Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
На правах рукописи
АЛЕКСЕЕВ Сергей Владимирович
КРИОГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ЯКУТСКОЙ АЛМАЗОНОСНОЙ ПРОВИНЦИИ
25.00.07 - гидрогеология 25.00.08 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук
Иркутск-2007
Работа выполнена в Институте земной коры Сибирского отделения Российской академии наук
Научный консультант: член-корреспондент РАН, профессор Евгений Викторович Пиннекер Официальные доктор геолого-минералогических наук, оппоненты: профессор Николай Никитич Романовский доктор геолого-минералогических наук, профессор Сергей Михайлович Фотиев доктор геолого-минералогических наук Игорь Сергеевич Ломоносов
Ведущая организация: Ордена Трудового Красного Знамени Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН
Защита состоится 28 июня 2007 г. в 9-00 ч. на заседании диссертационного совета Д 003.022.01 в Институте земной коры СО РАН по адресу: 664033, Иркутск, ул.
ермонтова, 128.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского научного центра СО РАН в здании Института земной коры СО РАН.
Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по указанному адресу ученому секретарю совета к.г.-м.н.
юдмиле Павловне Алексеевой.
Тел: (3952) 42-27-77, fax: (3952) 42-69-00, 42-70-00, e-mail: lalex@crust.irk.ru Автореферат разослан ЕЕЕЕЕЕ. 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат геолого-минералогических наук Л.П. Алексеева Жизнь пресных вод и жизнь соленых вод совершенно иная, и это различие выдерживается на всем протяжении ее - и в арктических, и в тропических областях.
В.И. Вернадский История природных вод, 2003, с. 1
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Во второй половине ХХ в. гидрогеология и геокриология вступили в качественно новый этап развития, связанный с освоением огромной массы нового фактического материала и пересмотром многих теоретических положений. Предметом исследований явились конкретные материальные системы. Поэтому не случайно в научном мире стали достаточно широко использоваться понятия гидрогеологическая система, геокриологическая система и/или их подсистемы. Результатом криогенеза литосферы является формирование криолитозоны и трансформация гидрогеологических (подземных водоносных) систем в криогидрогеологические (криогенные подземные водоносные), представляющие собой взаимосвязанное множество природных компонентов (почвы, горные породы, подземные воды, природные газы, биота) с характерными для них структурой, свойствами и процессами.
В последние 30-40 лет активно обсуждается проблема классификации и систематики различных (геокриологических, гляциогеологических, гидрогеологических) природных объектов. Однако классификационные схемы криогидрогеологических систем (далее КГГС) практически не разработаны.
Давно назрела необходимость рассмотреть эту часть геологического пространства как целостное образование, характеризующееся тесной взаимосвязью его составных элементов.
Поскольку история развития систем обусловлена общим ходом природных процессов на Земле, проанализировать современное строение и состояние КГГС можно, ясно представляя основные этапы их формирования. Расширение и углубление знаний об особенностях эволюции КГГС дает определенный ключ к пониманию общих закономерностей становления континентальной земной коры нашей планеты. Энергетика системы вода-порода-газ-живое вещество и массообмен в ее границах - сущность направления мировых исследований XXI века.
На современном этапе КГГС, являясь наиболее уязвимой частью литосферы, испытывают мощный техногенный прессинг. В связи с этим особую социальную и экономическую важность приобретают исследования изменения состояния систем под влиянием техногенеза с целью планирования и разработки природоохранных мероприятий.
В качестве объектов исследований выбраны КГГС Якутской алмазоносной провинции, резко различающиеся геологическим строением, тектонической активностью, мерзлотно-гидрогеологическими особенностями.
Цель работы. Создание теоретической модели эволюции криогидрогеологических систем Якутской алмазоносной провинции в позднем кайнозое под влиянием природных и техногенных факторов.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1) выполнить аналитический обзор терминологической базы гидрогеологии и геокриологии, определить содержание понятия криогидрогеологическая система;
2) обосновать принципы систематизации КГГС, разработать классификацию и определить принципы картографического отображения систем;
3) изучить геологический, геокриологический и гидрогеологический разрезы КГГС Якутской алмазоносной провинции; определить современные и палеопараметры;
4) выполнить палеореконструкции и выявить основные особенности криогенного преобразования КГГС в позднем кайнозое;
5) вскрыть специфику и оценить масштабы техногенеза систем в ходе разработки месторождений алмазов.
Методы исследований. В основу теоретических построений автора положены принципы актуализма и историзма. Научное исследование КГГС сводилось к изучению не только каждого элемента систем в отдельности, но и конкретного их сочетания как единого целого. При этом определялись зависимости, устанавливались частные и общие закономерности пространственного распределения элементов систем, выявлялись происходящие процессы и их суммарный результат воздействия на формирование систем в целом.
При решении поставленных задач использованы современные методы климатологии, геокриологии, гидрогеологии, инженерной геологии, палеогеографии, четвертичной геологии, современной и палеогеодинамики.
В ходе проведения работ применялись специальные методы изучения проб воды и образцов горных пород - атомно-абсорбционный, спектрофотометрический, хроматографический, изотопный и др. Использовались современные масспектрометры ICP; атомно-адсорбционные спектрофотометры AAS-3 и AAS-1; газожидкостные хроматографы.
Для решения вопросов формирования и эволюции химического состава подземных вод, а также количественной оценки закономерностей, наблюдаемых при гидрогеохимических процессах, применялось численное физико-химическое моделирование на основе программных комплексов HYDRGEO и FREZCHEM2.
Для прогноза миграции техногенных рассолов в толще мерзлоты использовалась трехмерная математическая модель тепломассопереноса в пористых средах.
Фактологической основой изучения КГГС явились материалы полевых и экспериментальных исследований автора, обобщенные данные разведочных работ, глубокого опорного бурения, данные по изучению режима подземных вод и мерзлых пород и др.
Научная новизна работы. В настоящей работе дальнейшее развитие получила единая концепция криогенеза литосферы Земли - синтетическое научное направление, охватывающее широкий спектр специальных дисциплин и рассматривающее геоисторический комплекс процессов, характерных для всех холодных этапов развития нашей планеты. Ценность и оригинальность полученных автором результатов заключается в следующем:
1. Выполнен аналитический обзор понятийной базы, используемой в гидрогеологии и геокриологии, систематизирована применяемая терминология, определено содержание нового понятия - криогидрогеологическая система.
Проведенная работа по унификации терминов и понятий явилась основой концептуальной базы дальнейшего развития гидрогеологии и геокриологии.
2. Впервые определены принципы систематизации и разработана классификация КГГС с использованием метода полной группы. Это дало возможность по характерным признакам выделить различные таксономические подразделения (типы, классы, группы и т.д.), сформировать полную группу эталонных типов систем, а также разрезов, отвечающих полной группе ландшафтно-климатических, геолого-структурных, мерзлотногидрогеологических условий.
3. Разработаны принципы картографического отображения КГГС, которые позволят создать карту принципиально нового содержания, раскрывающую важнейшие региональные закономерности изменения строения и свойств систем под влиянием многолетнего промерзания горных пород.
4. Уточнены и детально охарактеризованы геологический (группы, системы, отделы, свиты), геокриологический (тепловое состояние горных пород, мощность и строение криолитозоны) и гидрогеологический (основные водоносные комплексы, обводненные зоны, гидрогеохимическая зональность и геохимические типы подземных вод) разрезы КГГС.
5. Получены новые данные об изотопном составе хлоридных рассолов и впервые разработаны принципиальные схемы взаимодействия жидкой и твердой фаз в неравновесной системе рассол-лед при отрицательной температуре.
6. Определены важнейшие этапы позднекайнозойской эволюции КГГС в связи с динамикой климата, оледенениями и дегляциацией, регрессиями и трансгрессиями моря, изменением свойств горных пород и подземной гидросферы, разработана региональная схема криогенного метаморфизма подземных вод, выявлены факторы формирования их химического состава в зонах активного и затрудненного водообмена.
7. Выделен преобладающий тип техногенеза КГГС и охарактеризованы изменения их параметров в ходе освоения месторождений алмазов.
Исходные материалы и вклад автора в решение проблемы. В работе изложены результаты многолетних (1981-2006 гг.) теоретических, полевых и экспериментальных исследований, выполненных лично автором и при его непосредственном участии. Изучение КГГС Якутской алмазоносной провинции проводилось в рамках государственных научных программ 3.1.12.1.
Формирование и геологическая деятельность подземных вод Востока СССР, 4.1.01. Исследование условий формирования подземных вод и их роли в геологических процессах, 5.1.2., 5.1.3. Ресурсы, динамика и охрана подземных вод, 28.6. Экогеохимия природных и техногенных ландшафтов Сибири, гидрогеологический и гидрогеохимический мониторинг, блока 1.05.03.
Подземные воды региональной научно-исследовательской программы Сибирь, ГНТП 1.9.1. Глобальные изменения природной среды и климата, междисциплинарных научных проектов СО РАН № 74, 78, 99, 101, ежегодных экспедиционных проектов СО РАН, а также международного проекта PICS-26лMcanismes et bilans dТaltration en climats froids: tude du systme hydrologique du Bakal.
