Изменение гидрогеологических структур под воздействием многолетнего промерзания недр

Гидрогеологическая структура (ГГС) – это часть земной коры, в пределах которой подземные воды связаны в единую зональную систему и характеризуются общими условиями формирования и размещения (Кирюхин, Толстихин, 1987). 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 ГГС 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 ГГС: 1) артезианские бассейны; 2) гидрогеологические массивы и 3) вулканогенные бассейны.

Артезианские бассейны (АБ) состоят из осадочного чехла и кристаллического фундамента. Для этой структуры характерен пластовый тип вод и преимущественно центростремительный характер стока.

Гидрогеологические массивы (ГМ) сложены изверженными или метаморфизованными породами, подземные воды которых циркулируют в различного рода трещинах горных пород. ГМ могут перекрываться чехлом четвертичных отложений. Характер движения подземных вод – центробежный, поскольку в рельефе такие структуры выражены преимущественно положительными формами рельефа.

Вулканогенные бассейны (ВБ) – сложные структуры, образованные покровами вулканогенных пород, перекрывшими ГМ и АБ, т.е. это молодые по геологическим меркам образования. Для них характерно наличие трещинных вод при подчиненной роли пластовых. Вулканогенные бассейны, распространенные значительно меньше, чем ГМ и АБ, имеют разнообразные и часто сложные гидрогеологические условия.

Между АБ и ГМ существует ряд переходных структур, основными из которых являются гидрогеологические адмассивы (ГАМ) и адартезианские бассейны (АдАБ). Адмассивы по своему строению близки ГМ, они сложены древними осадочными и вулканогенными породами, сильно метаморфизованными и смятыми в складки. Однако в адмассивах наряду с трещинными сохраняются и пластовые подземные воды, в отдельных из них возможен и центростремительный сток. В адартезианских структурах осадочный чехол уплотнен и разбит системой трещин, поэтому в них кроме пластовых циркулируют трещинные и трещинно-жильные воды. В гипсометрически приподнятых АдАБ центростремительный характер стока может иногда меняться на центробежный.

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 (Матусевич, 2005, стр.14). Последний они называют бассейном трещинных вод. При этом само понятие «артезианские воды» остается. Все подземные водные резервуары территории суши этими исследователями подразделяются на бассейны трещинных и трещинно-жильных вод и бассейны пластовых вод. По условиям движения в бассейнах выделяются геогидродинамические системы. Приведенная классификация гидрогеологических структур детально разработана для Западно-Сибирского мегабассейна.

9.2.1. Промерзание гидрогеологических массивов и адмассивов.*[1]

Сплошное глубокое промерзание гидрогеологических массивов и адмассивов привело к различным гидрогеологическим последствиям, связанным с вещественным составом водоносных пород, их сложением и характером промерзания. Возможны следующие мерзлотно-гидрогеологические ситуации.

1. Мощность мерзлой зоны (мерзлой толщи) значительно больше мощности региональной трещиноватости горных пород (МЗ>>ЗРТ). В этих условиях возможны только локальные скопления подземных вод. Поскольку большая часть разреза, обладающая региональной водоносностью, проморожена, то они потеряли свое первоначальное гидрогеологическое значение и перешли в не содержащие воду геологические структуры. Такие массивы при региональном мерзлотно-гидрогеологическом картировании названы криогеологическими (КГМ) (Карта мерзлотно-гидрогеологического…, 1984).

В качестве примера КГМ можно назвать Анабарский щит, расчетная мощность мерзлой толщи которого достигает 1000 м, а также водораздельные гранитоидные массивы Верхояно-Чукотской горной страны.

