Вопрос 38. Подземные воды мерзлой зоны

Обширные территории распространения многолетнемерзлых пород называют областями многолетней мерзлоты.

К многолетнемерзлым отложениям относят г/п с нулевой или отрицательной температу­рой, в которых вся содержащаяся вода или ее часть находятся в виде льда в течение длительного времени (от нескольких лет до тысяч, де­сятков и сотен тысяч лет).

Под талыми отложениями, как правило, понимают участки прота­явших или никогда не промерзавших пород, окруженных многолетнемерзлыми породами. Отсюда название талик, т.е. участок протаявшей или никогда не промерзавшей сухой или содержащей воду в жидкой фазе г/п, окруженный многолетнемерзлыми породами. Верхний слой сезонного ежегодного оттаивания и промерзания пород называется деятельным слоем.

Формирование многолетнемерзлых пород, распространение их по площади и в разрезе определяются физико-географическими условиями тепло- и влагообмена верхней части литосферы с атмосферой, кли­матом и его историей, геолого-структурной обстановкой, геологиче­ской историей развития территории в четвертичный период и гидро­геологическими условиями.

Мощность многолетнемерзлых пород различна, в общем плане она увеличивается с юга на север, составляя у южной границы их распространения первые единицы и десятков метров, в центральных частях Сибири и в горных массивах - от 600-700 до 1000-1450 м.

Н.И. Толстихин выделил три типа подземных вод, распространенных в многолетнемерзлых породах: над-, меж- и подмерзлотные.

Надмерзлотные воды. Воды этого типа залегают в толще пород, ограниченной сверху поверхностью земли, снизу – верхней границей многолетнемерзлых пород. К надмерзлотным водам обычно относят воды деятельного слоя, воды надмерзлотных таликов и криогенных образований.

Деятельный слой (по МИ. Сумгину) - слой максимального зимнего промер«ания и летнего оттаивания. Сложен он породами различного генезиса и состава. В зависимости от литологических особенностей пород, их влажности, гранулометрического состава, географического положения, климата района, экспозиции поверхности рельефа мощность его изменяется от нескольких сантиметров до 3-5 м.

Надмерзлотные воды деятельного слоя в области развития многолетнемерзлых пород широко распространены. Водоупорным основа­нием для вод деятельного слоя служит поверхность многолетнемерзлых пород. Надмерзлотные воды в летний период безнапорные. Об­ласть питания и распространения их в этот период совпадают.

В зимний период воды деятельного слоя промерзают. На одних участках воды сезонно-талого слоя промерзают полностью («сливающаяся мерзлота»), на других только частично («несливающаяся мерзлота»).

При ограничении снизу многолетнемерзлыми породами, а сверху горизонтом сезонного промерзания надмерзлотные воды увеличиваются в объеме при замерзании, что приводит к значительному повышению дав­ления. Под влиянием этого давления породы деятельного слоя в местах наименьшего сопротивления приподнимаются и выпучиваются, образуя так называемые бугры пучения, или наледные бугры.

Надмерзлотные воды деятельного слоя выходят на поверхность обычно в виде нисходящих сезонных источников на склонах пядей (лощин), озерных котловин, террас, распадков и оврагов. В области распространения многолетнемерзлых пород часто встречаются подрусловые, подозерные, присклоновые и субмаринные несквозные талики. Лодрусловые несквозные надмерзлотные талики формируются под руслами наиболее крупных рек области многолетней мерзлоты в хо­рошо водопроницаемых, преимущественно аллювиальных песчано-галечниковых и песчаных отложениях. Под руслами малых рек, имеющими непостоянный поверхностный сток, талики отсутствуют.

Мощность таликов изменяется в широких пределах: от 5 до 30 м и более. Химический состав вод в значительной степени зависит от состава речных вод и изменяется по сезонам года. Наименьшая минерализация (<0,1 г/л) отмечается весной во время весеннего паводка, в зимний период минерализация речных и таликовых вод увеличивается до 0,4-0,5 г/л.

Подозерные несквозные талики распространены под большинством озер и пересохших озерных котловин мерзлой зоны литосферы в рыхлых аллювиальных отложениях. Мощность их изменяется от несколь­ких до 50-80 м и более.

Глубина залегания подземных вод подозерных таликов неодинакова. Она зависит от глубины озера, а в пределах пересохших озерных котловин определяется мощностью вновь образовавшейся толщи многолетнемерзлых пород.

Присклоновые надмерзлотные нескозные талики обр-ся в нижней части склонов озерных котловин, речных террас и обычно встречаются в песчаных отложениях.

Питание подземных вод присклоновых таликов осуществляется надмерзлотными водами и поверхностными водами местного стока.

