Подземные воды области распространения многолетнемерзлых пород

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

ФГАОУ ВПО

Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Амосова

Геологоразведочный факультет

Кафедра мерзлотоведения

Курсовая работа

Подземные воды области распространения многолетнемерзлых пород

Автор Аввакумов Василий

студент группы ГГ-12

Руководитель: Спектор В.В.

Якутск 2015

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Типы подземных вод области распространения ММП

1.1 Надмерзлотные воды

1.2 Межмерзлотные воды

1.3 Подмерзлотные воды

2. Природа формирования и типы таликов в криолитозоне

3. Взаимодействие подземных вод с мерзлыми толщами пород

4. Источники появления подземных вод на поверхности

5. Месторождения подземных вод в области распространения многолетнемерзлых пород

Заключение

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Многолетняя мерзлота -- явление глобального масштаба, она занимает не менее 25% площади всей суши земного шара. Значительная часть современной многолетней мерзлоты унаследована от последней ледниковой эпохи, и сейчас она медленно тает.

Многолетнемерзлые породы (ММП) занимают около 47% территории России и оказывают существенное влияние на условия формирования естественных ресурсов и запасов подземных вод.

В результате неоднократных изменений климатической обстановки на протяжении плейстоцена и голоцена, сопровождающихся оледенениями и общим похолоданием, значительные криогенные преобразования охватили верхнюю часть литосферы. Они распространились на огромные по площади и глубине части земной коры, создавая совершенно особую гидрогеологическую обстановку. Специфичность этой обстановки проявляется в том, что подземные воды сохранились лишь в разного типа таликах, ниже подошвы мерзлых толщ в зонах над- и межмерзлотного стока, а также в виде внутримерзлотных водопроводящих зон. Остальная часть гидрогеологического разреза под влиянием сильного внешнего охлаждения превратилась в криогенные водоупоры. При этом значительная часть воды перешла в лед, способствуя образованию в ММП как расширенных криогенных текстур, так и высокольдистых горизонтов с многочисленными шлировыми образованиями.

Для территории криолитозоны по отношению к криогенным водоупорам выделяют над-, меж-, внутри- и подмерзлотные подземные воды. Эти специфические категории подземных вод обладают рядом характерных особенностей, что позволяет объединять их для разных условий криолитозоны и рассматривать с единых позиций, несмотря на имеющиеся гидрогеологические различия.

Цель данной работы заключается в том, чтобы укрепить знания и приобрести больше информации о подземных водах области распространения ММП.

1. Типы подземных вод области распространения ММП

В области распространения многолетнемерзлых пород подземные воды могут занимать пространственно различное положение по отношению к мерзлым толщам и по-разному с ними взаимодействовать.

В настоящее время существует несколько классификаций вод области многолетней мерзлоты, находящихся в жидкой фазе: Н.И. Толстихина (1973), И.Я. Баранова, А.М. Овчинникова (1955), В.М. Пономарева (1959), А.И. Калабина (1960), Э.Д. Ершов (1990) и др.

Наиболее последовательной является классификация Н.И. Толстихина, в основу которой положено пространственное взаимоотношение подземных вод и мерзлых толщ. Принимая эту классификацию за основу и внеся в нее некоторые дополнения и уточнения, Н.Н. Романовский предлагает следующее подразделение подземных вод области распространения многолетнемерзлых пород:

1. Надмерзлотные воды, т.е. воды, находящиеся в талых слоях, перекрывающих многолетнемерзлые толщи. Среди них выделяются воды:

а) сезонноталого слоя (СТС)

б) многолетних несквозных таликов (подрусловых, подозерных и «несливающейся мерзлоты»).

2. Воды таликовых зон, т.е. воды, двигающиеся в сквозных таликах, ограниченных мерзлыми породами по боковым поверхностям. Водопроводящие таликовые зоны являются теми путями, по которым осуществляется взаимная связь между поверхностным и надмерзлотными водами, с одной стороны, с водами подмерзлотными и межмерзлотными - с другой. Через таликовые зоны идет как питание, так и разгрузка различных типов подмерзлотных и межмерзлотных вод. Воды таликовых зон играют особую роль в процессе водообмена поверхностных и подземных вод области развития многолетнемерзлых горных пород.

3. Подмерзлотные воды - это воды первого от подошвы мерзлой толщи водоносного горизонта, комплекса или трещиноватой зоны. Эти воды делятся на собственно подмерзлотные, контактирующие и неконтактирующие, т.е. находящиеся в мерзлой толще в определенном взаимодействии, и неконтактирующие глубинные, влияние которых на мерзлую толщу из-за большой глубины их залегания никак не проявляется.

4. Межмерзлотные воды - это воды в немерзлых и талых слоях, ограниченные снизу и сверху слоями многолетнемерзлых пород и имеющие связь с другими категориями вод мерзлой зоны.

5. Внутримерзлотные воды - это воды, заключенные в талых и немерзлых слоях и линзах, ограниченные со всех сторон мерзлыми породами. Они не имеют водообмена с другими типами вод мерзлой зоны.

Рис. 1 Карта распространения ММП грунтов и их среднегодовой температуры на территории России (по И.Я. Баранову)

1.1 Надмерзлотные воды

Главная особенность надмерзлотных вод выражена в их названии и заключается в том, что формируются они на поверхности мерзлых горных пород. Последние в талом состоянии могут быть водопроницаемыми, но в мерзлом состоянии, когда все поры и трещины их заполнены льдом, они являются водоупорами. Такие водоупоры именуют криогенными, хотя правильнее было бы назвать их криолитологическими по аналогии с собственно литологическими водоупорами. Поскольку по продолжительности существования криогенные водоупоры могут быть сезонными и многолетними, то и надмерзлотные воды следует различать прежде всего по этому признаку.

Именно данный признак принимался в качестве основного почти во всех существующих классификационных схемах надмерзлотных вод. Так, в классификации Н.И. Толстихина надмерзлотные воды подразделяют на три подкласса:

1) воды деятельного слоя;

2) промежуточный подкласс между первым и третьим;

3) воды надмерзлотных многолетних таликов.

