Провинция многолетней мерзлоты

Эта провинция охватывает огромные пространства относительно слабо заселенной людьми территории. Она включает всю Антарктиду, Гренландию, арктические острова, значительную часть Канады, почти всю Аляску и Сибирь и северо-восточную часть Европы. В виде островных участков она встречается в высокогорье далеко на юге. Общая площадь этой провинции достигает 35×10⁶ км² , т.е. почти 24% территории суши. В южном полушарии рассматриваемая провинция занимает только 13×10⁶ км² на территории Антарктиды и прилегающих островов. В северном полушарии она занимает 22×10⁶ км². Половина этой территории (11 ×10⁶ км²) находится в России, занимая почти 65% ее суши. Площадь собственно мерзлых земель, без таликов, занимает 7,7×10⁶ км², т.е. 45%, территории России.

Провинция многолетней мерзлоты характеризуется тем, что на ее территории существуют породы сезонного и многолетнего промерзания. Породы многолетнего промерзания распространяются на значительную глубину. Максимальная мощность достигает 2 км и уменьшается с севера на юг до нескольких метров, с увеличением среднегодовой температуры на поверхности. Они играют роль своеобразного регионального водоупора. Толщина пород многолетнего промерзания может резко меняться и даже исчезать, уступая место таликам. Последние могут быть сквозными или замкнутыми играют очень важную роль в осуществлении водообмена между водоносными породами.

Рисунок 0‑18. Зависимость вклада литогенной, биогенной и атмогенной составляющих в формирование состава грунтовых вод от клматической обстановки (по С.Л. Шварцеву, 1998)

Большая часть подземных вод зоны гипергенеза в провинции многолетней мерзлоты приурочена к глубинам сезонно промерзающего слоя, который называется деятельным.

Большая часть гидрохимических процессов в этом слое связана с криогенезом, т.е. со всей совокупностью процессов физического и химического изменения пород при их промерзании и оттаивание. Образование льда из подземной воды является самым главным процессом этого явления. Температура замерзания воды тем ниже, чем больше ее минерализация. Кроме того, как было показано выше, с увеличением физичес­кой связанности воды с породой температура ее замерзания резко падает, вплоть до -78⁰ С. Поэтому глубина вымораживания пород, т.е. доля воды перешедшей в твердое состояние, зависит от трех основных факторов: дисперсности грунта, состава подземных вод и температуры вымораживания.

Чем тоньше гранулометрический состав грунта, чем выше его дисперсность, т.е. чем выше удельная поверхность его порового простран­ства и смачиваемость минералов, тем большая часть подземной воды находится в физически связанном состоянии. Поэтому в глинах и суглинках при одной и той же температуре вымораживается меньше подземной воды, чем в песках и супесях. По этой причине промерзание и оттаивание песчаных грунтов происходит в относительно узком интервале отрицательных температур, для пресных вод от 0 до -0,2⁰ С. Напротив, в супесчаные, суглинистые и глинистые породы способны не промерзать даже при температуре -30⁰ С.

Карта распространения и мощности криолитозоны СССР (научный редактор Э.Д. Ершов,1986). Субаэральная криолитозона: 1-4 - несплошного распространения мощностью (м): 1- редкоостровного, М-0-15 м, 2- островного, М-0-20-25 m, 3- массивно-островного, М-0-50 м, 4- прерывистого, М-0-100 м, 5-15- сплошного распространения мощностью: 5-100-200 м, 6-100-300 м, 7-200-400 м, 8-300-500 м, 9-300-700 м, 10-400-600 м, 11-400-700 м, 12-500-900 м, 13-700-1100 м, 14-900-1500 м, 15-100-1000 м и более, 16- реликтовая криолитозона, залегающая на глубине Н от поверхности: а-Н до 100 м, М-до100 м; б - Н от 100 до 200 м, М - от 100-до 200 м; В - Н более 200 м, М - более 200 м. Субмаринная криолитозона: 17- островного и прерывистого распространения, М-0-100 м; 18-19- сплошного: 18-М-100-300 м, 19-М-200-400 м. Границы: 20- различной мощности криолитозоны, развитой с поверхности, 21- различной мощности субмаринной криолитозоны, 22- различной мощности реликтовой криолитозоны, 23- южная граница современного распространения криолито-зоны, 24а - южная граница реликтовой криолитозоны, 246 - возможная южная граница промерзания пород в плейстоцене

При образовании льда в его состав переходит преимущественно влага. Поэтому природные льды характеризуются очень низким содержанием минеральных компонентов. Как правило, вода образующаяся при таянии льда пресная и редко слабо солоноватая. Она всегда существенно преснее той воды, из которой лед образовался. При замерзании минеральные компоненты концентрируются в водном остатке. Поэтому при вымораживании воды температура замерзания ее остатка падает, что способствует сохранению в породе некоторого количества гравитационной воды. Чем выше исходная минерализация подземной воды, тем больше гравитационной воды в мерзлых породах не переходит в лед. Соленые гравитационные воды, сохранившиеся в толще мерзлых пород в условиях отрицательных температур, называют водами криогенного концентрирования. Подземные воды с отрицательными температурами Н.И. Толстихин назвал криопэги. Они почти всегда представлены рассолами с минерализацией от 35 до 140 г/л.