Разработка фундаментальной научной проблемы осуществлялась при финансовой поддержке РФФИ (гранты 94-05-26877, И; 97-05-74592, Р; 00-0578072, Р; 01-05-64012, Р; 04-05-64426, Р; 04-05-22000-НЦНИ, И, 06-05-03038, И), а также в составе ведущих научных школ России (гранты 96-15-98509 и НШ 9542.2006.5).
В результате многолетних исследований создан уникальный банк данных по геохимии подземных льдов (более 200 проб), подземных соленых вод и рассолов (более 1000 проб) Якутской алмазоносной провинции.
Практическое значение работы. Разработанные классификация КГГС и принципы их картографического отображения позволили существенно оптимизировать региональные мерзлотно-гидрогеологические исследования и создать основу карты принципиально нового содержания, раскрывающую важнейшие закономерности строения, свойств систем и их изменения под влиянием многолетнего промерзания горных пород.
Результаты исследования взаимодействия рассолов и мерзлых горных пород при отрицательной температуре внедрены и использованы АК АЛРОСА. Они явились основой для разработки и дальнейшей промышленной реализации способа подземного захоронения дренажных рассолов в многолетнемерзлые породы, обеспечивающего длительную бесперебойную разработку месторождений алмазов.
Созданная трехмерная математическая модель миграции высокоминерализованных стоков в многолетнемерзлых породах при их подземном захоронении позволили оценить масштабы протекания тепломассообменных процессов в толще мерзлоты, а также выполнить прогноз миграции искусственных растворов и формирования техногенных таликов.
Данные о криогенном строении и льдистости горных пород использованы Удачнинским ГОКом АК АЛРОСА при оценке устойчивости бортов алмазодобывающего карьера и в технологических схемах переработки руды на фабриках.
Апробация работы. Результаты исследований, а также основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XI, XII, XIII Всесоюзных совещаниях по подземным водам Востока СССР (Чита, 1985, Иркутск-Южно-Сахалинск, 1988, Иркутск-Томск, 1991); XIV, XV, XVI, XVII, XVIII Всероссийских совещаниях по подземным водам Востока России (Иркутск, 1994, Тюмень, 1997, Иркутск, 2000, Красноярск, 2003, Иркутск, 2006); Первом Всесоюзном съезде инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов (Киев, 1988); расширенных заседаниях Научного Совета по криологии Земли АН СССР (Москва, 1987, 1988, 1989, 1990); Третьем Международном симпозиуме Горное дело в Арктике (Санкт-Петербург, 1994); Первой, Второй, Третьей конференциях геокриологов России (Москва, 1996, 2001, 2005); Четвертом Международном междисциплинарном научном симпозиуме Закономерности строения и эволюции геосфер (Хабаровск, 1998); Пятых, Шестых, Седьмых Толстихинских чтениях (Санкт-Петербург, 1996, 1997, 1998); Международной конференции Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже III-го тысячелетия (Томск, 2000); Научно-практической конференции Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханики (Санкт-Петербург, 2002); Международной конференции Фундаментальные проблемы современной гидрогеохимии (Томск, 2004); Международной конференции Приоритетные направления в изучении криосферы Земли (Пущино, Московской обл., 2005);
Sixth, Eight, Eleventh International Symposiums on Water-Rock Interaction (Malvern, England, 1989; Vladivostok, Russia, 1995; Saratoga Springs, NY, USA, 2004); Second USA/ SIC Joint Conference on Environmental Hydrology and Hydrogeology (Washington, DC, USA, 1993); Seventh International Congress of International Association of Engineering Geology (Lisboa, Portugal, 1994); Fifth International Symposium on Cold Region Development (Anchorage, Alaska, USA, 1997); GSA Annual Meeting Science at highest level (Denver, Colorado, USA, 2002).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 72 работы, в том числе одна монография и 12 статей в ведущих рецензируемых российских и зарубежных журналах из Перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6-ти глав и заключения (280 страниц текста, 102 рисунка, 58 таблиц). Список литературы включает более 700 наименований.
Работа над диссертацией проходила при постоянном внимании и содействии научного консультанта члена-корреспондента РАН Е.В. Пиннекера.
Улучшению ее на разных этапах подготовки во многом способствовали ценные советы и критические замечания докторов геол.-мин. наук Н.П. Анисимовой, А.С.
Анциферова, М.Б. Букаты, А.А. Дзюбы, И.С. Ломоносова, Г.З. Перльштейна, Б.И.
Писарского, Н.Н. Романовского, Ю.Б. Тржцинского, С.М. Фотиева, С.Л.
Шварцева, В.В. Шепелева, кандидатов геол.-мин. наук Ф.Г. Атрощенко, В.Н.
Борисова, И.В. Климовского, С.П. Готовцева.
В организации полевых исследований значительную помощь оказали геологические службы АК АЛРОСА в лице В.А. Баинова, В.В. Бульдовича, О.Е. Васильчиковой, Л.П. Горюновой, А.В. Дроздова, Т.И. Дроздовой, А.Т.
Илькова, В.Т. Курнева, В.В. Лобанова, А.И. Миненкова, В.А. Павлова, Г.Н.
Рудаковой, В.И. Уральского, Г.П. Шмарова, а также сотрудники лаборатории гидрогеологии ИЗК СО РАН А.Ю. Климов, А.М. Кононов, А.М. Людвиг, А.А.
Стулень, А.М. Хардина. Большой объем аналитических работ выполнили специалисты-гидрохимики Л.А. Дурбан, А.Г. Томилова, Т.Ф. Данилова. Всем названным лицам автор выражает искреннюю благодарность.
Особая признательность кандидату геол.-мин. наук Л.П. Алексеевой за моральную и техническую поддержку на всех этапах подготовки диссертации.
ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Положение первое: Криогидрогеологическая система представляет собой совокупность взаимосвязанных водоносных, водоупорных или воздушно-сухих горных пород, образующих целостную структуру и претерпевших существенные изменения под влиянием цикличных процессов криогенеза.
Важнейшими признаками КГГС являются: наличие криогенных водоупоров, над- меж-, внутри- и подмерзлотных подземных вод, вод таликов и талых зон, особый режим их питания и разгрузки, специфика химического состава, массо- и энергообмена.
Непрерывный процесс развития гидрогеологии и геокриологии несомненно требует периодического осмысления применяемой терминологии, ее систематизации и совершенствования. Совершенствование терминологии состоит в уточнении и доработке систем понятий, ликвидации многозначности, неопределенности и разночтения, пересмотре фактов и принципов, лежащих в основе понятий, для которых отсутствуют точные или исчерпывающие определения. Наиболее приемлемым методом решения этой важнейшей теоретической проблемы является системный подход. По этой причине в современном научном и техническом знании система является одним из ключевых философско-методологических и специально-научных понятий.
Земля представляет собой открытую материально-энергетическую систему, верхняя твердая оболочка которой (литосфера) состоит из минерального вещества, подземных вод различного фазового состояния или других жидких компонентов, свободных газов и живого вещества с присущими им физическими полями. При этом компоненты находятся во взаимосвязи и взаимодействии. В таком понимании литосфера рассматривается как геологическая система.
В последние годы среди гидрогеологов и геокриологов широко используются понятия гидрогеологическая система, геокриологическая система и/или их подсистемы. Подходы к определению этих дефиниций изложены в работах С.Б. Вагина, В.И. Вернадского, И.К. Гавич, Э.Д. Ершова, И.К.
Зайцева, К.П. Караванова, А.А. Карцева, В.А. Кирюхина, В.Н. Корценштейна, В.А. Кудрявцева, В.М. Матусевича, А.М. Овчинникова, Н.А. Огильви, А.Н.
Павлова, Е.В. Пиннекера, А.И. Попова, Н.В. Роговской, Н.Н. Романовского, С.И.
Смирнова, Н.И. Толстихина, О.Н. Толстихина, С.М. Фотиева, Н.М. Фролова, С.Л.
Шварцева, П.Ф. Швецова, В.В. Шепелёва, И.Н. Яницкого и др.
По современным воззрениям гидрогеологическая система - это обособленный участок земной коры, состоящий из взаимосвязанных гидрогеологических тел, образующих целостную структуру и характеризующихся определенными отношениями с внешней средой. Среди гидрогеологических систем выделяются водообменные, водонапорные природные, подземные водоносные, гидрогеодинамические, гидрогеохимические системы, система вода-порода-газорганическое вещество.
Геокриологическая система рассматривается как часть теплообменной литосистемы, представляющей собой совокупность почв, пластов, массивов и жил, а также толщ горных пород, в которых и между которыми происходит теплообмен, обусловленный разностью температур на их границах.
Поскольку на верхние горизонты литосферы Земли оказывают глубокое и разнообразное влияние процессы промерзания и протаивания, охлаждения и нагревания, они приводят к фазовым превращениям в системах породаводаледпар, вода+газгидраты газовгаз+лед, образованию и разрушению кристаллогидратов солей; миграции газов и флюидов, изменению состояния и свойств систем, объединяемых фундаментальным понятием криогенез (Романовский, 1993). Сфера проявления криогенеза весьма обширна. Она включает территории с мерзлыми и охлажденными породами под морями, ледниками, а также на континентах. Результатом криогенеза литосферы является формирование криолитозоны и трансформация гидрогеологических (подземных водоносных) систем в криогидрогеологические (криогенные подземные водоносные).