В более поздних работах Н.И. Толстихин следующие три подтипа надмерзлотных вод:

1) смезоннопромерзающие, находящиеся в пределах деятельного слоя;

2) сезоннополупромерзающие, верхняя часть которых находится в пределах деятельного слоя;

3) сезоннопромерзающие, поверхность которых залегает ниже деятельного слоя.

Сезоннопромерзающие надмерзлотные воды (первый подтип). По своему режиму эти воды могут быть определены как верховодка. Специфические условия залегания в пределах деятельного слоя обуславливают характерную особенность вод первого подтипа - сезонное существование в жидкой фазе. В Арктике длительность существования надмерзлотного водоносного горизонта определяется двумя-тремя летне-осенними месяцами. По направлению на юг длительность существования надмерзлотного водоносного горизонта возрастает до 6 месяцев, а иногда и более. Поверхность надмерзлотного водоносного горизонта обычно располагается согласно с поверхностью мерзлых пород. Поэтому надмерзлотные воды двигаются в направлении уклонов поверхности рельефа, т.е. к речным долинам и иным понижениям рельефа.

Глубина оттаивания, а следовательно, и возможная мощность надмерзлотного горизонта увеличиваются с севера на юг. В северных районах в песчаных разностях пород деятельного слоя глубина оттаивания не превышает 1-1,5 м, южнее она достигает 4 м и более. Там, где надмерзлотные воды двигаются со значительной скоростью и, значит, несут достаточное количество тепла, мерзлые породы протаивают более глубоко.

Питание надмерзлотных вод происходит за счет атмосферных осадков, поверхностных потоков и реже за счет более глубоких водоносных горизонтов. Существенное значение в питании надмерзлотных вод, по-видимому, имеет конденсация водяных паров на мерзлой поверхности горных пород, особенно если они представлены грубым обломочным материалом. В этом случае, по данным И.Т. Рейнюка (1959) , величина конденсации достигает 80 мм, но возможно, и превышает это значение. В горных районах большое значение в восполнении ресурсов надмерзлотных вод приобретают гольцовые льды, проявляющиеся в каменистых россыпях при промерзании влаги осенних дождей и весенних талых вод, проникающих на глубину мерзлой россыпи. Некоторое значение в питании может иметь и оттаивание подземных льдов иного генезиса.

Соответственно летом, особенно в период дождей, наблюдается увеличение водоносности надмерзлотного горизонта. По окончании периода уровень воды нем понижается, а местами водоносный горизонт осушается полностью. Осенние дожди приводят к повышению уровня воды.

В пределах гольцов и каменистых россыпей вследствие конденсации и гольцового льдообразования воды деятельного слоя не истощаются в течение всего лета. Сочетание благоприятных условий питания с сильно расчлененным рельефом, способствующим накоплению этих вод в распадках и в верховьях речных долин, приводит к образованию источников со значительными дебитами, измеряющимися литрами в секунду. Именно такие источники часто образуют истоки рек горных районов.

На горных склонах четкая направленность стока вниз по рельефу предопределяет неравномерную водоносность деятельного слоя, выражающуюся в том, что наиболее обводненные участки тяготеют кразличного рода перегибам, понижениям и основаниям склонов гор.

Более равномерные условия обводненности деятельного слоя намечаются в пределах плоских водоразделов, равнин и поверхностей речных террас, где в силу незначительных уклонов местности сток минимален и водоносность определяется характером пород и соотношением летних осадков с испарением. Исключение составляют локальные участки, в пределах которых возможно питание надмерзлотных вод более глубокими межмерзлотными и подмерзлотными водами. Наибольшие подвешенные линзы верховодки встречаются над островами мерзлых пород.

Режим надмерзлотных вод определяется ходом выпадения осадков, сезонного промерзания и оттаивания. Так, в Сковородине оттаивание деятельного слоя начинается в апреле. При залегании надмерзлотных вод на глубине 0,5 м от поверхности их оттаивания начинается с середины мая. Более всего оттаивает надмерзлотный горизонт в октябре. В этом же месяце начинается промерзание деятельного слоя сверху, а в ноябре - и снизу. Во второй половине ноября - начале декабря промерзание достигает поверхности водоносного горизонта, водоносный горизонт приобретает напор, возрастающий по мере промерзания.

Так как верховодка в той или иной степени минерализована и, кроме того, находится в капиллярах различного диаметра, то замерзание ее происходит не при 0?С, а при низкой температуре - обычно между 0 и - 0,5?С.

В январе - марте промерзание деятельного слоя достигает максимума. В это время происходит смыкание СМС с мерзлыми породами.

Воды деятельного слоя, будучи изолированы снизу и сверху мерзлыми породами, увеличиваясь в объеме при замерзании, развивают весьма значительное давление. Под влиянием этого давления деятельный слой в наиболее податливых участках приподнимается и выпучивается, образуя бугор. В отдельных участках происходит разрыв поверхности бугра, и часть надмерзлотных вод изливается на поверхность, где и застывает в виде наледи.

Следовательно, режим верховодки зависит от температурного режима деятельного слоя, поэтому он существенно неодинаков в южных и северных районах развития мерзлой зоны.

Промежуток времени с момента окончательного промерзания верховодки до весеннего снеготаяния А.В. Львов называет «критическим водным периодом», ибо прекращается питание поверхностных водотоков и более глубоких водоносных горизонтов водами деятельного слоя. К весне водные ресурсы быстро убывают. Летом деятельный слой оттаивает и восстанавливается связь подмерзлотных и надмерзлотных вод, питание поверхностных водотоков.

Итак, наиболее водообильна верховодка летом во время дождей. Она не доступна для использования после замерзания во второй половине зимы и весной. Эти изменения в свойстве и состоянии отражаются так же и на уровне стояния воды в колодцах, вскрывших верховодку. В период дождей уровень воды в колодцах с большей частью стоит высоко. Осенью он несколько падает. С началом замерзания надмерзлотного водоносного горизонта уровень воды в колодцах начинает повышаться, и тем интенсивнее, чем сильнее морозы. Однако причина летнего и зимнего стояния уровня различны. Летом высокое стояние воды свидетельствует о прибыли его в горизонте, зимой же, наоборот, об уменьшении.

