Особенности гидротермического режима отдельных типов таликов

Как было сказано выше, наибольшим распространением пользуются талики радиационно-теплового и гидрогенного типов (по Н.Н. Романовскому). Рассмотрим более детально некоторые из них, содержащих подземные воды.

10.2.1. Подозерные гидрогенные талики.

По условиям движения воды названных таликов встречаются в четырех классах рассмотренной классификации и по отношению к мерзлым толщам могут быть сквозными и несквозными. Если посмотреть на географические карты районов развития сплошной криолитозоны, то можно обнаружить на них большое количество озер и замкнутых понижений (аласов, хасыреев). Следовательно, с большой долей уверенности можно судить о наличии под ними таликов тех или иных размеров, содержащих в сумме огромные запасы подземных вод. Насколько они могут быть востребованы?

Подозерные инфильтрационные талики, как сквозные, так и несквозные, обнаруживаются на повышенных участках рельефа: на поверхности плато, в горах, на высоких речных террасах, сложенных хорошо фильтрующими отложениями или имеющих повышенную трещиноватость пород. Атмосферные осадки и поверхностные воды из года в год проникают в такие талики, питая подземные горизонты пресными водами. Прямым признаком инфильтрации озерной воды в талик является деформация ледового покрова в зимний период. Вследствие потери воды и падения ее уровня в озере ледяной покров оседает, и на нем появляются системы трещин, идущих параллельно берегам. Глубина мульды проседания составляет, обычно, несколько десятков сантиметров, но нередко достигает 1.0-1.5 м.

Инфильтрационные подозерные талики играют важную роль в гидрогеологии мерзлой зоны, повышая интенсивность водообмена между подземными горизонтами и атмосферой. Особенно широко такие талики распространены в зоне прерывистого распространения мерзлых толщ. В условиях сплошной криолитозоны, например, в Центральной Якутии, с инфильтрационными таликами связаны многие постоянно действующие источники подземных межмерзлотных вод, существующих в песчаных отложениях средневысотных надпойменных террас рек Лена и Вилюй.

Однако следует признать, что на большей части территории сплошной криолитозоны распространены талики с застойным режимом подземных вод в них. Это объясняется следующими причинами. В случае несквозного талика застойный характер подземных вод вполне отвечает мерзлотным особенностям. При наличии сквозной талой зоны фильтрации воды препятствуют литологические водоупоры, которые встречаются тем чаще, чем больше мощность мерзлых пород. Первыми водоупорами являются донные отложения самих озер, представленные глинистыми разностями. Поэтому, даже при наличии значительных перепадов давлений между уровнем водоносного горизонта и водной поверхностью озера, а они нередко превышают сотню метров, величина инфильтрации (в слое воды) составляет первые десятки мм/год, а то и меньше. В Якутском артезианском бассейне, в центральной его части, существует множество озер со сквозными таликами, тем не менее, в водоносных горизонтах повсеместно наблюдаются низкие и аномально низкие пластовые давления.

На севере Западной Сибири условия для инфильтрации подозерных вод в глубокие горизонты более благоприятные, чем в Центральной Якутии, поскольку там меньше мощность криолитозоны и шире распространены хорошо проницаемые песчаные отложения. Однако, здесь другая беда – слабая расчлененность и низкие отметки поверхности рельефа. Это приводит к тому, что поверхностные и подземные воды имеют практически одинаковые уровни, и отсутствует градиент напора, обеспечивающий движение воды. Интенсивность водообмена усиливается вблизи водозаборов, когда подозерный талик попадает в зону развития депрессионной воронки. Подтягивание застойных таликовых вод к эксплуатационной скважине снижает, как правило, качество питьевых вод.

В середине прошлого века решалась проблема обеспечения населения улусов Республики Саха (Якутия) питьевой водой за счет подозерных (в том числе подаласных) таликов. Было детально разведано около 200 из них. Как свидетельствуют гидрогеологи ПГО «Якутскгеология», 80-90% таликовых вод не пригодны для питьевого использования по бактериологическому показателю; 80% имели повышенное содержание аммония, 60% − железа и т. д. «Почти все водозаборы Центральной Якутии, добывающие в течение ряда лет таликовые воды для питьевых и технических целей, в настоящее время закрыты местными санитарно-эпидемиологическими станциями из-за ухудшения качества воды» (Федоров, 1989, стр. 99). Таким образом, таликовые подозерные воды без предварительной очистки могут использоваться, за редким исключением, только для технических целей.