2. Мощность мерзлой зоны больше или сопоставима с мощностью региональной трещиноватости горных пород (МЗ>ЗРТ). При этом максимальная глубина промерзания – до 1000 м отмечается под горными водоразделами и уменьшается до 100-300 м под днищами долин. Отличительной чертой таких гидрогеологических массивов является то, что на смену региональной водоносной зоне, характерной для гидрогеологических структур, не подвергшихся промерзанию, возникают линейные водоносные зоны, наследующие основные открытые тектонические нарушения – разломы. В условиях ограниченной неотектонической активности водоносные гидрогеологические линеаменты могут быть разобщены, и в массиве возникает несколько водонапорных систем. Преобладающим типом скопления подземных вод в этих массивах будет трещинно-жильный, а основные их ресурсы сосредотачиваться в речных долинах.

3. Мощность мерзлой зоны меньше зоны региональной трещиноватости горных пород (МЗ>ЗРТ). В этом случае влияние маломощной мерзлой толщи на гидрогеологическую обстановку будет сказываться в локализации областей питания и разгрузки подземных вод и формировании криогенных напоров. Многочисленные гидрогеологические окна (сквозные талики) обеспечивают надежное питание подземных горизонтов поверхностными водами.

9.2.2. Промерзание адартезианских бассейнов

Поскольку адартезианские бассейны отличаются от гидрогеологических массивов преимущественно центростремительным направлением подземного стока, их многолетнее промерзание происходит в условиях высокой обводненности пород и ограниченной расчлененностью рельефа. В зависимости от глубины промерзания этих структур можно выделить следующие ситуации.

1. Мощность мерзлой зоны больше мощности региональной трещиноватости, но сопоставима с глубиной вреза речной сети. Нижняя граница мерзлоты в условиях плато и плоскогорий, при относительно малой расчлененности рельефа, повторяет в сглаженном виде его рисунок. Через сквозные талики, существующих в долинах, заложенных преимущественно по зонам разломов, осуществляется взаимосвязь подземных и поверхностных вод.

В результате многолетнего промерзания и протаивания водонасыщенных пород вблизи нижней границе мерзлой толщи возникает зона дезинтеграции горных пород с высокой проницаемостью и водоносностью. Мощность ее составляет от 10-15 до 30 и более метров. Такие зоны вскрывались скважинами в пределах Верхояно-Колымской складчатой области.

2. Адартезианские бассейны более глубокого промерзания, когда зона дезинтеграции не формируется или оказывается промороженной. В этом случае эти бассейны будут близки промороженным гидрогеологическим массивам. Локально обводненные участки могут наблюдаться в прирусловых частях речных долин.

3. Мощность мерзлой зоны в адартезианских бассейнах меньше мощности региональной трещиноватости. В этом случае происходит локализация участков питания и разгрузки подземных вод по широко развитым сквозным таликам. Гидрогеологические параметры таких бассейнов мало отличаются от аналогичных структур, расположенных за пределами криолитозоны.

9.2.3. Промерзание артезианских бассейнов

Основным критерием выделения мерзлотно-гидрогеологических особенностей этих структур является соотношение мощности мерзлой зоны с мощностью осадочного чехла и содержащегося в нем пояса пресных вод.

1. Артезианские бассейны, осадочный чехол которых полностью проморожен и не содержит вод в жидкой фазе. Подземные воды могут быть вскрыты в трещиноватой зоне фундамента. Поскольку теряется основной признак артезианского бассейна – наличие межпластовых вод, то такие структуры принято называть криогеологическими бассейнами. Водоносность таких бассейнов определяется в основном несквозными таликами.

2. Артезианские бассейны или их части, мощность мерзлой зоны в которых меньше мощности осадочного чехла, но равна или больше мощности пояса пресных вод. В этом случае под нижней границей мерзлой толщи распространены высокоминерализованные подземные воды с отрицательной температурой. Отдельные линзы криопэгов могут находиться и внутри мерзлой зоны. Наличие сплошной толщи мерзлых пород затрудняет взаимосвязь подземных и поверхностных вод. Однако в оставшейся непромерзшей части разреза происходят различные гидрохимические процессы, приводящие к изменению химического состава и минерализации подземных вод. Происходят и гидродинамические изменения, связанные с промерзанием (протаиванием) областей питания и стока. В таких структурах нередко наблюдается разгрузка водоносных горизонтов, выводящих на дневную поверхность соленые воды (бассейн р. Вилюй в Западной Якутии).