Физические и химические свойства надмерзлотных вод зависят от источников питания. Температура вод низка и редко выходит за пределы 0-15?С. Колебания температур определяются прогреванием летом и промерзанием зимой. В связи с промерзанием наблюдается иногда отрицательные температуры переохлажденной жидкой фазы верховодки. В отдельных случаях были зафиксированы надмерзлотные воды с отрицательной температурой (в Амдерме, на Анадыре).

Подмерзлотная вода, поступая в надмерзлотный горизонт, попав в иные термодинамические условия, меняет свои свойства. Надмерзлотный горизонт с питанием этого рода является ареной физико-химических преобразований питающих его подмерзлотных вод.

Сезоннопромерзающие (второй подтип) и сезоннонепромерзающие (третий подтип) надмерзлотные воды. Существование надмерзлотных вод 2-го и 3-го подтипов может привести к образованию под деятельным слоем талика. Например, надмерзлотные воды 2-го подтипа характерны для участков, в разрезе которых обводненный деятельный слой залегает над водоносным таликом. Подобные условия возникают в случаях, когда хорошо фильтрующие породы сочетаются с высокой обводненностью. Пропуская за лето большое количество воды, породы оттаивают на большую глубину, чем промерзают зимой, оставаясь в какой-то части непромороженными. Такие участки обычно приурочены к конусам выноса или основаниям склонов гор, речных долин, озерных котловин, поверхностям террас, понижениям на равнинах. В силу такой своей природы по форме они бывают сильно вытянутыми (в долинах рек, в тыловой части террас) или имеют плане форму кольца, полукольца (в озерных впадинах и конусах выноса).

Надмерзлотные воды 3-го подтипа могут находиться в аналогичных условиях, если деятельный слой дренирован на всю свою мощность. Более характерны воды 3-го подтипа для таликов, развивающихся:

1) под озерами, речными руслами и низкими террасами;

2) на участках выхода глубинных термальных вод, в связи с отепляющим действием которых поверхность мерзлой зоны может значительно снизиться по отношению к ее региональному положению;

3) в южных районах мерзлой зоны, где глубокое залегание поверхности мерзлых пород может быть вызвано солнечной инсоляцией в сочетании с отепляющим воздействием атмосферных осадков;

4) в районах морских побережий, где над мерзлыми породами могут формироваться криопэги морского генезиса.

Таким образомнадмерзлотные воды 2-го и 3-го подтипов, так же как и воды собственного деятельного слоя, имеют локальное распространение, определяющееся общей гидрогеологической и геоморфологической обстановкой.

Питание их преимущественно атмосферное, что не исключает на отдельных участках распространения таких вод подпитывания более глубокими подмерзлотными водами. Однако если для вод 1-го подтипа характерно соответствие площади питания площади распространения, то воды 2-го подтипа получают питание с площади, значительно превышающей площадь распространения соответствующего водоносного горизонта. Что касается вод 3-го подтипа, то их питание тесно связано с поверхностными водами тех озер и рек, в основании которых развиты соответствующие надмерзлотные талики.

Режим надмерзлотных вод 2-го и 3-го подтипов разнообразен и определяется особенностями их залегания и питания. Водоносные горизонты 2-го подтипа в этом отношении приближаются к 1-му подтипу зимой в связи с замерзанием верхней части, когда из свободных переходят в напорные. Однако на этом их сходство заканчивается, поскольку полного замерзания водоносных горизонтов не происходит, часть воды сохраняется в жидкой фазе в течение всей зимы. Запасы воды в замкнутых надмерзлотных линзах вследствие отсутствия зимнего питания обычно невелики и носят статический характер.

Режим вод 3-го подтипа обычно тесно связан с режимом поверхностных вод, а при смешанном (поверхностном и подмерзлотном) питании - с режимом подмерзлотных вод. Тем не менее в большинстве горных рек ресурсы этих вод обычно истощаются, уровень значительно понижается. В свою очередь, надмерзлотные воды 2-го подтипа и в собственности 3-го подтипа имеют огромное значение в питании меж- и подмерзлотных вод.

Минерализация и химический состав надмерзлотных вод 2-го и 3-го подтипов предопределяются минерализацией и составом вод деятельного слоя или вод рек и озер, под которым развиты надмерзлотные талики. В соответствии с режимом промерзания в замкнутых надмерзлотных линзах наблюдается зимнее повышение минерализации и частичное изменение состава вод, вызванное отжиманием солей при промерзании верхней части водоносного горизонта. Повышение минерализации надмерзлотных вод 3-го подтипа в зимний период может быть обусловлено возрастанием роли подмерзлотных вод в их питании.

Для целей водоснабжения надмерзлотные воды малопригодны вследствие легкого загрязнения, замерзания (воды 1-го подтипа) или значительного снижения ресурсов зимой (воды 2-го и 3-го подтипов). Однако для сезонного водоснабжения они используются, а воды подрусловых надмезлотных таликов, питающиеся подмерзлотными водами, могут эксплуатироваться и зимой. Изучение надмерзлотных вод имеет большое значение при инженерно-геологических исследованиях, так как с этими водами связаны процессы изучения, наледообразования и другие отрицательные инженерно-геологические явления.

1.2 Межмерзлотные воды

В противоположность надмерзлотным водам, для которых характерна ежегодная сезонная смена твердой и жидкой фаз во времени, твердая и жидкая фазы межмерзлотных вод находятся в относительно устойчивом состоянии. Смена фаз межмерзлотных вод зависит от длиннопериодных колебаний температуры, происходит в разрезе многолетнего отрезка времени, измеряемого для северных районов, видимо, столетиями и тысячелетиями. В «холодные века» увеличивается масса мерзлых пород и сокращаются межмерзлотные талики. Наоборот, в «теплые века» талики разрастаются за счет массива мерзлых пород. Это происходит потому, что между водой в жидком состоянии мерзлыми породами, по существу, имеется глубокий антагонизм состояний: вода, отдавая свою тепловую энергию мерзлой породе, стремится вывести ее из мерзлого состояния, мерзлая порода, наоборот, поглощая тепловую энергию воды, стремится превратить воду из жидкого тела в твердое - лед.