Присклоновые талики озерных котловин нередко соединяются с подозерными таликами, а речных террас – с прирусловыми и подрусловыми. Они выходят на поверхность в виде источников у основания склона, в подах и расподках. Дебиты источников составляют 10-20 л/с. Зимой на участках выхода источников образуются наледи.

Из надмерзлотных вод наиболее неблагоприятными для использования их в народном хозяйстве являются воды деятельного слоя. Се­зонность существования надмерзлотных вод, незначительная их мощ­ность (менее 3 м), малые запасы вод, нередко неудовлетворительные санитарные условия ограничивают возможности их использования для водоснабжения населенных пунктов, промышленных предприятий и других объектов. Тем не менее иногда они эксплуатируются населени­ем для местных хозяйственно-технических нужд.

Воды несквозных надмерзлотных таликов более широко используются для питьевого и технического водоснабжения. Наиболее благо­приятны для этой цели воды подрусловых и прирусловых многолетних нескозных таликов, которые эксплуатируются населенными пунктами.

Межмерзлотные воды – это подземные воды, залегающие и движущиеся в толще многолетнемерзлых пород. Они низкотемпературные – с температурой, колеблющейся от долей градусов до первых граду­сов. В многолетнемерзлой толще пород подземные воды связаны со сквозными и замкнутыми водоносными таликами.

Сквозные водоносные межмерзлотные татки в основном формируются под различными водоемами (руслами рек, озерами, под шельфовыми частями морей, в зонах тектонических нарушений), где сред­негодовая температура в донных отложениях для пресных вод выше 0°С, а для соляных – выше температуры их замерзания. Такого рода сквозные талики распространены в пределах всей области развития многолетнемерзлых пород, однако их количество уменьшается с юга на север. Через сквозные талики осуществляется гидравлическая связь надмерзлотных вод с подмерзлотными, приводящая как к питанию, так и к разгрузке подмерзлотных рек.

Сквозные талики подразделяются на преимущественно выводящие и преимущественно поглощающие воду. Поглощение речной воды сквозными галиками происходит обычно весной и летом, а разгрузка по поздезных вод осуществляется преимущественно зимой.

Водопоглощающие склоновые талики образуются в руслах и по берегам рек на цчастках южной экспозиции в трещиноватых осадочных породах. Такие галики являются основными путями пополнения запасов подземных вод глубоких горизонтов.

Общая минерализация и химический состав вод сквозных таликов быть самыми разнообразными. В водопоглощающих сквозных таликах, как правило, отмечаются пресные, реже солоноватые воды.

Для целей централизованного водоснабжения воды сквозных таликов имеют исключительное большое значение.

Замкнутые водоносные талики. Межмерзлотные воды встречаются в водоносных таликах, которые со всех сторон окружены многолетнемерзлыми породами. Такие талики принято называть замкнутыми. По­стоянно существуют в толще мерзлых пород только замкнутые талики, которые содержат соленую воду или рассол.

Реже в замкнутых таликах встречаются пресные и солоноватые воды, имеющие положительную температуру. Такие талики неустойчивы и существуют только определенное время. Воды замкнутых таликов большого практического значения не представляют.

Подмерзлотные воды – это подземные воды, залегающие под мерзлой толщей. Подмерзлотные воды находятся только в жидкой фазе. В зависимости от условий залегания они могут быть безнапорными, но чаще бывают напорными (артезианскими). Глубина залегания их оп­ределяется мощностью толщи многолетнемерзлых пород и гидрогео­логическими условиями. Если под толщей мерзлых пород залегают водоупорные породы, то глубина до подмерзлотных вод возрастает. В мерзлой зоне литосферы обычно глубина залегания подмерзлотных вод увеличивается с юга на север, достигая в центральных и северных районах 300-600 м и более.

Гидродинамические условия подмерзлотных вод более сложные по сравнению с артезианскими водами бассейнов, расположенных вне мерзлой зоны. Питание подмерзлотных водоносных горизонтов осуществляется на локальных участках через водопоглощающие сквозные талики. В процессе промерзания и оттаивания пород, как правило, из­меняются условия водообмена. Областями разгрузки подмерзлотных вод являются водовыводящие сквозные талики на прибрежных частях морей, под озерами, руслами рек, а также в зонах тектонических на­рушений.

Минерализация, химический и газовый состав подмерзлотных вод разнообразны. Непосредственно химический состав вод зависит от литологических особенностей вмещающих пород, наличия в разрезе соленосных отложений, характера их питания и разгрузки. Подмерзлотные воды могут быть как пресными, так и солеными и рассолами с высокой концентрацией.

Пресные подмерзлотные воды широко используются для водоснабжения населенных пунктов, промышленных предприятий и дру­гих объектов.