3. Артезианские бассейны или их части, где мощность мерзлой зоны меньше мощности осадочного чехла и пояса пресных вод. В подобных АБ под подошвой многолетнемерзлой толщи развиты пресные подземные воды. Такие условия возникают в случаях, когда мощность криолитозоны невелика, или в осадочном чехле бассейна существует большой мощности пояс пресных подземных вод (Западно-Сибирский мегабассейн, например).

Гидрогеологическая обстановка подобных артезианских структур определяется главным образом характером прерывистости мерзлой зоны. При наличии большого количества гидрогеологических «окон» многолетнемерзлые породы не будут оказывать существенного влияния на режим и ресурсы подземных вод. В случае сплошного в плане распространения мерзлой зоны в области распространения артезианского бассейна в нем могут наблюдаться гидродинамические аномалии, связанные как с деградацией, так и аградацией мерзлоты. Наличие аномалий способствует усилению интенсивности водообмена в подмерзлотных водоносных горизонтах. Рассмотрим это явление более подробно.

Например, в процессе протаивания мерзлой толщи за счет глубинного потока тепла в верхних, ближних к ней водоносных горизонтах будет наблюдаться падение пластовых давлений, а в глубоко лежащих горизонтах, давление остается продолжительное время высоким и соответствует предыдущему максимальному промерзанию недр. Наличие градиента давлений создает условия для движения воды снизу вверх. Другой случай. Более интенсивно промерзание горных пород наблюдается при низких тепловых потоках, а при высоких потоках тепла идет медленнее. Поэтому в зонах тектонических нарушений, в которых тепловые потоки, как правило, выше, чем на прилегающих участках, величина пластового давления в результате многолетнего промерзания пород будет меньше, чем на удалении от разлома. Следовательно, будут создаваться условия для движения подземных вод в сторону тектонического нарушения. Подобная картина будет наблюдаться и при деградации мерзлой толщи.

Таким образом, динамика развития мерзлой зоны способствует усложнению гидрогеодинамической структуры артезианских бассейнов.

9.2.4. Промерзание вулканогенных бассейнов.

Вулканогенные бассейны представляют собой наложенные структуры, состоящие из вулканогенного чехла и фундамента. Последний может быть представлен чехлом осадочных пород артезианского бассейна или другими гидрогеологическими структурами. В криолитозоне вулканогенные бассейны встречаются довольно редко: Олюторский ВБ первого порядка (Корякско-Камчатская гидрогеологическая складчатая область); Путоранский ВБ второго порядка и Норильский ВБ третьего порядка (Тунгусский АБ первого порядка Восточно-Сибирской артезианской области) и некоторые другие.

В зависимости от степени промерзания ВБ можно выделить следующие ситуации.

1. Вулканогенные бассейны, чехол которых полностью проморожен. В таком случае подземные воды существуют в подстилающих вулканогенный покров гидрогеологических структурах. Поскольку мощность вулканогенного чехла обычно невелика, то в нем имеют локальное развитие сквозные талики, а гидрогеологическая обстановка в целом будет определяться особенностями подстилающих гидрогеологических структур.

2. В вулканогенном бассейне (по аналогии с артезианским) глубина промерзания пород может быть меньше мощности чехла, но больше мощности пояса пресных вод. В чехле таких бассейнов будут развиты солоноватые и соленые подземные воды с отрицательной температурой.

3. В условиях, когда мощность мерзлой зоны меньше мощности вулканогенного чехла и пояса пресных вод, в таком бассейне формируются скопления трещинно-пластовых и трещинных вод. Наличие значительного количества сквозных таликов обеспечивает взаимосвязь подземных и поверхностных вод и нередко большие ресурсы пресных подземных вод в подмерзлотных горизонтах.