Распространение и условия питания межмерзлотных вод во многом определяются характером талика, вмещающего эти воды. Схематизируя все многообразие таликов, встречающихся в природных условиях, можно наметить:

1. Несквозные талики, развивающиеся под промерзающими озерными котловинами, аласами, в речных террасах и конусах выноса. Горизонты межмерзлотных вод данного типа таликов имеют связь с поверхностными и надмерзлотными водами, обеспечивающими их питание.

2. Замкнутые талики, приуроченные к различным формам рельефа. Горизонты межмерзлотных вод такого типа таликов обычно представляют собой линзы и не связаны с поверхностными, надмерзлотными или подмерзлотными водами.

3. Сквозные талики. Под озерами и крупными реками равнин в условиях платформ эти талики имеют площадное распространение, их воды могут быть связаны с поверхностными, надмерзлотными или подмерзлотными. Однако при наличии выдержанных в пределах всей площади талика водоупоров этой связи может и не быть. В долинах гонных рек и зонах разломов ширина сквозных таликов во многом раз меньше их длины, они представляют собой глубокие протяженные щели, ориентированные вертикально или близко к этому. Межмерзлотные воды таких таликов питаются надмерзлотными и поверхностными или глубинными подмерзлотными водами. В долинах горных рек нередки случаи, когда межмерзлотные воды одного и того же талика в различное время года питаются то надмерзлотными, то подмерзлотными водами. Возникновение и сохранение сквозных таликов в долинах горных рек определяется интенсивным конвективным теплообменом мощного подруслового потока, обусловленным высокими фильтрационными свойствами песчано-гравийно-галечных аллювиальных отложений горных долин. Внешне эти талики фиксируются полосой лиственного леса из тополя и ивы, приуроченного к руслу и пойменной террасе, а также многочисленными нисходящими источниками, бьющими непосредственно в пределах речных пойм и низких террас. Зимой на таких участках часто возникают полыньи и крупные наледи.

Выяснено, что на востоке Якутии и в Магаданской области сквозные талики возникают в долинах рек при площадях водосборных бассейнов около 25-100 км². В горных районах большой интерес представляют также межмерзлотные воды таликов в конусах выноса. Будучи непосредственно связаны с надмерзлотными и межмерзлотными водами речных долин, горизонты подземных вод в конусах выноса находятся в весьма благоприятных условиях питания и могут содержать значительные ресурсы.

В качестве особого типа межмерзлотных вод следует выделить криопэги морских побережий и линзы криопэгов, развивающиеся у нижней поверхности мерзлой зоны. Последние типичные для тех разрезов, где мощность мерзлой зоны существенно меньше мощности пояса отрицательных температур. В частности, они описаны в районе г. Мирного в Якутии. В бассейне р. Вилюй выявлены межмерзлотные воды несквозного талика в зоне разлома.

Основное условие существования межмерзлотных таликов - динамика их вод, что сохраняет водоносные пути от промерзания. Огромная роль межмерзлотных таликов заключается в том, что они являются путями связи надмерзлотных и подмерзлотных вод, путями питания и разгрузки последних. По форме залегания межмерзлотные воды могут быть пластовыми жильными. Пластовые межмерзлотные воды обычно для таликов, сформировавшихся в горизонтально-слоистой толще пород, жильные залегают в трещиноватых породах, в зонах тектонических разломов. Следует отметить особые условия движения межмерзлотных вод в таликах, представляющих собой природные трубы овального сечения в льдистых песчаниках или грубообломочных породах. Расход воды в трубах до 100 л/с и более (поданным В.М. Максимова (1987 г.) для района Якутска и В.Т. Балобаева (1991 г.) для района Алданского щита). Узкие щелевидные талики горных речных долин несут поровые или пластовые воды в верхней части разреза, в пределах толщи аллювия, и жильные - в зоне подстилающих мерзлых пород. Все они взаимосвязаны в единую гидравлическую систему.

Режим межмерзлотных вод разнообразный. Как правило, это воды напорные. Амплитуда и характер колебаний пьезометрического уровня определяется характером таликов, условиями питания и взаимосвязи с водами других типов.

Пьезометрический уровень межмерзлотных вод несквозных таликов под промерзающими озерными котловинами, аласами, в речных террасах обычно контролируется уровнем воды в остаточном озере усыхающей котловины или уровнем воды в реке, в этих случаях амплитуда колебаний пьезометра невелика. Межмерзлотные воды полностью замкнутых таликов обычно безнапорные или слабонапорные. Высокие напоры возникают только при нестационарном тепловом и химическом режиме талика, при его промерзании. Однако и в этом случае в силу отсутствия источников питания первая же скважина приведет к излиянию воды и установлению напорного уровня не выше поверхности земли.

Наиболее сложен режим межмерзлотных вод сквозных таликов горных рек. Их воды могут быть безнапорными - нисходящими, напорными - восходящими и напорно-безнапорными с переменным направлением движения. Как правило, велики и амплитуды колебания уровней в течение года - в сквозных таликах горных районов они измеряются десятками метров. Более стабилен режим межмерзлотных вод в сквозных подозерных таликах и в долинах равнинных рек. Уровни верхних водоносных горизонтов таких таликов обычно контролируется уровнями поверхностных вод, амплитуды их невелики.

Химический состав межмерзлотных вод, так же как и режим, определяется особенностями талика, составом поверхностных, надмерзлотных и подмерзлотных вод и их взаимосвязью с межмерзлотными водами.

Воды несквозных таликов в основании промерзающих озерных котловин, под аласами, усыхающими и промерзающими озерами испытывают существенное влияние процессов криогенной метаморфизации, приводящих к возрастанию минерализации и перераспределению ионного состава в связи с выпадением отдельных солей в осадок, обменно-адсорбционными и биохимическими процессами, описанными Н.П. Анисимовой. Наиболее ярко криогенная метаморфизация проявляется в водах полностью замкнутых таликов, минерализация которых повышается от долей грамма в 1 л до 20-80 г/л, а при наличии сульфидной вкрапленности во вмещающих породах - до 250 г/л.