Физической основой любой КГГС является геологическая среда, состоящая из двух важнейших компонент. К первой компоненте относятся дисперсные, магматические, метаморфические, литифицированные осадочные и осадочно-вулканогенные горные породы. Вторую компоненту образуют подземные воды различного фазового состояния (жидкого, твердого и газообразного).
Основными характеристиками КГГС являются: 1) границы, 2) свойства элементов и системы в целом, 3) структура, 4) характер связей и взаимодействий между элементами и внешней средой.
Границы - это поверхности, при пересечении которых геокриологические и гидрогеологические признаки терпят разрыв. В ряде случаев геокриологические и гидрогеологические границы могут не совпадать с границами геологическими.
К геокриологическим границам принадлежат: граница раздела фаз, кровля или подошва многолетнемерзлых пород, контуры эпи- и синкриогенных пород, широтная и высотная границы распространения криолитозоны и т.д.
Гидрогеологические границы включают: границы водоносных горизонтов, комплексов, бассейнов, формаций, геофильтрационных сред, области создания напоров, стока и разгрузки подземных вод, геохимические барьеры, границы гидрохимических зон и др.
Свойства элементов и системы отражаются в характеристиках и признаках.
Количественные характеристики называются показателями. Свойства и их показатели изменяются в пространстве, а многие из них - и во времени.
Структура системы определяется соотношением в пространстве и во времени слагающих ее элементов и их связей. Ее формируют мерзлые, морозные, охлажденные, газогидратные горные породы в сочетании с водоносными горизонтами, комплексами, обводненными зонами, а также водоносными (гидрогеологическими) формациями. Важнейшими структурными элементами КГГС являются криогенные водоупоры, формирование которых связано с промерзанием обводненных горных пород. В отличие от литологических водоупоров их общая мощность может достигать 1000 м и более. По отношению к мерзлым горным породам самостоятельные категории образуют над- меж-, внутри- и подмерзлотные подземные воды, воды таликов и талых зон.
На протяжении всех холодных этапов развития Земли подземные воды и горные породы находятся в тесной взаимосвязи и непрерывном взаимодействии.
Взаимодействия между элементами системы и с внешней средой представляют собой разнообразные формы энерго- и массообмена, т. е. различные криогидрогеологические процессы, происходящие в системе. Они проявляются в виде различных форм движения - теплопередачи (конвективный и кондуктивный перенос тепла), фильтрации и инфильтрации подземных вод, диффузии, осмоса, ионного обмена, окислительно-восстановительных и биохимических реакций, гидролиза и сорбции, растворения и выщелачивания пород и минералов, кристаллизации солей.
При этом наблюдаются непрерывные превращение энергии и перенос вещества, т. е.
смена состояния системы во времени или ее режим.
Формирование криогенных водоупоров приводит к локализации областей питания и разгрузки, смене положения уровней и величины напора, направления и скорости движения подземных вод, уменьшению гидравлической емкости водовмещающих горных пород и темпов водообмена. Частичное или полное промерзание водоносных горизонтов, комплексов, обводненных зон трещиноватости обусловливает взаимосвязь поверхностных и подземных вод главным образом через систему таликов. При переходе воды в лед формируются кристаллогидраты солей, неустойчивые при положительной температуре, происходит концентрирование жидкой фазы, изменяется состав и растет минерализация подземных вод. Криопэги, охлаждая вмещающие горные породы, увеличивают мощность криолитозоны.
Особое значение при изучении КГГС имеет четкое представление о связях между элементами. В результате прямых связей - воздействия всех природных факторов (динамики теплообмена между литосферой и атмосферой) формируются температурный режим КГГС, мощность и криогенное строение мерзлых толщ (криотекстура, криоструктура, мономинеральные залежи льда), геохимические особенности подземных вод, особенности их питания и разгрузки. При этом происходит физико-химическое преобразование горных пород, изменяется термодинамическое состояние системы в целом.
Взаимодействуя с внешней средой, КГГС изменяется сама и меняет внешнюю среду, в результате формируются так называемые обратные связи.
В последние десятилетия большое внимание ученых различных областей знаний уделяется проблеме самоорганизации материи в динамических неравновесных системах. Возникшая наука синергетика позволила исследователям по-новому взглянуть на основные проблемы развития живой и неживой природы. Ее идеи активно проникли и в геологию (Щербаков, 1990;
Конторович, 1991; Летников, 1992, 1993; Чернавский, 2001, Шварцев, 1995, 1997;
Геологическая эволюцияЕ, 2005 и др.). На их основе сформулированы основные положения синергетики геологических систем и доказано, что геологические системы относятся к разряду открытых, нелинейных, динамически активных, постоянно обменивающихся веществом и энергией с окружающим пространством. Обладая признаками самоорганизации, геологические системы способны выбирать один из возможных путей их эволюции, сопровождающийся уменьшением энтропии. Этот процесс возможен только при условии обмена геологических систем веществом и (или) энергией с окружающей средой.
Криогидрогеологические системы по всем параметрам удовлетворяют критериям самоорганизации. Их равновесно-неравновесный характер проявляется в разрушении водой горных пород различными механизмами, образовании новых минеральных фаз, органических соединений, геохимических типов воды и т.д.
Положение второе: В основу классификации КГГС положен структурногенетический принцип, учитывающий набор соподчиненных признаков:
соотношение систем с наземными оболочками Земли, строение природных емкостей подземных вод, распространение мерзлых толщ, степень открытости систем, пространственное отношение структурообразующих элементов, особенности скоплений подземных вод в коллекторах, физикохимические свойства водных растворов. Использование этого принципа позволяет упорядочить множество систем, выявить основные закономерности их формирования и эволюции.
В последние 30-40 лет проблема классификации и систематики различных (гидрогеологических, геокриологических, гляциогеологических) систем активно обсуждается в научном мире. В ряде работ изложены научные основы и подходы к классификации этих природных объектов, определены таксономические единицы и признаки, предложены схемы типизации (Вельмина, 1970; Гавич, 1988;
Ершов, 1990; Зайцев, 1986; Караванов, 1980, 1986, 1995, 1996; Карцев и др., 1971;
Карцев, Вагин, Матусевич, 1986; В. Кирюхин, Н. Толстихин, 1987; Овчинников, 1961; Общее мерзлотоведение, 1974, 1978; Основы гидрогеологии. Общая гидрогеология, 1980; Пиннекер, 1977; Романовский, 1966, 1968, 1983;
Романовский, Афанасенко, Волкова, 1985; Степанов, 1989; Н. Толстихин, 1941; О.
Толстихин, 1974; Фотиев, 1978; Фролов, 1983а, 1983б; Швецов, Киселев, 1979, Швецов, 1987; Шепелев, 1982, 1997; Ясько, 1978 и др.).
Несмотря на пристальное внимание ученых к этой проблеме, многие теоретические вопросы далеки от своего решения. Учитывая это обстоятельство, автор поставил перед собой задачу восполнить существующий пробел, опираясь на главные принципы и положения системного подхода.
Построение классификации КГГС выполнено дедуктивно путем использования метода полной группы, заключающегося в том, что вместо исследования одной системы, затем второй, третьей и т.д. изучается множество систем и потом оно сокращается до более рациональных пределов. В итоге формируется иерархическая классификационная схема в виде взаимоувязанной (взаимосогласованной) системы таксонов различного уровня (рис. 1). Таксонные категории выделены по качественным и количественным признакам. Каждый таксон занимает строго определенное место в таблице, образованное пересечением вертикальной и горизонтальной осей.
Классификация криогидрогеологических систем построена на основе учета следующих признаков.
Первый признак. Приуроченность к воздушной, ледовой и водной оболочкам Земли. По этому признаку выделены субаэральные (СбА, индекс А), существующие в верхней части земной коры, субгляциальные (СбГ, индекс Б) - под ледниками и субмаринные (СбМ, индекс В) - под акваторией Полярных бассейнов - типы КГГС.
КРИОГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Т И П Ы А Б В I П АI БI BI О II АII БII BII АIII БIII BIII III Т АIV БIV BIV IV И АV БV BV V П АVI БVI BVI Ы VI КЛАССЫ п а б в г д е а б в г д е а б в г д е о д 1 д1 д1 да1 б1 в1 г1 е1 а1 б1 в1 г1 е1 а1 б1 в1 г1 ек л д2 д2 да2 б2 в2 г2 е2 а2 б2 в2 г2 е2 а2 б2 в2 г2 еа 3 д3 д3 да3 б3 в3 г3 е3 а3 б3 в3 г3 е3 а3 б3 в3 г3 ес ы ГРУППЫ а в г д а в г д а в г д б б б п 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 о д 11 а 1 б 1 в 1 г 1 д 1 а 1 б 1 в 1 г 1 д 1 а 1 б 1 в 1 г 1 д 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 г а 2 б 2 в 2 г 2 д 1 а 2 б 2 в 2 г 2 д 2 а 2 б 2 в 2 г 2 д 21 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 р у 31 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 а 3 б 3 в 3 г 3 д 1 а 3 б 3 в 3 г 3 д 3 а 3 б 3 в 3 г 3 д 41 а 4 б 4 в 4 г 4 д 1 а 4 б 4 в 4 г 4 д 4 а 4 б 4 в 4 г 4 д п 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ы ВИДЫ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 а б в г а б в г а б в г 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 п а 1 б 1 в 1 г 1 а 1 б 1 в 1 г 111 1 1 1 1 1 1 1 а 1 б 1 в 1 г 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 о 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 а 2 б 2 в 2 г 2 а 2 б 2 в 2 г 211 1 1 1 1 1 1 1 а 2 б 2 в 2 г 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 д 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 в а 3 б 3 в 3 г 3 а 3 б 3 в 3 г 311 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 а 3 б 3 в 3 г 1 1 1 1 1 1 1 и 411 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 а 4 б 4 в 4 г 4 а 4 б 4 в 4 г а 4 б 4 в 4 г 4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 д 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ы а 5 б 5 в 5 г 5 а 5 б 5 в 5 г 511 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 а 5 б 5 в 5 г 1 1 1 1 1 1 1 Рис. 1. Соподчиненность (иерархия) таксонов от типа до подвида в классификационной схеме КГГС.
Второй признак. Строение резервуаров или природных емкостей подземных вод. В качестве подтипов субаэральных КГГС выделены криоартезианские, криоадартезианские бассейны (КАБ, КАдБ, индекс I), криогидрогеологические массивы, адмассивы, криогенные напорные бассейны (КГМ, КГАдМ, КНБ, индекс II), постартезианские бассейны трещинных вод (КПАБ, индекс III), криогипергенные бассейны (КГБ, индекс IV), криовулканогенные бассейны (КВБ, индекс V), карстовые криобассейны (ККБ, индекс VI).
В качестве подтипов субгляциальных КГГС рассмотрены аналогичные природные емкости подземных вод (индексы I-VI). На современном уровне знаний их выделение большей частью носит прогнозный характер, поскольку гидрогеология ледниковых щитов и подстилающих их горных пород находится в стадии изучения.
К подтипам субмаринных КГГС относятся прибрежно-шельфовые резервуары подземных вод (индексы I-VI), находящиеся ниже уровня моря. Они прослеживаются от примыкающей к морю суши до материкового склона, охватывая шельф. Субокеанические системы дна Мирового океана в классификации не рассмотрены.
Третий признак. Процентное соотношение площадей мерзлых и талых пород. По этому признаку выделены классы КГГС: сплошного (площадь мерзлых пород 95-100 %) промерзания (индекс а); слабопрерывистого (75-95 %) промерзания (индекс б); сильнопрерывистого (50-75 %) промерзания (индекс в);
массивно-островного (25-50 %) промерзания (индекс г); островного (5-25 %) промерзания (индекс д); редкоостровного (0-5 %) промерзания (индекс е).
Четвертый признак. Степень открытости гидрогеологических систем. Для характеристики подклассов КГГС использованы понятия открытый, частично открытый и закрытый (индексы 1-3).
На основе пятого признака КГГС подразделены на группы по пространственному отношению подземных вод к мерзлым породам.
Самостоятельные категории образуют системы с надмерзлотными водами сезонноталого слоя (индекс а1), межмерзлотными (индекс б1), внутримерзлотными (индекс в1), подмерзлотными водами (индекс г1), водами таликов и талых зон (индекс д1).
К шестому признаку относятся элементарные коллекторы подземных вод - поры, каверны, трещины и жилы. По особенностям скопления подземных вод в коллекторах выделены подгруппы КГГС с поровыми (индекс 11), каверновыми (индекс 21), трещинными (индекс 31), жильными (индекс 41) подземными водами.
Та или иная комбинация коллекторов образует более сложные варианты.
Седьмой признак. Величина минерализации подземных вод. По этому признаку выделены виды КГГС, в разрезе которых преобладают пресные (<1.г/дм3, индекс а11), солоноватые (1.0-10.0 г/дм3, индекс б11), соленые (10.0-36.г/дм3, индекс в11), рассольные (36.0-500.0 и выше г/дм3, индекс г11) подземные воды. Зональность по величине минерализации может иметь инверсионный характер.
Восьмой признак. Физическое состояние воды - температура. По этому признаку можно выделены подвиды КГГС с наличием криопэгов (криогалинных вод) (индекс 111), холодных (индекс 211), теплых (индекс 311), термальных вод (индекс 411), и парогидротерм (индекс 511).
При таком подходе к классификации число выделенных по восьми признакам разновидностей КГГС представляет их полное множество. Каждый признак увеличивает количество возможных систем согласно их иерархии. В результате формируется строгая решетка, заполненная конкретными объектами с соответствующим индексом.
На современном этапе выделение некоторых категорий КГГС может носить прогнозный характер, поскольку их характеристика зависит от степени изученности КГГС, а также уровня наших знаний о подземной гидросфере и криолитосфере Земли в целом.
Предложенная классификация позволяет усовершенствовать подходы, методы и приемы картографического отображения систем.
Таксоны высшего порядка отражаются в названиях и соответствующих индексах. Границы между КАБ, КАдБ и КГМ, КГАдМ проводятся по линии контакта между чехлом и фундаментом на поверхности. Граница между двумя смежными КАБ, КАдБ определяется поднятием фундамента типа антеклиз на платформах и антиклинальных структур в складчатых областях. Также она может быть проведена по оси резкой смены формаций, например, карбонатной на терригенную.
Процентное соотношение площадей мерзлых и талых пород, а также прерывистость мерзлых толщ показывается цветом. Степень открытости КГГС выделяется крапом. Пространственное отношение подземных вод к мерзлым породам характеризует тип штриховки (одинарная, двойная, пунктирная, штрихпунктирная и т.д.).
Тип коллекторов отражает угол наклона штриховки. Величина минерализации и температура подземных вод показываются соответствующими индексами. В числителе: П - пресные, Сл - солоноватые, С - соленые, Р - рассольные воды. В знаменателе: Кр - криогалинные, Х - холодные, Т - теплые, Тр - термальные воды, Прг - парогидротермы.
Положение третье: В соответствии с разработанной классификацией в пределах Якутской алмазоносной провинции выделяются Анабарская, ОленекМархинская и Вилюй-Ботуобинская КГГС. Анабарская система приурочена к выступу фундамента, а Оленек-Мархинская и Вилюй-Ботуобинская - занимают часть Сибирской платформы. КГГС характеризуются сложным сочетанием мерзлых, морозных и охлажденных горных пород, различными типами скопления подземных вод (трещинно-жильных и пластовых), контрастной гидрогеодинамической и гидрогеохимической зональностью.
Комплекс природных факторов определяет современное квазистационарное состояние криолитозоны мощностью до 1500 м.
Анабарская КГГС расположена в северной части Якутской алмазоносной провинции. Она приурочена к одноименному структурному выступу Сибирской платформы, в ядре которого обнажены кристаллические и метаморфические породы архея и протерозоя. Древнейшие магматические породы (граниты и анортозиты) связаны с архейскими и частично с протерозойскими циклами вулканизма, а молодые - представлены сибирскими траппами пермотриасового возраста (рис. 2).
Оленек-Мархинская КГГС находится в центральной части Якутской алмазоносной провинции. В структурном плане она занимает западный, южный и восточный склоны Анабарской антеклизы. Здесь повсеместно распространены терригенно-карбонатные отложения кембрия, перекрытые на юго-западе аналогичными толщами ордовика-карбона и вулканогенными образованиями триаса. Соленосные и гипс-ангидритовые толщи отсутствуют. Кимберлитовые поля образуют широкую полосу северо-восточного направления. Трапповая формация представлена штоками и дайками долеритов нормального ряда.
Вилюй-Ботуобинская КГГС расположена на юге провинции в пределах Сюгджерской (Ботуобинской) седловины, разделяющей Тунгусскую и Вилюйскую синеклизы. Седловина сложена галогенно-карбонатными и вулканогенно-осадочными толщами нижнего и среднего палеозоя.
Верхнепалеозойские отложения выполняют склон Тунгусской синеклизы на северо-западе, а мезозойские - окраинную часть Вилюйской синеклизы и Ангаро-Вилюйский наложенный прогиб. Магматические породы формируют силлы и дайки долеритов, вулканические трубки диабазовых туфов, туфобрекчий, трубчатые тела и жилы кимберлитовых пород.
о о о о о о 96 102 108 114 120 1о I Рис. 2. Положение о Якутской алмазоносной провинции на Сибирской платформе.
II Криогидрогеологические системы: I - Анабарская, II - Оленек-Мархинская, III - Вилюй-Ботуобинская.
о Точками показаны III кимберлитовые поля.
100 0 100 200 км Анабарская, Оленек-Мархинская, Вилюй-Ботуобинская КГГС находятся в северной геокриологической зоне и характеризуются сплошным распространением многолетнемерзлых пород. Суровые климатические условия, высокая теплопроводность (2-6 Вт/(м.К)) горных пород в сочетании с крайне низким (8-25 мВт/м2) тепловым потоком обусловили формирование уникального теплового поля, характеризуемого низкими температурами земных недр и малыми градиентами (Балобаев и др., 1983).