10.2.2. Подземные воды радиационно-тепловых таликов.

Такие талики, как отмечалось выше, развиты в основном в южной геокриологической зоне. Вместе с тем интересен сам факт их появления и существование в суровых условиях сплошной криолитозоны. В Центральной Якутии среднегодовая температура воздуха по многолетним данным составляет минус 9-10°С, а температура пород на глубине нулевых годовых амплитуд чаще всего находится в пределах минус 3-4°С. Многочисленные данные натурных наблюдений свидетельствуют о достаточно широком распространении на средневысотных надпойменных террасах рек Лены и Вилюя, а также на пологих склонах водораздельных пространств участков с глубоким протаиванием грунтов и таликами. На севере Западной Сибири, в районах сплошного распространения мерзлых толщ, также встречаются отепленные участки с талыми породами.

Как показывает анализ фактического материала, для существования таликов, возникающих в субаэральных условиях, необходимы три фактора: 1) оголенная или слабо задернованная поверхность; 2) песчаный состав отложений; 3) слаборасчлененный рельеф (Бойцов, 1996; Мониторинг…, 2002). Формирование таликов, которые по классификации Н.Н.Романовского (1983) относятся к радиационно-тепловому типу, происходит на участках, где маломощный снежный покров и экспозиция пологих склонов не играют существенной роли в повышении температуры поверхности грунтов. Наличие развитого почвенно-растительного покрова ведет к снижению величины инфильтрационного питания зоны аэрации, повышению затрат тепла на испарение влаги, затенению поверхности и, чаще всего, к охлаждению грунтов. Неслучайно поэтому все известные надмерзлотные (субаэральные, по сути) талики Центральной Якутии приурочены или к лишенным растительности тукуланам – северным пустыням Якутии, или к участкам с разреженными сосновыми борами, несущими следы пожаров.

Наличие подземного стока, во-первых, обеспечивает перенос тепла с крутых более возвышенных участков рельефа на пониженные, поэтому мелкие талики формируются, как правило, в местах «перелома» профиля склонов; во-вторых, обуславливает снижение уровня надмерзлотных вод и рост мощности зоны аэрации.

Существование благоприятных условий для инфильтрации теплых дождевых вод в зону аэрации приводит, по данным большинства исследователей, к повышению температуры пород в засушливых районах криолитозоны на величину до 0.5-0.7°С (см. 6.3.6).

Важное значение в повышении температуры грунтов имеет их литологический состав, который обуславливает особый режим влажности. Мелкие и близкие к ним средней крупности пески, наряду с высокими фильтрационными свойствами, характеризуются и достаточно высокой водоудерживающей способностью. При таянии снежного покрова вся влага инфильтруется в мерзлый сухой песок (поверхностный сток отсутствует!) и распределяется в зоне аэрации. Летние дожди еще больше увеличивают влажность. Чем выше влажность грунта, тем выше его теплопроводность, следовательно, и больше тепла проходит через единицу площади сечения к подошве протаивающего слоя. Осенью, при переходе температуры воздуха через ноль градусов, жидкие осадки не выпадают, а промерзание грунтов идет очень медленно, потому что температура воздуха в этот период остается довольно высокой. За время 2-3 недели гравитационная влага успевает стечь к подошве зоны аэрации, и пески входят в зиму в сухом состоянии, при которых их теплопроводность опять становиться минимальной. Сухие пески вместе со снежным покровом обладают большим термическим сопротивлением и препятствуют интенсивному выхолаживанию нижележащих водонасыщенных грунтов.

На основе полученных данных режимных мерзлотно-гидрогеологических наблюдений в лаборатории геотеплофизики и прогноза Института мерзлотоведения СО РАН было проведено численное моделирование, результаты которого показали, что особенности динамики влажности в указанных грунтах приводит к увеличению их средней годовой температуры на 2,5-3.0°С (Шендер и др., 1996).

Приведенные факты дают основание предполагать возможность появления и существования подобных надмерзлотных таликов в случае антропогенного вмешательства в природную среду. Известно, что планировка площадок вокруг куста газодобывающих скважин производится путем создания песчаной насыпи. Если не создать на этой площадке водонепроницаемого экрана, то температура грунтов будет значительно выше по сравнению с естественными условиями по рассмотренным выше причинам.