Температура межмерзлотных вод обычно низкая, измеряется долями градуса, иногда первыми градусами. В полностью замкнутых таликах межмерзлотные воды постепенно приобретают отрицательную температуру и не замерзают лишь в силу высокой концентрации солей. Так формируются межмерзлотные криопэги. Наиболее высокие температуры свойственны межмерзлотным водам, питающимся за счет глубоких подмерзлотных горизонтов. В частности, межмерзлотные воды зон разрывных нарушений могут быть и термальными. Воды сквозных таликов обычно испытывают меньшее влияние процессов криогенной метаморфизации и отражают в зависимости от условий питания состав надмерзлотных, поверхностных или подмерзлотных вод. Тем не менее, зимой наблюдается некоторое возрастание их минерализации, особенно характерное для вод надмерзлотного и подмерзлотного питания, в связи с подтоком глубоких и более минерализованных подмерзлотных вод.

Использование межмерзлотных вод имеет большое значение в обеспечении водой поселков и промышленных предприятий Севера. Наиболее успешно используется воды сквозных таликов в речных долинах, водозабор которых осуществляется или галереями, закладываемыми поперек подруслового талика, или скважинами, задаваемыми на всю мощность мерзлой зоны, одновременно эксплуатирующими как верхнюю часть горизонта межмерзлотных вод из аллювиальных отложений, так и нижнюю из трещиноватых пород основания. Значительные снижения уровней и ресурсов межмерзлотных вод зимой привели к разработке во ВНИИ-1 (Магадан) специальных методов регулирования ресурсов этих вод. В Якутии успешно используется и межмерзлотные воды таликов под озерными котловинами и аласами.

1.3 Подмерзлотные воды

В широком смысле подмерзлотными называют все воды, залегающими под мерзлыми породами - и непосредственно соприкасающиеся с их нижней поверхностью, и более глубокие.

По отношению к мерзлой зоне можно различать воды, залегающие в первом от ее поверхности горизонте, и воды более глубокие. В свою очередь, воды, близкие к поверхности мерзлой зоны, подразделяются Н.Н. Романовским (1983 г.), Н.А. Вельминой (1970 г.) на контактирующие, для которых мерзлые породы образуют водоупорную кровлю, и на неконтактирующие, обладающие свободной поверхностью.

По условиям залегания подмерзлотные воды, как и воды немерзлотных районов, могут быть подразделены на поровые, пластовые, трещинные, трещинно-жильные и карстовые. Возможны и промежуточные типы скоплений подземных вод. Условия залегания и особенности литологического состава водоносных горизонтов во многом определяют степень и характер воздействия мерзлой зоны на формирование подмерзлотных вод.

По характеру взаимосвязи с поверхностными, надмерзлотными и межмерзлотными водами подмерзлотные воды можно подразделить на взаимосвязанные с водами сквозных таликов и невзаимосвязанные.

Поровые подмерзлотные воды, как правило, формируются в аллювиальных отложениях, в долинах южной окраины мерзлой зоны, где мощность мерзлых пород меньше мощности аллювия.

Распространены они локально, в пределах днищ долин. Эти воды всегда взаимосвязаны с надмерзлотными и межмерзлотными, питают их атмосферные осадки или воды реки, что видно из рис. 2. Мощность и распространение мерзлых пород определяют и характер напора.

Рис. 2. Схема залегания подмерзлотных вод в аллювиальных отложениях

1 - подмерзлотные воды; 2- мерзлые породы; 3 - область питания подмезлотных вод атмосферными осадками; 4 - коренные породы; 5 - водоносные аллювиальные отложения; 6 - ручей (Мельников,..1974).

Режим такого рода подмерзлотных вод тесно связан с режимом реки и выпадения осадков и близок к грунтовым водам. Температура их обычно около нуля, но всегда положительная. На химический состав и минерализацию подземных вод аллювиальных отложений криогенный процессы существенно не влияют. Возможности загрязнения подмерзлотного аллювиального горизонта несколько ниже, чем надмерзлотного.

Пластовые подмерзлотные воды залегают в осадочных отложениях различного возраста, состава и генезиса. Они пользуются региональным распространением в пределах платформ и межгорных впадин, образуя артезианские бассейны и целые системы артезианских структур, разрез которых в той или иной степени проморожен в верхней части.

Питание подмерзлотных вод пластовых водоносных горизонтов, как правило, затруднено, особенно в условиях сплошной мерзлой зоны. Чередование водоносных и водоупорных пород, характерное для разрезов этого типа, приводит к тому, что многие сквозные талики не являются путями связи подмерзлотных вод с межмерзлотными и надмерзлотными. Отрицательно для питания пластовых подмерзлотных вод и то, что в краевой части структур, там, где пласты обнажены на поверхности и где вне мерзлотных районов как раз осуществляется перелив подземных вод в артезианские бассейны из пород горного обрамления, последние бывают глубоко проморожены и водоупорны. Таким образом, промерзание недр приводит к резкому ухудшению возможностей питания пластовых подмерзлотных вод и локализации очагов в большей степени, чем это свойственно таким же структурам, находящимся вне мерзлой зоны.

Режим пластовых подмерзлотных вод обычно напорный и более стабилен по сравнению с остальными типами подземных вод мерзлой зоны. Однако верхние горизонты пластовых подмерзлотных вод даже при сравнительно большой мощности мерзлой зоны (250-400 м) испытывают колебания пьезометрических уровней, увязывающиеся, с некоторым отставанием, с колебаниями уровней воды в реках. Это обстоятельство свидетельствует о том, что талики, которым не присущи водопроводящие свойства в силу наличия в них горизонтов водоупорных пород, обладают пьезопроводностью, обеспечивающей гидравлическую связь подмерзлотных и поверхностных вод. Отметки пьезометрических уровней часто остаются низкими, ниже поверхности земли, а во многих случаях и ниже уровня моря.

