод, незначительная их мощность (менее 3 м), малые запасы вод, нередко неудовлетворительные санитарные условия ограничивают возможности их использования для водоснабжения населенных пунктов, промышленных предприятий и других объектов. Тем не менее иногда они эксплуатируются населением для местных хозяйственно-технических нужд.

Воды несквозных надмерзлотных таликов более широко используются для питьевого и технического водоснабжения. Наиболее благоприятны для этой цели воды подрусловых и прирусловых многолетних несквозных таликов, которые эксплуатируются во многих населенных пунктах Якутии. В последнее время все более успешно используются воды подозерных (и подаласных) таликов, особенно в пределах Лено-Вилюйского, и Лено-Амгинского междуречий.

Пресные подмерзлотные воды широко используются для водоснабжения городов, населенных пунктов, промышленных предприятий и других объектов. Солоноватые и соленые воды и слабые рассолы (до 150 л/с) на некоторых месторождениях используются как лечебные минеральные воды. Подмерзлотные рассолы, залегающие на глубинах свыше 500-1000 м, на отдельных площадях содержат повышенное количество микрокомпонентов брома, йода, калия и др. Такие рассолы при благоприятных технико-экономических показателях можно использовать для извлечения названных микрокомпонентов.

Иногда в районах с многолетнемерзлыми породами разработка этого полезного ископаемого экономически невыгодна, из-за дороговизны получения и транспортировки воды.

3.2 Особенности гидрогеологических исследований

Важной особенностью гидрогеологических исследований области многолетнемерзлых пород является то, что здесь необходимо учитывать фактор времени и температуру горных пород подземных вод.

Изучение зимних и весенних выходов глубоких подмерзлотных вод дает наиболее правильное представление об их свойствах, ресурсах и химическом составе. Поскольку наиболее четко естественные выходы глубоко залегающих подземных вод проявляются в конце зимы и в самом начале весны, до снеготаяния, когда надмерзлотные воды перемерзают. В этот период целесообразно изучать и картировать непромерзающие источники и образованные ими наледи, замерять расходы источников, температуру воды, размеры наледи [1].

Сезонные колебания дебита, напора, температуры и химического состава воды источников в области распространения многолетнемерзлых пород часто бывают более контрастными, чем у источников вне этой области. Поэтому в этой области желательно проводить систематические круглогодичные гидрогеологические наблюдения за режимом источников. Для определения возможности использования источника для водоснабжения достаточно проводить наблюдения зимой, в период наибольшего промерзания, и осенью, время наибольшего протаивания.

Изменение температуры подземных вод области многолетнемерзлых пород может привести к трансформации фазового состояния воды, а также к нарушению условий эксплуатации. Поэтому следует проводить наблюдения за работой действующих водоисточников в данном районе в период четкого проявления гидрогеологических контрастов, связанных с промерзанием и протаиванием пород. Температуру измеряют в нескольких местах, в основном около дна, по створам или по сетке в соответствии с особенностями распределения температуры воды. Это позволяет становить наличие локального аномального изменения температуры воды, которое обусловлено субаквальным выходом подземных вод.

Немало важным является и определение температуры, а также фазового состояния горных пород, слагающих дно водоема. Это проводится с целью установления размеров и контуров талика, изменений этих характеристик во времени.

Некоторые черты формирования и строения ледяного покрова водоемов и рек являются индикаторами гидрогеологических особенностей данного участка. При обследовании ледяного покрова надо обратить внимание на речные наледи, ледяные бугры и полыньи, образование которых связано с выходами подземных вод.

Следует установить зависимость места выхода подземных вод от формы рельефа, геологического строения и экспозиции. При исследовании места выхода источника большое внимание уделяется оконтуриванию талика около места выхода источника. Наиболее целесообразно произвести это методами электроразведки (профилирование, зондирование).

Промерзание и протаивание некоторых водоносных горизонтов, питающих источник, сезонное изменение химического состава подземных вод происходит более резко, чем вне этой области. Поэтому выяснение химического и газового состава воды источников в течение года в области многолетнемерзлых пород имеет особо важное значение.

Полученные данные не всегда отражают действительный расход источника, так как часть воды может не замерзать, а стекать в виде подналедного стока.

До настоящего времени еще не разработаны схемы, определяющие различные свойства водоносных горизонтов, в том исле и величину запасов вод среди многолетнемерзлых пород. Это связанно с тем, что проводится недостаточно детальных комплексных гидрогеологических исследований для крупного водоснабжения, основанного на использовании только подмерзлотных вод. Трудность составления расчетных схем заключается в сезонном изменении значений величин, характеризующих водоносный горизонт: глубины залегания мерзлого водоупорного слоя, температуры воды, величины напора и т.д.