10.2.3. Результаты натурных режимных наблюдений на водоносном склоновом талике.

Материалы по режимным исследованиям таликов весьма скудные и относятся к южным районам прерывистой криолитозоны. В области сплошной криолитозоны длительные режимные мерзлотно-гидрогеологические исследования на водоносных таликах проведены в Центральной Якутии на Чабыдинском полигоне Института мерзлотоведения СО РАН и на надпойменных террасах рек Лены и Вилюя (Бойцов, 1985, 2001; Бойцов, Лебедева, 1989 и пр.). С этими таликами связаны различные криогенные процессы. Рассмотрим некоторые результаты проведенных работ.

На территории Чабыдинского полигона существует надмерзлотный талик радиационно-теплового типа, грунтово-фильтрационного класса (по Романовскому, 1983). Площадь его в недавнем прошлом (1981 г.) составляла 58 тыс. кв. м; длина – 500, средняя ширина – 120 м, средняя мощность водоносного в весенний воднокритический период равнялась 1.2 м, максимальная – до 4 м (рис. 10.2).

а)

б)

Рис. 10.2. План и разрез водоносного талика песчаного склона

а) 1 – граница водосборной поверхности; 2 – горизонтали рельефа, м; 3-5 – мощность водоносного слоя в весенний воднокритический период, м: 3 – до 1,0 м, 4 – 1,0-2,0, 5 – 2,0-3,0; 6 – наблюдательные скважины; 7 – бугры пучения; 8 – участок расположения высотных реперов.

б) 1 – многолетнемерзлые породы; 2 – водоносные пески; 3 – уровень надмерзлотных вод осенью; 4 – пьезометрический уровень таликовых вод в период максимального промерзания; 5 – подошва сезонномерзлого слоя; 6 – зондировочные и гидрогеологические скважины; 7 – лед и вода в основании бугров пучения; 8 – пьезометрический уровень подземных вод в 2003 г.

Талик сложен однородными песками с преобладающим размером фракций около 0.25 мм. Статические запасы подземных вод талика в конце зимы оценивались в 15 тыс.м³, а осенью возрастали до 30-35 тысяч. Ресурсы водоносного горизонта формируются в основном за счет инфильтрации атмосферных осадков и, в первую очередь, талых снеговых вод. Средняя величина разгрузки подземных вод – 16, максимальная (осень) – 30 м³/сут; годовая величина стока – 5.8 тыс. куб. м. В начале нынешнего столетия произошло промерзание водоносного слоя в средней части талика, и он разделился на две неравные доли (Бойцов, 2005).

Как показали исследования, разгрузка таликовых вод в теплый период года осуществляется в грунты слоя сезонного оттаивания приозерной мари, шириной 50-100 м, и через них в озеро. Фильтрация подземных вод идет по отдельным каналам стока, глубина оттаивания которых на 20-50% выше средней на мари – 0.7-1.0 м. К середине зимы грунты маревого участка полностью промерзают и в дальнейшем весь сток консервируется в буграх пучения, формирующихся на более высоких отметках поверхности рельефа. С сезонным промерзанием водоносных отложений связан напорный режим пласта. Пьезометрический напор подземных вод достигает максимальной величины в феврале-марте, реже в апреле (рис. 10.3).

Рис.10.3. Результаты

уровенных

наблюдений на

Чабыдинском

талике

1 − многолетнемерзлые породы; 2 − перелетки мерзлых пород; 3 − средняя глубина сезонного промерзания; 4 − максимальная глубина сезонного промерзания; 5 − водоносные грунты; 6 − уровенные кривые с 1981 (1) по 1990 (10).

В первой половине зимы еще существует сток надмерзлотных вод СТС в талик с повышенных участков пологого склона, а в дальнейшем формирование уровенного режима таликовых вод идет под влиянием «криогенной» водоотдачи, которая в среднем равна 0.15 мм/сут (Мониторинг…, 2002). Высота пьезометрического напора подземных вод над кровлей водоносного горизонта достигает 3-4 м (скв. 15), а в местах его выклинивания, на пониженных участках рельефа, - до 5-6 м, т.е. на 3.0-3.5 м выше поверхности земли (табл.10.1).

Таблица 10.1