В общем случае можно констатировать, что чем больше прерывистость мерзлой зоны и меньше ее мощность, тем меньше проявляются процессы криогенной метаморфизации в составе подмерзлотных пластовых вод и тем более благоприятны условия формирования пресных вод верхних подмерзлотных горизонтов вследствие достаточного водообмена их с поверхностными надмерзлотными и межмерзлотными водами. При глубоком промерзании недр верхние пресные водоносные горизонты иногда оказываются полностью промороженными и ниже мерзлой зоны сохраняются от промерзания только криопэги. Пластовые подмерзлотныекриопэги широко распространены на территории Сибирской платформы, вскрыты на островах Северного Ледовитого океана, в артезианских бассейнах Северо-Востока СССР. Воздействие криогенного фактора на формирование криопэгов проявляется как в их низкой температуре, так и в некоторых особенностях химического состава, в частности низких содержаниях карбонатного кальция, сульфатов магния и иных отклонениях в соотношениях основных компонентов минерализации от обычных. Эти же процессы в толщах континентальных отложений при значительных колебаниях нижней поверхности мерзлой зоны приводят к опреснению верхних подмерзлотных горизонтов пластовых вод за счет отжимания вниз и выпадения в нерастворимый осадок солей при промерзании водоносных комплексов и последующего таяния относительно более пресных подземных льдов в периоды оттаивания мерзлых пород.

Трещинные подмерзлотные воды широко распространены в горно-складчатых районах, вразличного рода интрузивных и метаморфических массивах. Условия питания, формирования и ресурсы трещинных вод во многом определяются характером зоны трещиноватости, ее мощностью, региональным развитием, соотношением с мощностью мерзлых пород. Намечаются следующие три случая (рис. 3):

а) мощность мерзлых пород существенно меньше мощности зоны трещиноватости (выветривания). Подмерзлотная трещиноватость распространена регионально;

б) мощность мерзлых пород близка мощности зоны трещиноватости (выветривания). Маломощная подмерзлотная трещиноватость распространена регионально;

в) мощность мерзлых пород близка мощности зоны трещиноватости (выветривания). Маломощная подмерзлотная трещиноватость распространена локально и обычно наследует в плане очертания речных долин.

Рис. 3. Схема соотношения мерзлых пород и трещинных подземных вод в различных условиях промерзания и пересеченности рельефа (Мельников, 1974)

1 - мерзлые породы и их граница; 2 - скопления подземных вод-обводненные зоны; 3 - участки современного питания и разгрузки подземных вод; 4 - направление движения подземных вод; 5 - зоны разломов; 6 - трещиноватость;

В соответствии с распределением трещиноватости, подмерзлотные воды в массивах трещиноватых пород распространены регионально или локально. При этом наиболее обводненные зоны возникают на участках пересечения региональной трещиноватости зонами тектонических разломов, выступающих в этих случаях как естественные дренажи.

Питание подмерзлотных трещинных вод определяется степенью прерывистости мерзлой зоны. В районах прерывистого распространения в подмерзлотную зону трещиноватости могут инфильтроваться атмосферные осадки через сквозные талики в речных долинах. В районах сплошной мерзлой зоны подмерзлотные трещинные воды получают питание только через сквозные талики речных долин. Таким образом, подмерзлотные трещинные воды в основном взаимосвязаны с межмерзлотными водами сквозных таликов.

В первом случае режим трещинных подмерзлотных вод в области питания обычно безнапорный и характеризуется существенными колебаниями уровня определяющимися режимом выпадения осадков. В области стока и разгрузки эти воды приобретают напор, величина которого подвержена тем же изменениям.

Во втором случае трещинные подмерзлотные воды всегда имеют напор. Величина его контролируется уровнями воды в речных долинах, через талики, по которым осуществляется питание трещиноватой подмерзлотной зоны. Пьезометрическая поверхность большую часть года располагается вблизи поверхности земли, и только в критический водный период в связи со значительным снижением уровня воды в реках и надмерзлотных подрусловых таликах может понижаться.

В третьем случае характер режима существенно неодинаков в различных участках трещиноватой зоны и меняется сверху вниз по долине реки, хотя напорность и сохраняется. Наиболее значительные колебания пьезометрических уровней отмечаются в верховьях долин, в нижней части уровни более стабильны. Общий ход изменения уровней отвечает режиму поверхности вод.

Трещинные подмерзлотные воды с успехом используется для водоснабжения поселков и горных предприятий. Обычно летом они эксплуатируются вместе с надмерзлотными и межмерзлотными водами, а зимой оказываются единственным источником водоснабжения. Разработаны методы регулирования ресурсов и улучшения качества трещинных вод путем магазинирования поверхностных вод летом.

Трещинно-жильные подмерзлотные воды имеют локальное распространение, будучи приуроченными к зонам разломов. Питание их осуществляется либо подмерзлотными трещинными водами, либо межмерзлотными водами сквозных таликов речных долин. Взаимосвязью с трещинными подмерзлотными водами, с которыми трещинно-жильные образуют единую гидравлическую систему, определяется состав и режим последних. Исключение составляют восходящие воды глубинных разломов - термальные и минеральные (углекислые), характеризующиеся специфическим химическим составом и более стабильным режимом. Использование трещинно-жильных подмерзлотных вод перспективно, так как зоны разломов обычно обладают более высокой водоносностью чем зона трещин выветривания. Особенно водообильны разломы, пересекающие массивы карбонатных закарстованных пород.

Карстовые подмерзлотные воды широко распространены в пределах территории, сложенной карбонатными и другими легкорастворимыми породами, вскрыты многими скважинами в бассейне р. Лены, где они особенно развиты.

Питание этих вод на равнинах осуществляется через сквозные талики, расположенные в речных долинах под некоторыми воронками, а в горно-складчатых областях также и по зонам разломов. Отмечаются случаи интенсивной инфлюации в карстовые воронки небольших рек, например р. Ардьях на западе Хабаровского края. Значительно ухудшаются условия питания на тех участках карстовых плато, которые с поверхности перекрыты терригенными отложениями, особенно если мощность последних превышает глубину вреза речных долин. Тем не менее, на значительной части территории развития мерзлой зоны условия питания подмерзлотных карстовых вод относительно благоприятны.

Режим карстовых вод изучен слабо. Однако, принимая во внимание общие гидрогеологические условия территории мерзлой зоны, ограничение площади инфильтрации и инфлюации атмосферных вод, относительно короткий отрезок времени выпадения дождей, можно высказать предположение, что режим карстовых вод на территории мерзлой зоны будет еще контрастнее, чем за ее пределами. Особенно это относится к горным районам, где карстовые пустоты сочетаются с трещинами разломов и действительные скорости движения подземных вод, по данным МГУ, составляют, например, в районе Селенняхского хребта 15-25 км/год. При таких скоростях колебания уровня достигают громадных значений - 150-200 м, отражаясь на изменении дебита источников в области разгрузки (рис. 3).