В пределах Анабарской КГГС среднегодовая температура горных пород достигает -13Е-15 С. Общая мощность криолитозоны по различным оценкам составляет 1000-1500 м (Геокриология СССР. Средняя Сибирь, 1989). По данным Института мерзлотоведения СО РАН тепловое поле геологического разреза Оленек-Мархинской КГГС характеризуется значительной изменчивостью.
Среднегодовая температура горных пород составляет -2.9Е-8.8 С, а мощность криолитозоны достигает 1450 м. В пределах Вилюй-Ботуобинской КГГС температура горных пород на подошве слоя годовых теплооборотов повышается до -1.2Е-4.0 С, а положение нулевой изотермы фиксируется на глубине 200-8м.
Автором установлено, что криогенное строение горных пород определяют литолого-петрографические и тектонические факторы. В пределах Анабарской КГГС многолетнемерзлые коренные породы представляют собой совокупность разобщенных блоков и глыб, связанных льдом и дисперсным материалом. Они характеризуются унаследованными трещинными и трещинно-жильными криогенными текстурами.
В Оленек-Мархинской и Вилюй-Ботуобинской КГГС мерзлые терригеннокарбонатные породы с ненарушенным залеганием имеют трещинные, пластовотрещинные, пластово-трещинно-поровые, пластово-трещинно-карстовые криогенные текстуры. В зонах тектонического дробления преобладают трещинные, трещинно-жильные и базальные криогенные текстуры. Горизонты повышенной трещиноватости распределены по глубине крайне неравномерно.
Эпигенетическое промерзание многолетнемерзлых толщ различного литологического состава и сложения определило многообразие типов льдообразования - цементного, сегрегационного, инъекционного, инфильтрационного и сублимационного.
Согласно схеме районирования Восточно-Сибирской артезианской области Анабарская КГГС представляет собой КГМ, в пределах которого зона региональной трещиноватости проморожена до глубины 50-200 м. Считается, что ниже по разрезу ее сменяют толщи морозных безводных пород. Подземные воды могут быть встречены только в слое сезонного оттаивания и в несквозных таликах, приуроченных к долинам рек (Фотиев и др., 1974; В. Кирюхин, Н.
Толстихин, 1987; Мерзлотно-гидрогеологическиеЕ, 1984).
Результаты гидрогеологических исследований последних лет, выполненных на флангах Анабарской КГГС, свидетельствуют о возможном наличии пресных подмерзлотных подземных вод в ее пределах. Ярким примером может служить плутон Томтор - уникальное месторождение редкометальных руд, расположенное приблизительно в 180 км к востоку от Анабарского щита.
Скважинами на глубинах 166-414 м вскрыты пресные напорные подмерзлотные воды (Солопанов, Толстов, 1996).
Кроме того, не исключена возможность формирования рассолов в кристаллических породах Анабарской КГГС в периоды оледенений и трансгрессий моря.
Таким образом, в пределах Анабарской КГГС, вероятно, можно выделить три альтернативных типа строения криогенной толщи (КТ-1, КТ-2, КТ-3), характеризующихся сочетанием мерзлых, морозных и водоносных горных пород (рис. 3).
Оленек-Мархинская и Вилюй-Ботуобинская КГГС расположены в зоне сочленения Якутского и Тунгусского КАБ и являются таксонами второго порядка.
Гидрогеологический разрез Оленек-Мархинской КГГС наиболее детально изучен в пределах разрабатываемых месторождений алмазов. Вопросами гидрогеологического районирования и стратификации занимались гидрогеологипроизводственники Айхальской, Мирнинской ГРЭ ПНО Якуталмаз, ПГО Якутскгеология и Ленанефтегазгеология. Полученный обширный фактический материал в совокупности с данными автора позволяет охарактеризовать гидрогеологические параметры рассматриваемой системы.
В Оленек-Мархинской КГГС зона активного водообмена полностью проморожена. Незначительные скопления пресных подземных вод свойственны породам слоя сезонного оттаивания, а также несквозным гидрогенным таликам.
Температура пород, С -15 -12 -9 -6 -3 0 36912Н, м 151 4 5 Рис. 3. Возможное строение криогенной толщи Анабарской КГГС 1 - ярус мерзлых горных пород; 2 - ярус охлажденных пород; 3 - ярус морозных пород; 4 - породы с положительной температурой, содержащие пресные воды; 5 - породы с положительной температурой, содержащие высокоминерализованные воды; - воздушно-сухие породы с положительной температурой. Штрихпунктирной линией показано изменение гипотетической температуры горных пород с глубиной.
В вертикальном разрезе зоны активного водообмена выделены две гидрохимические зоны: А) гидрокарбонатных, гидрокарбонатно-хлоридных кальциево-магниевых и магниево-кальциевых подземных вод в твердой фазе с минерализацией менее 1.0 г/дм3; Б) хлоридных кальциево-магниевых и магниевокальциевых подземных вод в твердой фазе с минерализацией 2.0-12.0 мг/дм3. В центральной части Оленек-Мархинской КГГС мощность зоны А изменяется от (в днищах долин) до 180 м (на водоразделах). Мощность зоны Б составляет 30-м.
В разрезе зоны затрудненного водообмена выделены гидрохимические зоны В и Г. В состав зоны В (соленых вод, слабых и крепких рассолов) входят подземные воды верхнекембрийского водоносного комплекса, глубина вскрытия которого изменяется от 90 до 700 м. Среди плотных непроницаемых слоев вскрыты пласты-коллекторы трещинно-порового типа. Водоносный комплекс характеризуется низкой водообильностью. Коэффициент водопроводимости изменяется от n10-2 до n10-4 м2/сут. В зонах тектонического дробления его значения превышают 7.0 м2/сут. Подземные воды имеют хлоридный магниевокальциевый и кальциево-магниевый состав. Их минерализация изменяется от до 252 г/дм3 при среднем значении 90 г/дм3. Мощность зоны не превышает нескольких десятков метров.
Зона Г (крепких и весьма крепких рассолов) объединяет подземные воды средне-, нижнекембрийского и верхнепротерозойского водоносных комплексов.
Ее мощность превышает 2000 м. Фильтрационные параметры водосодержащих пород характеризуются существенной неоднородностью. Коэффициент водопроводимости изменяется от 1-2 до 60 м2/сут. Преобладают поровые, каверново-поровые и трещинно-поровые пласты-коллекторы. Рассолы этой зоны геохимически едины. Ведущим анионом является хлор, а среди катионов доминирует кальций. Минерализация подземных вод изменяется от 224 до 4при среднем значении 324 г/дм3, возрастая с глубиной залегания водоносных комплексов.
Соленые воды и рассолы кимберлитовых трубок по составу идентичны водам вмещающих осадочных отложений.
Полученные автором данные позволили уточнить и детализировать геокриологический и гидрогеологический разрезы Оленек-Мархинской КГГС. В целом криолитозона имеет трехъярусное строение (рис. 4). До глубины 70-600 м залегают многолетнемерзлые горные породы, которые сменяются ярусом морозных пород мощностью 30-50 м. Ниже по разрезу до глубины 720-1450 м находится ярус охлажденных пород, заполненных отрицательнотемпературными водами. Оленек-Мархинская КГГС имеет прямую гидрогеохимическую зональность, характеризующуюся последовательным увеличением минерализации подземных льдов и вод с глубиной.
Систематическое изучение гидрогеологических условий ВилюйБотуобинской КГГС началось с середины 50-х годов. Первые результаты исследований трубки Мир были обобщены А.И. Ефимовым (1959), И.С.
омоносовым (1962), А.И. Косолаповым (1963). Якутская экспедиция МГУ в 1965-67 гг. выполнила площадную мерзлотно-гидрогеологическую съемку масштаба 1:500000. С середины 70-х годов глубокое нефтегазопоисковое бурение проводилось трестом Якутнефтегазразведка, а инженерно-геологические изыскания - Ленгидропроектом. Систематические гидрогеологические исследования осуществляли Ботуобинская ГРЭ Якутского ТГУ и Мирнинская ГРЭ ПНО Якуталмаз. Научно-методическую помощь в проведении этих работ оказывал ВСЕГИНГЕО.
Установлено, что в пределах Вилюй-Ботуобинской КГГС зона активного водообмена до глубины 200-400 м большей частью проморожена. Исключение составляют воды несквозных многолетних таликов, формирующие в долинах притоков р. Вилюя сосредоточенные источники пресных трещинно-жильных и пластово-трещинно-карстовых вод.
Гидрогеохимическая зональность Вилюй-Ботуобинской КГГС более сложная и характеризуется сочетанием различных геохимических типов подземных вод.
В вертикальном разрезе зоны активного водообмена выделяется две гидрохимические зоны: 1) пресных (А) подземных вод в твердой фазе с минерализацией менее 1.0 г/дм3; 2) солоноватых (Б) подземных вод в твердой фазе с минерализацией 1.0-10.0 г/дм3.
