Подземные воды криолитозоны

Зона вечной мерзлоты, или криолитозона — это зона, в которой горные породы находятся постоянно или длительное время в мер­злом состоянии на значительную глубину и имеют круглогодичные отрицательные температуры.

Эта зона отличается:

• отрицательными годовыми температурами;
• холодной сухой и продолжительной зимой;
• коротким сравнительно теплым летом;
• малым количеством осадков.

Перечисленные условия неблагоприятствуют образованию и пи­танию подземных вод. Воды криолитозоны характеризуются специфическими условиями залегания:

• существованием воды во всех трех агрегатных состояниях — твердом (лед), жидком (свободная и связанная вода) и газообразном (пар);
• взаимосвязью этих фаз между собой; с горными, мерзлыми и та­лыми породами;
• превращением хорошопроницаемых талых пород в непроница­емые сцементированные льдом водоупоры и наоборот; возникновением различных криогенных явлений.

По термическому режиму в геологическом разрезе криолитозоны выделяются следующие слои:

1. деятельный, или слой сезонного промерзания (весной оттаи­вает, зимой замерзает и сливается с вечной мерзлотой), толщиной от нескольких сантиметров до 0,3—10 м;
2. слой многолетнемерзлых пород (ММП), содержащий породы, которые длительное время сохраняют отрицательные температуры от -3 °С до -12 °С и включают прослои льда толщиной до 30 м;
3. слой талых пород (таликов) — положительно температурных пород, формирующихся за счет солнечной радиации и внутренней теплоты Земли (рисунок ниже).

Строение криолитозоны платформенных областей

толщи: I — плейстоценовые; II — верхнеголоценовые мерзлые; 1 — преимущественно песчаные водоносные породы; 2 — глинистые слабопроницаемые; 3 — породы фундамента; 4 — слой сезонного промерзания (а), многолетне мерзлые породы (ММП) и граница их распространения (б); 5 — охлажденные породы с криогалинными породами и граница их распространения; 6 — граница между плейстоценовыми и верхнеголоценовыми ММП.

В нашей стране зона ММП составляет около 50% территории. Может быть сплошной или очаговой. Толщина зоны изменяется с юга на север и с юго-запада на северо-восток от 200—500 м до 600— 700 м, а в районах Восточной Сибири толщина нередко превышает 1000 м и зависит от физико-географических, гидрогеологических условий, истории геологического развития территории.

Территорию ММП делят на три зоны:

• сплошную (мощность мерзлой толщи сотни метров, температура от -7 до -12 °С), занимающую крайний север Сибири;
• зона с таликами располагается южнее первой зоны, мощность мерзлых пород 20-60 м, температура 0,2—2 °С;
• зона островной мерзлоты занимает юг Сибири — мерзлые грунты встречаются в виде отдельных участков, мощность толщ 10—30 м, температура от 0 до -0,3 °С (рисунокниже.

Схема зональности ММП в Сибири

I — сплошная зона ММП; II — зона с таликами; III — островная зона

Понижение температуры приводит к переходу свободной воды в связанное гидратное состояние, и при наличии метана образуются газогидраты. Сформировавшиеся газовые залежи при снижении температуры вследствие охлаждения отдельных участков земной коры могут переходить, по мнению М.К. Калинко, в залежи газогидратов.

Поэтому влияние криолитозоны необходимо учитывать при бу­рении скважин, освоении продуктивных горизонтов, разработке месторождений УВ, при транспортировании нефти или газа по тру­бопроводам.

Согласно классификации Н.И. Толстихина, воды криолитозоны подразделяются на: надмерзлотные, межмерзлотные, внутримерзлотные, подмерзлотные и воды сквозных таликов.

Надмерзлотными называются такие воды, которые распростра­нены над поверхностью толщи мерзлых пород. Они подразделяются на воды сезонно-талого (деятельного) слоя и воды надмерзлотных таликов речных долин и озерных впадин. Существуя в твердом, жидком и газообразном виде, они отвечают грунтовым водам, водо­упорным ложем которых являются мерзлые породы, пустоты, трещины, поры, заполненные льдом, а сверху они ограничены про­мерзшим слоем. При дальнейшем охлаждении увеличиваются в объеме, что приводит к росту давления и образованию бугров пу­чения, подземных и наземных наледей с проявлениями термокарста. Это воды сезонные и характерны для деятельного слоя, в котором ежегодно происходят оттаивание и промерзание пород. В зимнее время воды деятельного слоя могут промерзать на всю толщину или частично. Основным источником питания вод деятельного слоя служат атмосферные осадки и воды поверхностного стока. Специ­фической особенностью гидродинамического режима надмерз­лотных вод является формирование криогенного напора или обра­зование безнапорных вод типа верховодки. Они получают питание за счет инфильтрации осадков, таяния снежников и ледников, под­питывания в результате разгрузки подмерзлотных вод. В первой по­ловине зимы эти воды промерзают; так как в этот период они нахо­дятся между двумя водоупорными слоями, то развивают значи­тельное давление и становятся напорными. По минерализации — это пресные воды, содержат ОВ и летом могут использоваться для водоснабжения, но количество их ограничено. Надмерзлотные воды в зоне таликов под влиянием переноса теплоты реками и озерами зимой обычно не замерзают и имеют постоянный сток. Эти очень холодные (температура 0,5—5 °С) используются для водоснабжения.

К межмерзлотным водам относятся воды в жидком и твердом (лед) состояниях в слоях, ограниченных сверху и снизу толщами ММ П. Эти выводы имеют гидравлическую связь с надмерзлотными и подмерзлотными водами, образуя с ними единую водоносную систему. Жидкие надмерзлотные воды обычно водонапорны, распро­странены неповсеместно, имеют отрицательную температуру, могут быть связаны со сквозными таликами в долинах рек. Высокая мине­рализация и постоянная циркуляция защищают их от замерзания, запасы вод непостоянны, к концу зимы значительно сокращаются (рисунок ниже).

Схема соотношения подземных вод и мерзлых толщ

1 — пески; 2 — гравийно-галечные отложения; 3 — суглинки; 4 — шебень и дресва; 5 — известняка; 6 — песчаники; 7 — сланцы; 8 — граница ММП; 9 — тектонические нарушения; воды: А — надмерзлотные деятельного слоя; Б — несквозного подозерного татика; В — сквозного питающего тектонического талика; Г — сквозного подруслового талика; Д — межмерзлотные; Е — внутримерзлотные; Ж — подмерзлотные контактирующие напорные; 3 — неконтактирующие подмерзлотные ненапорные.