Очевидно, что чем ниже температура промерзания, тем больше связанной и минерализованной подземной воды перейдет в состав мерзлой породы. Различают три температурных интервала влагообмена при вымораживании и оттаивании. Первый интервал характеризуется наиболее интенсивным влагообменом при понижении или повышении температуры на каждый 1⁰ С. Для песков этот интервал соответствует температурам 0-0,2⁰ С, для глин - 0- -7⁰ С. Второй интервал более низких температур характеризуется замедлением влагообмена. В третьем интервале еще более низких температур влагообмен прекращается.

При промерзании и оттаивании рыхлых грунтов нарушается равновесие в распределении физически связанной воды, что приводит к подтоку влаги к фронту промерзания. Кроме того, лед занимает больший объем, чем исходная вода. Это приводит при промерзании к пучению грунтов, а при оттаивании к их просадкам.

Зимой на большей части рассматриваемой провинции деятельный слой полностью промерзает. Исключением являются талики, в которых даже зимой сохраняются воды в жидком состоянии. При промерзании могут образовываться замкнутые скопления воды, которые часто имеют напорный характер. Следствием этого может быть выпучивание грунта, образование бугров. Когда вода прорывается на поверхность, она разливается образуя наледи. Подземные воды в деятельном слое существуют в основной своей массе только в короткий летний период, который в арктических районах длится 2-3 месяца, а на юге несколько дольше. Температура этих вод даже летом едва достигает 15⁰С. Эти преимущественно безнапорные воды имеют подвижный уровень и переменное водоупорное ложе. Наиболее высокие отметки уровня грунтовых вод и их водоупорного ложа наблюдаются весной, в период таянья мерзлого грунта и снега. По мере повышения температуры и оттаивания грунта водоупорное ложе, которым служат мерзлые породы, опускается. В конечном итоге, максимальная глубина деятельного слоя относительно не велика и заметно увеличивается от 1,0-1,5 м на севере до 4 м и более на юге. Она зависит от среднегодовой температуры поверхности, ландшафта местности, характера пород и гидрогеологической обстановки. Вследствие этого в провинциях многолетнего промерзания почти отсутствует постоянная зона полного насыщения, а зона переменного насыщения часто включает в себя всю зону аэрацию вместе с почвенным слоем. Это очень важное обстоятельство обуславливает, с одной стороны, достаточно хорошее промывание почвенного слоя и пород зоны аэрации талыми водами, с другой, их активное участие в формировании состава грунтовых вод.

В относительно короткий период своего существования грунтовые воды питаются, прежде всего, талыми водами мерзлых грунтов, снежного покрова и дождевыми осадками. Атмосферные осадки в течение большей части года накапливаются в виде снега. Состав последнего, а следовательно, и талых вод выделяются щелочной реакцией (pH>7), нес­колько повышенными значениями минерализации и содержания кальция, сульфата и окисного железа. Но они содержат относительно мало двуокиси углерода. Дождевые осадки являются ультрапресными (менее 50 мг/л) гидрокарбонатными водами. Большую роль в питании грунтовых вод играет конденсация. При благоприятных условиях она обеспечивает до 80 мм инфильтрационного питания. Доля вклада атмосферных осадков в минеральный состав грунтовых вод, по оценке Л.С. Шварцева, колеблется от 8-10% в карбонатных и сульфатных породах до 30-35% в алюмосиликатных.

Грунтовые воды территорий многолетней мерзлоты выделяются низкой минерализацией и относительно высоким содержанием органического вещества и кремния. Разнообразие их состава определяется преимущественно типом вмещающих пород.

В период таянья талая вода активно вымывает растворимые компоненты почв и зоны аэрации. Поэтому по мере фильтрации наблюдается увеличение минерализации, содержания кальция и натрия, значений pH, но уменьшается концентрация кремниевой кислоты и парциальное давление двуокиси углерода. Влияние вмещающих пород зависит от их состава. Влияние алюмосиликатных пород незначительно. Грунтовые воды в них обычно гидрокарбонатно-натриевые. Содержание хлоридов и сульфатов в них незначительно, а кальций и магний почти полностью отсутствуют. Лишь в магматических породах наблюдается несколько повышенное содержание и сульфатов. Содержание SiO₂ колеблется от единиц до 30 мг/л. Обычно содержание кремниевой кислоты не превышает 10% эквивалентного состава солей. Но в отдельных случаях кремниевая кислота становится преобладающим компонентом или уступает только бикарбонату. Такие гидрокарбонатно-кремниевые воды преимущественно маломинерализованные и слабокислые имеют место на водораздельных участках, где их формирование тесно связано с вымыванием почвенных слоев. Высокое содержание кремневой кислоты в водах свидетельствует о глубоком геохимическом преобразовании минерального состава почв. С глубиной содержание кремнекислоты заметно уменьшается.