Мощность зоны А изменяется от 30-40 (в днищах долин) до 120-130 м (на водоразделах). Состав подземных вод как в пределах кимберлитовых трубок, так и во вмещающих толщах гидрокарбонатный, сульфатно-гидрокарбонатный, хлоридно-гидрокарбонатный магниевый и кальциевый. Минерализация не превышает 0.3-0.8 г/дм3. В ряде случаев в зоне А встречаются линзы соленых внутримерзлотных криопэгов сульфатно-хлоридного натриево-кальциевого состава с минерализацией 13 г/дм3.
Зона Б ориентировочной мощностью 50-180 м включает две подзоны.
Предположительно в первой подзоне распространены солоноватые сульфатные натриево-кальциевые и кальциево-натриевые подземные воды в твердой фазе с минерализацией 1.0-5.0 г/дм3. Вторую подзону формируют солоноватые льды и межмерзлотные криопэги сульфатно-хлоридного натриевого состава.
Минерализация подземных вод в твердой фазе составляет 6.0-10.0, а криопэгов - 24.5-28.5 г/дм3.
А М 1г/дм Cl-HCO -Ca-Mg Cl-Ca-Mg М=2-12 г/дм Б 30-50 м М=31-252 г/дм Cl-Ca-Mg В Cl-Mg-Ca Положение нулевой изотермы Г Пресные подземные воды Мерзлые породы в твердой фазе Солоноватые подземные Морозные породы воды в твердой фазе Соленые подземные Охлажденные породы воды и слабые рассолы Крепкие и весьма Породы с положительной крепкие рассолы температурой Рис. 4. Строение криолитозоны и гидрогеохимическая зональность ОленекМархинской КГГС.
Гидрохимическая зона В представлена солеными водами, слабыми и крепкими рассолами надсолевого метегеро-ичерского водоносного комплекса.
Мощность водоносного комплекса изменчива по площади и составляет 120-216 м.
Фильтрационные свойства горных пород различны. В районе трубки Мир значения коэффициента водопроводимости составляют 15-76, повышаясь в зоне 70-600 м 700-800 м Восточного разлома до 350 м2/сут. Подземные воды зоны В имеют исключительно хлоридный натриевый состав. Их минерализация составляет 28165, иногда 300 г/дм3.
Зона (Г) - крепких и весьма крепких рассолов - объединяет подземные воды соленосного и подсолевого водоносных комплексов, вскрытых в терригенных, карбонатных и сульфатно-карбонатных толщах нижнего кембрия и венда. Фильтрационные параметры водосодержащих горных пород обусловлены степенью их трещиноватости, наличием в коллекторах обломочного материала, постседиментационными преобразованиями. Поэтому в разных частях разреза при проведении опытно-фильтрационных работ дебит скважин изменялся от 1-до 135 м3/сут. Хлоридные магниево-кальциевые рассолы соленосного водоносного комплекса имеют минерализацию 170-445 г/дм3 при среднем значении 404 г/дм3. Рассолы подсолевых осадочных толщ - хлоридные натриевокальциевые. Их минерализация составляет 268-434 г/дм3 при среднем ее значении 356 г/дм3. Соотношение Ca>Na>Mg>>K является типичным для рассолоносной формации венда-нижнего кембрия.
Криолитозона имеет многоярусное строение (рис. 5).
Температура пород, С -3 -2 -1 0 А М 1г/дмCl-HCO3-Ca-Mg 2Cl-Ca-Mg М=2-12 г/дмБ 30-50 м 4М=31-252 г/дмCl-Ca-Mg В 6Cl-Mg-Ca Положение нулевой изотермы Г 8Пресные подземные воды Мерзлые породы 10в твердой фазе Солоноватые подземные Морозные породы воды в твердой фазе Н, м Соленые подземные 12Охлажденные породы воды и слабые рассолы Крепкие и весьма Породы с положительной крепкие рассолы температурой Рис. 5. Строение криолитозоны и гидрогеохимическая зональность ВилюйБотуобинской КГГС.
70-600 м 700-800 м Ярус промерзания мощностью 200-400 м представлен мерзлыми горными породами. В его границах выделяются локальные ярусы охлаждения, заполненные отрицательнотемпературными водами. Регионально выдержанный ярус охлаждения прослеживается до глубины 340-820 м. Его сменяет ярус водоупорных и водоносных горных пород мощностью более 2000 м. ВилюйБотуобинская КГГС имеет переменную (сложную) гидрогеохимическую зональность, характеризующуюся отсутствием строгого увеличения минерализации подземных вод с глубиной.
Данные изотопных исследований показали, что большинство значений 2H/18О в рассолах Оленек-Мархинской и Вилюй-Ботуобинской КГГС смещено от SMOW. Рассолы обогащены тяжелым изотопом кислорода и обеднены дейтерием. Это свидетельствует о возможном формировании отдельной группы глубокозалегающих высокоминерализованных подземных вод в результате захоронения маточной рапы с сингенетичными осадками и последующей ее метаморфизацией. Седиментогенный генезис рассолов подтверждают также 87 установленные отношения Sr/86Sr=0.70882-0.70926 и He/4He=2.2.10-8. Судя по 2 18 содержанию стабильных изотопов H, О и Cl, для рассольных вод Якутской алмазоносной провинции характерны особенности, присущие метеогенным (древнеинфильтрационным), седиментогенным и метаморфогенным водам.
Положение четвертое: Эволюционное преобразование КГГС Якутской алмазоносной провинции в позднем кайнозое обусловлено прогрессирующим плиоцен-плейстоценовым похолоданием, цикличностью криохронов и термохронов. Важнейшим этапом истории развития Анабарской КГГС явилось оледенение. Последующие дегляциация и трансгрессия моря создали условия для формирования в кристаллических породах криопэгов, генетически связанных с морскими водами. В пределах Оленек-Мархинской и ВилюйБотуобинской КГГС многолетний криогенез осадочных толщ обусловил формирование солоноватых и соленых вод в зоне активного водообмена, а также метаморфизацию их состава в направлении HCO3-Cl. В зоне затрудненного водообмена происходило криогенное концентрирование подземных вод.
Начало интенсивного криогенеза верхних горизонтов литосферы северного полушария Земли в кайнозое связано с общим похолоданием климата в конце неогена. Согласно последним данным, многолетнее промерзание пород в Восточной Сибири началось 3.4-3.1 млн. лет назад (Shackleton et al., 1990;
Алексеев М.Н. и др., 1991; Фотиев, 2006). Выделяются несколько этапов развития криолитозоны (Ершов, 1990; Романовский, 1993; Основы геокриологии. Часть 3, 1998).
Первый этап охватывает плиоцен-раннеплейстоценовое время (от 3.4-1.до 0.8 млн. лет назад), в течение которого происходили образование и деградация мерзлых толщ на равнинах Евразии в криохроны и термохроны. Сформировались две геокриологические зоны: северная и южная. Одной из характерных особенностей рассматриваемого этапа, обусловленной климатическими причинами, явились ледниковые события и связанные с ними гляциоэвстатические изменения уровня Мирового океана. Прогрессирующее похолодание в позднем плиоцене и плейстоцене вызвало неоднократное появление покровного и горно-долинного оледенения. На севере низменных равнин имели место трансгрессии и регрессии Полярного бассейна.
Второй (среднеплейстоценовый) этап (от 0.9-0.73 до 0.15-0.11 млн. лет назад) является важным рубежом в формировании криолитозоны. На этом этапе аградационно-деградационные циклы совершались в основном на фоне отрицательных температур горных пород, вследствие чего существование криолитозоны на севере Сибири почти не прерывалось до настоящего времени.
Граница криолитозоны проходила южнее современной.
Третий (позднеплейстоценовый) этап развития криолитозоны охватывает период от зырянского (валдайского, вюрмского) криохрона до раннего голоцена включительно (от 150-90 до 9.6-8.0 тыс. лет назад). Он характеризуется резким и глубоким похолоданием климата, с которым связаны широкое развитие наземных оледенений и региональное многолетнее промерзание горных пород.
Начало позднего плейстоцена - казанцевская эпоха продолжительностью около 30 тыс. лет характеризовалась трансгрессией моря, покрывшего обширные пространства. В эту эпоху, по мнению М.М. Брызгаловой и Р.А. Биджиева (1986), морские воды нормальной солености затопили Енисей-Ленский прогиб. Море доходило до северной окраины Анабарского плато и Попигайской котловины.
Наиболее холодными периодами позднеплейстоценового этапа развития криолитозоны являются зырянский (по Н.В. Кинд, 60-50 тыс. лет назад) и сартанский (27-15 тыс. лет назад). В это время распространение ледниковых покровов было максимальным. На площадях, свободных ото льда, шло промерзание горных пород при более низких (на 5-10 С) температурах воздуха, чем современных. Максимум суровости климата и геокриологических условий приходится на период 22-18 тыс. лет назад, названный сартанским климатическим минимумом плейстоцена. Это время характеризуется максимальным наращиванием мощности криолитозоны и ее распространением далеко к югу.
Четвертый этап охватывает голоцен, главным событием которого является климатический оптимум продолжительностью от 10-9 до 4.5-3.0 тыс. лет назад.
Начавшееся потепление привело к деградации мерзлых толщ и резкому продвижению к северу границы их распространения.
