Основные закономерности влияния многолетнего промерзания горных пород на гидрогеологические условия криолитозоны

Часть II

Подземные воды территории развития многолетнемерзлых пород

Основные закономерности влияния многолетнего промерзания горных пород на гидрогеологические условия криолитозоны

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 значительно ниже – до 1000-1200 м. Именно в этом интервале глубин многолетнее промерзание влияло и влияет на гидрогеологическую обстановку.

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 (питание и разгрузка водоносных горизонтов), 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 (по Романовскому, 1983), 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. Поэтому знание геокриологической обстановки периода плейстоцена и голоцена помогает выявить основные закономерности развития водоносных горизонтов в криолитозоне.

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). 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.

АНПД приурочены к участкам, на которых уровень воды в гидрогеологических скважинах устанавливается ниже меженного уровня основной дренирующей водной артерии и даже ниже уровня Мирового океана. Например, в отдельных гидрогеологических скважинах Центрально-Якутской низменности (Вилюйская синеклиза) зафиксированы уровни подземных вод на абсолютных отметках минус 150-200 м и ниже (Подземные воды…, 2003). Причины появления АНПД до конца не выяснены, существует много гипотез их формирования. Некоторые авторы (Матусевич, 2005) склонны объяснять это явление тектоникой плит – растяжением (и сжатием) отдельных участков земной коры. Гидрогеологи-мерзлотоведы поддерживают мнение Н.И. Толстихина и В.М.Максимова (1955) о том, что низкие уровни подмерзлотных вод связаны с многолетней деградацией мерзлой толщи, при ее оттаивании снизу. Этот процесс в настоящее время преобладает над аградацией на всей территории Сибири. Скорость протаивания мерзлых пород (по Балобаеву, 1991) достигает 1-2 см/год. Появившийся при таянии льда свободный объем не успевает заполниться водой из-за низких фильтрационных свойств отдельных блоков горных пород, изолированных в силу разных причин (в том числе и промерзания) от источников питания.

Определенную роль в формировании АНПД должны играть, на наш взгляд, газогидраты – соединения природных газов с водой; их образование и распад. Во-первых, эти соединения могут длительное время находиться в метастабильном состоянии в среде, неблагоприятной для их образования − в области положительных температур; во-вторых, распад газогидратов приводит к появлению свободного газа в пустотном пространстве горных пород и снижению плотности столба жидкости, т.е. его веса, определяющего напор. Всем известен закон сообщающихся сосудов: если в них налита однородная жидкость, то уровень ее в сосудах установится на одинаковых отметках. Этим свойством нередко пользуются строители, когда для определения единого уровня используют гибкий шланг, наполненный водой. Однако, если в систему попадает воздух, положение уровня в разных коленах будет неодинаковым, в чем легко можно убедится на практике. В связи с этим явлением можно неправильно рассчитать напорный градиент в водоносной структуре, который вызывает движение (а, следовательно, и перераспределение) подземных вод.

Иногда аномальные высокие и низкие пластовые давления отмечаются в одной крупной геологической структуре, например, в Енисей-Хатангской нефтегазоносной области (Сурнин, 2002).

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. Процесс изменения химического состава и минерализации подземных вод в результате криогенеза принято называть криогенной метаморфизацией химического состава (Анисимова, 1981).

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 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.).

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. Неслучайно максимальная мощность криолитозоны – 1450 м зафиксирована в западной части Якутского артезианского бассейна (долина реки Мархи), в котором водоносный комплекс с солеными водами залегает вблизи дневной поверхности. Собственно мерзлые породы в этом районе развиты до глубины 250-300 м.

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 внутригрунтовой конденсации паров воды воздуха. Конденсационная влага пополняет ресурсы приповерхностного водоносного горизонта и может достигать величины 20-30% от инфильтрационной составляющей атмосферных осадков (Рейнюк, 1959; Климочкин, 1975; Шепелев, 1978 и др.).

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 (по Романовскому, 1983). Тепловое воздействие подземных вод проявляется в следующем: 1) в процессе своего движения воды изменяют теплофизические свойства пород; 2) их движение обуславливает возникновение конвективных потоков и перераспределение тепловой энергии в водоносных горизонтах и зонах; 3) подземные воды нередко 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.