Рис. 4. График изменения расхода восходящего источника подмерзлотных вод палеозойского водоносного комплекса (по данным Н.Н. Романовского (1983 г.): 1 - летний сток; 2 - зимний сток, за счет которого образуется наледь

Карстовые подмерзлотные воды успешно используются для водоснабжения крупных водопотребителей, например, в Южной Якутии.

Охарактеризовав различные типы подземных вод мерзлой зоны, следует еще раз подчеркнуть тесную связь надмерзлотных, межмерзлотных и подмерзлотных вод. Подземная гидросфера тесно связана с поверхностными водами и атмосферой (Мельников,..1974).

Таблица 1

Классификация гравитационных подземных вод мерзлой зоны (Толстихин)

Тип подземных вод	Положение в рельефе	Местонахождение водоносных пород	Основной источник питания	Преобладающие напоры, элементы режима	Температура
Над-мерзлотные	Деятельный слой (верховодка) Деятельный слой и несквозные талики Несквозные талики	Каменные россыпи и гольцы Горные склоны Плоские водоразделы ,равнины, речные террасы и поймы Равнины и речные террасы, основания склонов гор, озерных котловин Конусы выноса Под озерами Под речными руслами и низких террасах Морские побережья	Осадки, конденсация Осадки Осадки, паводковые воды Речные воды Осадки Осадки и речные долины Озерные воды Речные воды или воды сквозных таликов Осадки и воды моря	Сезонно-промерзающие, безнапорные, при промерзании могут приобретать напор, нисходящие сезонно-полупромерзающиеБезнапорные или промерзания приобретают -временный напор Непромерзающие, безнапорные или слабонапорные Безнапорные, при промерзании напорные	+ + + - (редко) - (редко) + + - + + -
Меж-мерзлотные	Полностью изолированные талики Несквозные талики Сквозные талики	В различных условиях рельефа и геологического строения Днища промерзающих озерных котловин и аласов Речные террасы Зоны разломов, пересекающие различные элементы рельефа Под озерами Долины рек Конусы выноса, зоны разломов	Питание извне не поступает Поверхностные воды Поверхностные Поверхностные воды Поверхностные воды Подмерзлотные воды Поверхностные или подмерзлотные воды. то же подмерзлотные или поверхностные воды	Безнапорные или слабонапорные Напорные Напорные Непромерзающие, безнапорные, локально-напорные Слабонапорные Напорные, восходящие Нисходящие, восходящий, переменного движения Нисходящие или восходящие Восходящие и нисходящие	- + - + + + + + + + - + -
Под-мерзлотные	Взаимосвязанные с водами сквозных таликов Не взаимосвязанные с водами сквозных таликов	Межгорные впадины Плоскогорья и горные массивы Карстовые массивы Равнины и плоскогорья платформ	Поверхностные воды Глубинные	Напорные со сравнительно устойчивым напором Напорные с сильно измененным напором То же Напорные с устойчивым режимом	+ + + + -

подземный вода талик многолетнемерзлый

2. Природа формирования и типы таликов в криолитозоне

Пространственное распространения многолетнемерзлых пород даже в самых суровых климатических условиях не является повсеместно сплошным. В криолитозоне мерзлые породы могут отсутствовать на многих участках речных долин и водоразделов, на южных склонах, под озерами, в местах концентрированной и разгрузки подземных вод или их инфильтрационного питания, под частью современных ледников, вулканическими жерлами, кальдерами, над внутриземными термическими аномалиями, связанными с окислительными реакциями и т.д.

В области сплошного распространения мерзлоты талые породы, занимающие небольшие площади и существующие непрерывно более года, называются таликами. В том случае, когда площадь талых пород оказывается сопоставим или больше площади распространения мерзлых пород, они называются таликовыми зонами или массивами талых пород. По условиям залегания таликов и таликовыхзон относительно вмещающих мерзлых порд они могут быть сквозными, пронизывающими толщу мерзлых пород насквозь, и несквозными, проникающими в мерзлую толщу на некоторую глубину и подстилаемым снизу многолетнемерзлыми породами. Нередко в разрезах криолитозоны встречаются талые и намёрзлые слои, линзы, каналы и тела другой формы, ограниченные сверху, снизу и с боков многолетнемерзлыми породами. Такие образования в литературе называются меж- и внутримерзлотными таликами.

Строго говоря, в природных условиях могут быть встречены кроме собственно таликов так называемые первичные талики, представленные породами, ранее не промерзавшими и находящимися в немерзлом состоянии. Например, известно, что под многими реками Сибири и Дального Востока., а также крупными озерами тектонического, ледникового и вулканического происхождения горные породы никогда не были мерзлыми. В условиях сплошной мерзлой толщи талики формируются и в настоящее время. Многие из них возникают под непосредственным влиянием деятельности человека восваиванием регионах криолитозоны. Таким образом, талики в криолитозоне могут иметь различное происхождение. Часть из них следует рассматривать как непрерывно существующие в процессе многолетнего промерзания, другие- как формирующиеся в настоящее время (после термического минимума позднего плейтоцена) естественным путем или под непосредственным воздействием деятельности человека.

Существует большое число классификаций таликов, которое в той или иной мере отражают природу формирования талых и немерзлых пород в области криолитозоны. В основу классификаций подразделений положены разные признаки общего и частного характера, объединяемые в сходные группы, такие как: положение в рельефа (водораздельные, долинные, склоновые), условия и степень обводнения (водоносные, водоупорные, сухие), форма и размеры ( округлые, незначительно- и сильновытянутые, таликовые трубы, воронки и т.д.), продолжительность существования (устойчвые, неустойчивые, сезонные, многолетние), особенности движения и существования подземных вод в породах (водопоглощающие, водовыводящие, водовмещающие), отношение водоносных пород к многолетнемерзлым (над- меж-, внутри- и подмерзлоные), способы теплопередачи (кондуктивные, конвективные и их сочетания), источники тепла (энергия солнца, подземные, поверхностные и атмосферные воды, внутренние тепловые потоки из недр земли экзотермическими реакции и т.д.)