Большое значение для формирования осадков и рельефа шельфа имела послевюрмская (голоценовая, от 6 тыс. лет назад до наших дней) эвстатическая трансгрессия океана (Каплин, 1982). В результате подъема уровня в период трансгрессии предгорные равнины и обширные пространства низменностей были затоплены и превращены в шельфы, окружающие бассейны современных морей и океанов.
Поздний голоцен продолжительностью 3.0-4.5 тыс. лет характеризовался более суровыми климатическими и геокриологическими условиями, чем климатический оптимум. В начале этого периода происходила аградация мерзлых толщ и продвижение к югу границы криолитозоны.
Прогрессирующее похолодание в позднем кайнозое, цикличность криохронов и термохронов, а также направленность и масштабы процессов криогенеза определили своеобразие основных параметров КГГС Якутской алмазоносной провинции.
Важнейшим фактором плейстоценовой истории Анабарской КГГС является ее оледенение. В среднем плейстоцене Анабарский горный узел был его центром.
На севере льды спускались в море и сливались с краем Таймырского ледника. На западе ледник смыкался с Путоранским. К востоку от щита лежали мертвые льды и фирны. Зырянское оледенение на Анабарском щите было полупокровным. На севере льды закрывали окраину щита, спускаясь в низменность. На северовостоке ледник доходил до Попигайской котловины.
Проблема сартанского оледенения остается в настоящее время предметом острых дискуссий. Одни авторы полностью отрицают факт последнего оледенения Арктики (Данилов, 1978, 1987, 1989; Основные проблемы палегеографииЕ, 1983; Клиге и др., 1998). Другие - придерживаются концепции ограниченного оледенения, допуская, что при глобальных похолоданиях в позднем кайнозое на арктической окраине материка возникали лишь локальные разобщенные ледниковые шапки (Величко, Фаустова, 1982; Величко, 1987, 1989;
азуков, 1989; Величко и др., 1994, 2000 и др.). По мнению авторов, на Анабарском плоскогорье и в горах Бырранга развивалось только горно-долинное оледенение. В фокусе третьей палеореконструкции находится модель Панарктического ледникового покрова, предполагающая покровное оледенение всей северной полярной области и подпруживание северных рек (Гросвальд, 1977, 1983, 1988, 1996-1999; Исаева, Кинд, 1986; Андреева, Исаева, 1987; Котляков, 1994 и др.).
Следы оледенения маркируются серией вложенных друг в друга конечных морен, полосой полого-холмистого и грядового ледникового рельефа и экзарационными формами. Пояс конечных морен прослежен в междуречье рр.
Котуя и Медвежьей, у слияния рр. Котуя и Аганыли, в долине р. Фомича. Здесь прекрасно выражены аккумулятивные ледниковые формы контрастного холмисто-западинного и озерного рельефа, многочисленные камовые массивы и другие следы полей мертвых льдов, а также равнины, связанные с аккумуляцией в приледниковых бассейнах (Кирюшина, 1959; Андреева, Исаева, 1987).
Последующая дегляциация приводила к формированию своеобразных ледниковых комплексов, состоявших из языкового бассейна или центральной депрессии - обширной впадины, ранее находившейся под концом ледникового языка, моренного амфитеатра (дуги конечных морен, окаймляющие языковой бассейн и содержащие обломочный материал с ядрами мертвого льда), переходного конуса флювиогляциальных отложений, причлененных к наружным склонам конечных морен.
Плейстоценовому этапу эволюции Анабарской КГГС отвечает значительное количество морских трансгрессий, обусловленных либо активными тектоническими движениями, либо гляциоэвстатическим повышением уровня океана (Зубаков, 1986; Алексеев М. и др., 1991; Клиге и др., 1998). Море неоднократно доходило до северной окраины Анабарского щита. Огромные площади затапливались, а мерзлые горные породы при повышении температуры оттаивали и подвергались переработке под уровнем моря.
В ходе морских трансгрессий активно протекали процессы взаимодействия морской воды различной солености и льдистых мерзлых пород. Реализовывались принципиальные схемы контакта фаз - рассол выше льда и рассол в боковом контакте со льдом (Борисов, Алексеев, 1996, 2000; Алексеев, 2000). В результате при взаимодействии морских вод с мерзлыми породами происходили плавление мономинеральных и текстурообразующих подземных льдов, плотностная конвекция растворов и замещение талых вод, содержащихся в порах и трещинах пород, морскими. С наступлением устойчивых отрицательных температур воздуха затопленная часть шельфа превращалась в своеобразный криогенный бассейн. По своему функционированию и конечной солености криогенный бассейн подобен классической морской эвапоритовой лагуне. Но в нем удаление H2O-растворителя обусловлено льдообразованием в сочетании с сублимацией, что приводило к изменению объема жидкой фазы и концентрированию морских вод.
Предполагается, что во время оледенений и дегляциации на Анабарском щите имели место следующие события:
1. В предледниковый период Анабарский щит от моря отделяла узкая полоса переслаивающихся континентальных и морских отложений протяженностью 150-300 км (рис. 6а).
2. В период оледенения весь моренный материал ледник переносил к своему краю. Наступая, он перемещал впереди себя широкую и массивную конечную морену, склон которой, обращенный к леднику, был крутым, а внешний - пологим (рис. 6б).
3. С потеплением климата или уменьшением количества твердых осадков ледник отступал. Вследствие таяния льда моренный материал проектировался на бывшее ледниковое ложе в виде вала, ориентированного поперек долины (рис.
6в).
Между ледником и отложенной мореной формировалась приледниковая котловина, глубина которой зависела от мощности моренного вала. В период трансгрессии в нее поступали морские воды, инфильтруясь через морену по плоскостям чешуйчатых надвигов либо по контакту обломков пород и линз мертвого льда. Их последующее охлаждение сопровождалось льдообразованием в приповерхностных интервалах приледникового бассейна, концентрированием и опусканием более плотных рассольных вод на дно бассейна. Далее происходила миграция крепких рассолов в дислоцированное ложе ледяного щита по крутопадающим трещинам зон тектонических нарушений и экзогенной трещиноватости, а также вдоль протаивающего основания ледника к центру депрессии. Отток рассолов из приледникового бассейна компенсировался поступлением новых порций морской воды со стороны моренного вала.
Таким образом, в течение десятков тысяч лет трансгрессивного режима кристаллические породы Анабарского щита могли вместить значительный объем рассолов. На следующем этапе эволюции Анабарской КГГС в разрезе происходила стратификация жидкой фазы по плотности, в результате чего формировалась своеобразная зональность, характеризуемая увеличением минерализации подземных вод с глубиной. Пресные и солоноватые подземные воды промерзали, а рассольные, охлаждаясь, трансформировались в криопэги.
(а) Предледниковый период Тем самым создавались условия для образования криогенной толщи Окраина Анабарского щита 150-300 км второго типа (КТ-2), состоящей из яруса промерзания и яруса Море охлаждения.
В пределах Оленек-Мархинской (б) Максимум оледенения Конечная и Вилюй-Ботуобинской КГГС следов морена Донная покровного оледенения не Ледниковый щит морена обнаружено.
Преобразование подземной гидросферы в период сартанского криохрона включало: 1) резкое сокращение объема жидких (в) Период морской трансгрессии атмосферных осадков, их и дегляциации Морской инфильтрации и практически полное лед исчезновение метеогенного источника питания подземных вод, 2) формирование водоупорного Ледниковый щит Море льдистого яруса промерзания горных пород, 3) одновременное продолжение подземного стока и Морской глубокое дренирование междуречных лед Конечная Приледниковая массивов, 4) переход в твердую фазу морена котловина пресных подземных вод зоны Рассол Ледниковый щит насыщения, 5) формирование мощной Инфильтрация зоны криопэгов.
Принципиальные схемы протекания физико-химических процессов при охлаждении водонасыщенных горных пород рассмотрены ниже главным образом Рис. 6. Механизм формирования на примере Оленек-Мархинской криопэгов в кристаллических породах КГГС.
Анабарской КГГС.
Установлено, что с глубиной в подземных льдах происходит незначительное изменение содержания гидрокарбонатов кальция и магния, стадийное увеличение содержания сульфата натрия, затем сульфата кальция и хлоридных солей. Подобная закономерность обусловлена криогенным концентрированием подземных вод при их промерзании.
В период сартанского климатического минимума среднегодовая температура горных пород была ниже современной на 8-12 С (Балобаев, 1991). В условиях устойчивого во времени сурового и резко континентального климата формировалась низкотемпературная (-11Е-21 С и ниже) криолитозона (Фотиев, я и ц а р г и м и е ни е л в а м л а п н и щ е р т и и м м а а л м о с ло з с а ра р о д о п р я о и п ц е а и р г н и е щ М ы с а Н 2006). События позднеплейстоценового криохрона, несомненно, привели к изменению минерализации и ионного состава подземных вод зоны активного водообмена. При этом ряд солей достигал состояния эвтектики. Осаждение карбонатов кальция и магния было связано с изменением состояния карбонатной системы и сдвигом равновесий в сторону монокарбонатов. Кристаллизация гексагидрита, мирабилита могла происходить в результате существенного снижения их растворимости при отрицательной температуре, а накопление сульфата кальция - в результате отжатия более концентрированного раствора при продвижении фронта промерзания вниз по разрезу. Аналогичным образом в подземных водах увеличилось содержание хлоридов натрия, магния, кальция.