Наибольшее влияние оказывают гипсоносные и карбонатные породы. В этих химически активных породах содержание кальция и магния становится существенным. В сульфатных породах грунтовые воды становятся сульфатно-кальциевыми, а в карбонатных гидрокарбонатно-магниевыми или гидрокарбонатно-кальциевыми. Видимо, часть кальция теряется при катионном обмене, вследствие чего вода несколько обогащается натрием. Кроме того, при периодическом промерзании таких вод в осадок выпадает CaCO₃, а в растворе увеличивается роль MgCO₃.

Характернейшей чертой рассматриваемых вод является высокое количество органического вещества. Вследствие низкой биологической активности почвенной микрофлоры процессы гумусообразования в провинции многолетней мерзлоты не идут до конца, а останавливаются на начальных стадиях. Это приводит к формированию гумуса преимущественно фульвокислотного состава, более богатого кислородом и более бедного углеродом, с высоким содержанием растворимых в воде органических соединений. Поэтому значительная часть органического вещества переходит в подземные воды.

Окисление органического вещества способствует образованию и накоплению двуокиси углерода. Парциальное давление этого газового компонента обычно выше, чем в атмосферных осадках, и составляет 10^2,5 -10^3,0 Па. Часть этой углекислоты выделяется при промерзании и теряется в атмосферу. При промерзании грунтов Северной Аляски ее выделяется от 0,1 до 20 мг на литр почвы.

Артезианское питание на территории многолетней мерзлоты ограничено и локализовано в сквозных таликах. Тем не менее оно наиболее активно влияет на состав грунтовых вод.

Повышенное содержание органических кислот в присутствии кислорода, а также образование двуокиси углерода вследствие окисления органического вещества способствует формированию слабокислых (pH 6,0-6,8) подземных вод. Присутствие свободного кислорода обуславливает относительно высокий окислительный потенциал (Eh более 300 мВ). На водораздельных участках в условиях достаточно хорошей циркуляции грунтовых вод органические соединения и кремний не накапливаются в больших количествах. В низинах со слабым расчленением рельефа, в долинах рек, на участках распространения слабопроницаемых пород (глин и суглинков), где формируются относительно застойные условия, наблюдается накопление органических веществ и кремния. В таких условиях распространены преимущественно гидрокарбонатные воды с пониженным значением pH. Минеральный состав в этих водах играет подчиненную роль. Главным фактором, определяющим их свойства, является содержание и свойства органического вещества. Только карбонатные породы в этих условиях способны в определенных пределах нейтрализовать органические кислоты, способствуя формированию слабощелочных гидрокарбонатно -магниевых-кальциевых вод. Остальные воды рассматриваемой обстановки являются гидрокарбонатно-натриевыми с минерализацией менее 100 мг/л. В таких условиях наблюдается формирование глеевой среды, восстановительной при низком содержании сульфатов и отсутствии сероводорода. Для такой обстановки характерно отсутствие кислорода, повышенное содержание двуокиси углерода и даже иногда присутствие метана или водорода. Окислительно-восстановительный потенциал варьирует от +400 мВ до -500 мВ. В такой среде создаются благоприятные условия для восстановления окисных форм железа и марганца в закисную и их миграции в растворенном состоянии. Содержание закисного железа в таких водах достигает 5-10 мг/л. При попадании таких вод в окислительную обстановку образуются окислы железа и марганца, глинистые минералы, иногда, согласно Л.С.Шварцеву, даже глауконит и вивианит, органо-минеральные комплексные соединения. Многие из этих образований долгое время существуют в форме коллоидов, адсорбируя на поверхности значительное количество микрокомпентов.

Содержание разных микрокомпонентов в составе рассматриваемых вод относительно стабильно, меняется не более чем в 10 раз. Наименьшие концентрации наблюдаются в водах карбонатных и сульфатных пород, несмотря на их несколько повышенную минерализацию.

Схема образования коры выветривания на площадях, тектонически не активных. По Н. М. Страхову. 1 – свежая порода, 2 – зона дресьвы, мало измененной химически, 3 – зона гидрослюдисто-монтмориллонитово- бейделлитовая зона, 4 – каолинитовая зона, 5 – охры, Al2O3, 6 – плотный слой Fe2O3 – Al2O3.