Наиболее широко используется классификация Н.Н. Романовского, в которой талики по причинам их существования подразделяются на типы. Основными из них являются: радиационно- тепловой баланс на поверхности земли, в том числе подток тепла из недр за счет как кондукции, так и конвекции; отепляющее воздействие на подстилаемую поверхность водотоков , водоемов, ледников; окислительные экзотермические реакции; воздействия вулканизма и т.д. (табл. 2). Исходя из этих главных причин выделено семь типов таликов: радиационно-тепловые, гидрогенные, гидрогеогенные, гляциогенные, хемогенные, вулканогенные, техногенные (табл. 2) подтипы таликов детализируют причинную обусловленность и уточняют ее. Так, радиационно-тепловой тип подразделяется на три подтипа: радиационный, тепловой, дождевально-радиационный.

Талики радиационного подтипа формируются за счет энергии солнца, поступающей на поверхность земли. Положительные температуры пород здесь поддерживаются на участках, сложенных водонепроницаемыми породами, главным образом путем кондуктивного переноса тепла без влияния инфильтрующихся атмосферных осадков. Подобные талики наиболее широко распространены у южной границы криолитозоны с большим числом солнечных дней и малым количеством снега (Средняя Азия, Южная Сибирь, юг Дальнего Востока).

Таблица 2

Классификационная схема таликов (Н.Н. Романовский)

Источник тепла	Тип	Подтип
Экзогенный Эндогенный Полигенный	1. Радиационно-тепловой 2. Гидрогенный (водно-тепловой) 3. Гидрогеогенный (подземно-тепловой) 4. Хемогенный 5. Вулканогенный 6. Гляциогенный 7. Техногенный	Радиациональный, тепловой, дождевально-радиационный Шельфовый, подэстуариевый, подозерный, подрусловый, прирусловый Субэральный, подозерный

Тепловые талики формируются благодаря отепляющему влиянию снега (повышенной мощности и невысокой плотности), приводящему к образованию положительных температур и подошве слоя промерзания -оттаивания. Этот слой как и в таликах радиационного подтипа также обычно представлен слабоводопроницаемыми или водонасыщенными (на болотах) породами. Подобного рода талики характерны для районов с морским и умеренно-континентальным климатом с ветровым перераспределением снега (север европейской части СССР, Западная Сибирь, горные районы Южной Сибирии Дального Востока).

Тип 1. Талики дождевально-радиационного подтипа образуется под тепловым воздействием инфильтрующихся дождевых вод. Такие талики характерны для невысоких плоских водоразделов и пологих склонов, сложенных четвертичными образованиями и коренными породами с хорошими фильтрационными свойствами. Они формируются в южных районах криолитозоны с развитием с поверхности многолетнемерзлых пород, где количество летних осадков превышает 300-400мм. В отличие от всех остальных таликов данного типа дождевально-радиационные занимают наиболее значительные площади (до 50-80%) . Через подобные талики и осуществляется пополнение запасов подземных вод за счет атмосферных осадков.

Тип 2. Гидрогенные (подводно-тепловые) талики, формирующиеся в результате отепляющего воздействия водоемов и водотоков на температурный режим донных слоев горных пород. Температуры в донных породах бывают или положительными (под пресными и солеными водоемами и водотоками), или отрицательными, не превышающими точку замерзания минерализованных вод (под солеными водоемами).

Тип 3. Гидрогеогенные (водно-тепловые) талики, существующие в результате напорной восходящей фильтрации подземных вод глубокой (подмерзлотной или межмерзлотной) циркуляции по тектоническим дизъюнктивным нарушениям, пластам водопроницаемых пород, пликативных структур или раскарстованным зонам. Воды таких таликов разгружаются в виде субаэральных источников, дающих начало водотокам.

Тип 4. Хемогенные талики, возникающие в результате выделения тепла при окислительных реакциях в толще горных пород. Известны талики, приуроченные к сульфидным месторождениям и к участкам возгорания углей, как в естественном залегании, так и в отвалах.

Тип 5. Вулканогенные талики, существующие в районах активной вулканогенной деятельности под влиянием интенсивной теплоотдачи со стороны магматических очагов, выделения горячего газа, пара и вод. Этот тип таликов изучен очень слабо.

Тип 6. Техногенные талики, возникающие в результате производственной деятельности человека. К ним относятся талики, образующиеся под зданиями с повышенным тепловыделением. Часть техногенных таликов по условиям своего возникновения и характерным особенностям укладывается в выделенные классификационные градации естественных таликов. Примером могут служить талики под искусственными водоемами, участками, где изменен радиационно-тепловой обмен на поверхности земли, угольными отвалами и т.п. Подразделения техногенных таликов на подтипы, классы и т.д. в силу их слабой изученности в настоящей работе не приводятся.

В типе радиационно-тепловых таликов можно выделить два подтипа таликов.

Радиационные талики. Они образуются, когда положительная температура пород формируется под влиянием всего комплекса поверхностных условий и теплофизических особенностей горных пород в слое сезонного оттаивания - промерзания, но и без влияния инфильтрующихся атмосферных осадков. В слое сезонного промерзания в таких таликах распространены слабоводопроницаемые горные породы.

Дождевально-радиационные талики. Они образуются, когда положительная температура пород формируется под влиянием всего комплекса поверхностных условий, в том числе и привноса тепла в верхние горизонты горных пород инфильтрующимися осадками. Такие талики с поверхности на глубину, превышающую мощность слоя сезонного промерзания, сложены хорошо водопроницаемыми породами.

В типе гидрогенных (подводно-тепловых) таликов выделяются пять подтипов таликов.

Шельфовые, или субмаринные, талики. Они существуют в прибрежных участках арктических морей благодаря влиянию соленых морских вод, имеющих обычно отрицательную температуру.

Подэстуариевые талики, развитые под эстуариями и дельтами, в приустьевых участках рек, впадающих в море и испытывающих его воздействие. Причиной их развития является отепляющее воздействие речных вод при влиянии морских соленых вод, часто имеющих отрицательную температуру.