3.3 Особенности разведки и эксплуатации подземных вод

В области распространения многолетнемерзлых пород механическое бурение гидрогеологических разведочных и эксплуатационных скважин имеет некоторые осложняющие особенности, которые необходимо учитывать при проектировании разведки подземных вод. Это связано с тем, что в стволе скважины промывочная жидкость может замерзнуть при прекращении ее циркуляции, а также тем, что проходимые льдонасыщенные грунты, устойчивые в мерзлом состоянии, при оттаивании в процессе бурения теряют прочность.

Выбор промывочной жидкости зависит от цели бурения, времени года, температуры и устойчивости проходимых пород. В качестве промывочной жидкости применяют пресную или подсоленную воду или глинистый раствор. Если разбуриваемые мерзлые породы относятся к крепким скальным и полускальным, то для промывки можно применять воду. Если бурение производится в толще мерзлых осадочных пород без включения сухих сыпучих отложений, то для промывки скважины можно применять подсоленную воду, охлажденную до отрицательной температуры.

Способ вращательного бурения скважин является более прогрессивным, поскольку таким образом устраняются расходы на доставку воды и приготовление соляного или глинистого раствора. При таком бурении исключаются аварии, которые вызваны замерзанием промывочной жидкости и оползанием стенок.

В скважине, бурящийся с промывкой необходимо вести систематические измерения температуры входящей и выходящей струи промывочной жидкости. Полученный керн необходимо осматривать сразу после извлечения, так как в трещинах и порах пород может сохраниться лед. Благодаря химическому анализу таких включений можно определить состав подземной воды в период формирования мерзлой толщи. Это, в свою очередь, помогает выяснить генетические особенности подмерзлотных вод [9].

При опробовании скважин следует уделить внимание опробование пород, слагающих нижнюю часть многолетнемерзлой толщи и контактирующих с ними талых отложений, залегающих ниже. Полученные сведения о гидрогеологических особенностях этой переходной зоны позволяет решить наиболее трудный вопрос о взаимовлиянии мерзлых пород и водоносных горизонтов.

Откачка из скважины должна проводиться весьма интенсивно с наименьшими перерывами. Перед началом откачки рекомендуется прогреть ствол скважины путем циркуляции горячей воды или паром.

Эксплуатация подземных вод в области распространения многолетнемерзлых пород вызывает большие трудности. Подземные воды могут замерзнуть не только в самом источнике, предназначенном для водоснабжения, но и в водоразделяющих трубах, заложенных в слое сезонного промерзания или многолетнемерзлых породах. Часто в первый период эксплуатации подмерзлотных вод может происходить образование ледяной пробки. В процессе длительной откачки вокруг ствола скважины образуется массив талых пород, предохраняющий ствол скважины от замерзания в период перерыва.

Предохраняет от замерзания воды в неэксплуатируемой скважине постоянный слив в нее небольшого количества воды, примерно 1 - 2 м³/час, из запасного резервуара или ближайшего водоема. Это создает достаточный конвективный теплообмен в стволе воды0 предупреждающий замерзание.

Второй способ, который позволяет предотвратить замерзание, заключается в прогреве ствола скважины электрообогревателем, опущенном между насосными и обсадными трубами ниже подошвы многолетнемерзлых пород. При необходимости длительной консервации бездействующей скважины в незамерзшем состоянии применяется способ засоления воды раствором поваренной соли для понижения температуры замерзания воды. В скважину сливается концентрированный раствор, объем которого определяется в соответствии с минимальной температурой многолетнемерзлых пород.

Минус этих способов это нарушение естественного режима подземных вод, вскрытых скважиной. Поэтому при проведении гидрогеологических наблюдений в скважинах выбирают тот способ, который в меньшей степени нарушит наиболее важный элемент режима (уровень, химический состав или температура воды).

При изучении гидрогеологических условий месторождения подземных вод, важное значение имеют инженерно-геологические свойства пород, слагающих данную территорию. Особенно следует обратить внимание на выявление линз льда и сильно льдистых грунтов, которые при оттаивании могут привести к большим деформациям сооружения, особенно в случае прокладки подземных или полуподземных отепленных каналов для водопроводных труб. Одним из специфических требований к укладке водопроводных сетей является то, что необходимо обеспечить обязательное движение воды на всем протяжении сети.

...