Криогенное преобразование соленых вод и рассолов Оленек-Мархинской и Вилюй-Ботуобинской КГГС происходило под влиянием отрицательных температур, льдообразования и кристаллизации солей (карбонатов и, возможно, сульфатов). При этом интенсивность процесса зависела от исходной минерализации подземных вод, глубины залегания водоносных комплексов и теплофизических свойств горных пород. Наблюдаемый в настоящее время широкий диапазон (31-250 г/дм3) минерализации криопэгов отвечает различным стадиям криогенного концентрирования. Охлаждения геологического разреза даже в период сартанского климатического минимума было недостаточно для сколько-нибудь заметного преобразования состава крепких и весьма крепких хлоридных кальциевых рассолов.
Положение пятое: В современных условиях КГГС Якутской алмазоносной провинции испытывают мощный техногенный прессинг горнодобывающего типа, приводящий к существенным изменениям их основных параметров. В пределах Оленек-Мархинской и Вилюй-Ботуобинской КГГС длительная разработка алмазных месторождений вызвала серьезные нарушения состояния и свойств горных пород, обусловила формирование мощных депрессионных воронок и репрессионных куполов в пределах месторождений, контрастных гидрохимических аномалий, изменение качества подземных и поверхностных вод, возникновение сложно построенного и напряженного температурного поля, заводнение геологического разреза и образование техногенных таликов, активизацию опасных экзогенных геологических процессов. Масштабы техногенеза КГГС превысили площадной и достигли регионального уровня.
Накопленный к настоящему времени опыт разработки месторождений алмазов в Якутской алмазоносной провинции однозначно свидетельствует о масштабных изменениях, происходящих в пределах Оленек-Мархинской и Вилюй-Ботуобинской КГГС. Здесь возведены крупные промышленные объекты (фабрики, шахты, карьеры), предприятия стройиндустрии, линии электропередач, трубопроводы, дороги, значительно трансформирована дневная поверхность. По характеру воздействия техногенез КГСС относится к горнодобывающему типу и сопровождается изъятием и привносом вещества - твердого, жидкого и газообразного.
Крупные центры алмазодобычи - гг. Удачный и Мирный по масштабам техногенных преобразований основных параметров КГГС не имеют равных в Якутской алмазоносной провинции и являются классическими примерами.
Влияние дренажа и подземного захоронения высокоминерализованных сточных вод на состояние КГГС.
Поступление подземных вод в карьер трубки Удачная началось в 1983 г.
при положении его дна на отметке +110 м. абс. Величина притока не превышала 5-10 м3/ч, а минерализация дренируемых карьером вод составляла 25.5 г/дм3. С ростом глубины карьера притоки увеличивались и в настоящее время составляют 110-115 м3/ч. Это свидетельствует о вовлечении в водоотлив крепких и весьма крепких рассолов. За время проведения горных работ в карьере трубки Удачная общий объем откачанных дренажных вод превысил 13 млн. м3. В результате при осушении месторождения сформировалась мощная депрессионная воронка размером 8х15 км с величиной понижения гидростатического давления в карьерном поле, равной 4.4 МПа.
Первый приток хлоридных натриевых рассолов в карьер трубки Мир зафиксирован в 1977 г. При вскрытии водоносного комплекса его величина составляла 350-370 м3/ч. Для защиты горных работ были пробурены водопонижающие скважины, суммарный дебит которых достигал 1100-1200 м3/ч.
За 12 лет работы системы осушения из карьера было откачано 70.2 и сброшено в р. Малую Ботуобию 63.6 млн. м3 техногенных вод с минерализацией 90 г/дм3. Под воздействием горных и осушительных работ в карьере сформировалась обширная воронка депрессии радиусом около 100 км. Уровень воды в ее центре понизился на 340 м (Лобанов и др., 1988).
В течение 20 лет захоронение дренажных рассолов карьера трубки Удачная осуществляется в многолетнемерзлые толщи в интервале глубин 150-280 м ниже местных базисов эрозии. В основе метода изоляции стоков лежит способность высокоминерализованных вод плавить текстурообразующие льды в горных породах. Благодаря наличию оптимальных структурно-тектонических условий в многолетнемерзлые толщи сброшено более 10 млн. м3 рассолов. В настоящее время часть объемов техногенных растворов возвращается в карьер, о чем свидетельствуют многочисленные наледи, наблюдаемые зимой в его бортах.
В результате натурных наблюдений и математического моделирования, установлено, что в ходе захоронения рассолов в мерзлом массиве происходит нисходящая, латеральная и восходящая миграция техногенных вод, сопровождающаяся плавлением текстурообразующих подземных льдов, опреснением жидкой фазы. В прискважинном пространстве формируется таликовая зона с повышенной проницаемостью пород. Расчеты показали, что через 5 лет после завершения сброса в толщу мерзлоты даже 1.5 млн. м3 рассолов объем гидрогенного талика составит 480 млн. м3.
На основе геотермических наблюдений установлено, что до начала ввода в эксплуатацию системы захоронения температура горных пород на глубине 200 м составляла -2 С. В результате только пятилетнего сброса рассолов она понизилась до -5 С. Наиболее охлажденные интервалы зафиксированы на глубине 160-240 м, соответствующей положению техногенного водоносного горизонта. Сформировалось напряженное тепловое поле (Климовский, Готовцев, 1994).
Сброс дренажных рассолов трубки Мир с апреля 1990 г. осуществляется в метегеро-ичерский водоносный комплекс, объем которого превысил 130 млн. м(Вигандт, 1994). В связи с действующим карьерным водоотливом и обратной закачкой дренажных вод сформировалось сложное сочетание депрессионной воронки и репрессионного купола. В центре депрессии произошло снижение уровня рассолов на 340 м, а в районе полигона закачки формируется репрессия на толщи пород с давлением на устье скважин до 0.7 МПа. В ближайших наблюдательных скважинах, пробуренных в долине р. Малой Ботуобии, напоры рассолов метегеро-ичерского водоносного комплекса превысили уровень местного базиса эрозии на 40-60 м, что создает угрозу прорыва подземных вод на земную поверхность.
Влияние инженерных сооружений и искусственных объектов на состояние КГГС.
Хвостохранилища и накопители. Отходы обогатительных фабрик (пульпа) с минерализацией жидкой фазы 14-18 г/дм3 поступают в хвостохранилища.
Отсутствие мерзлотных завес и преимущественно обломочный состав пород обусловливают фильтрацию минерализованных вод сквозь ограждающие дамбы.
Утечки соленых вод из хвостохранилищ в виде сосредоточенных и рассредоточенных источников фиксируются десятки лет.
В 1985 г. была предпринята попытка наземного складирования дренажных вод трубки Удачная с минерализацией 30-40 г/дм3 в накопитель, созданный в дислоцированных осадочных толщах. При сбросе стоков интенсивность их поглощения составила 2-3 тыс. м3/сут, а объем поглощенной жидкости превысил 100 тыс. м3. В толще мерзлоты сформировалась серия техногенных водоносных горизонтов.
Длительная эксплуатация накопителя дренажных вод карьера трубки Мир обусловила образование таликовой линзы в его ложе и фильтрацию рассолов из накопителя по проницаемым осадочным отложениям интенсивностью до 150 м3/ч.
В результате в долине руч. Тымтайдаах разгружаются источники рассольных вод с минерализацией 60 г/дм3, приводящие к существенному ухудшению качества воды р. Малой Ботуобии.
Водохранилища. Сытыканский гидроузел обеспечивает водоснабжение гражданских и промышленных объектов г. Удачного. Плотина гидроузла отсыпана льдистыми крупнообломочными отложениями с мерзлотной завесой, создаваемой системой термосифонов с принудительным воздушным охлаждением. Тем не менее, после сооружения дамбы началось формирование талика. В 1995 г. зафиксированы резкая активизация процесса оттаивания пород в основании плотины водохранилища, прогрессирующее развитие гидрогенного водно-теплового талика, потери воды из водохранилища и деформация тела плотины. В 1998 г. площадь талика составила около 5200 м2, а его мощность достигла 38 м (Бойков и др., 2000; Великин и др., 2005).
Вилюйская ГЭС-1 - крупнейший в Западной Якутии гидроузел. За 20 лет эксплуатации сооружения оттаяла значительная часть грубообломочной наброски, преимущественно со стороны водохранилища. В 1996 г. в правобережном примыкании тела плотины к коренному склону долины р. Вилюя произошло резкое повышение температуры горных пород. В течение нескольких дней образовался фильтрационный поток, который продолжается существовать и в настоящее время. Основная часть таликовых зон и каналов фильтрации воды находится в интервале глубин 15-25 м (Великин, Снегирев, 2000).
Создание водохранилища привело к активизации термоабразионных и склоновых процессов. Изменение водно-теплового режима зоны периодического затопления вызвало развитие пучения и термопросадок на пологих береговых склонах и усиление процесса морозного выветривания на крутых склонах, а в ряде случаев - образование провалов, воронок, рвов отседания в пределах дислоцированных трапповых интрузий и зон тектонического дробления осадочных пород.
инейные сооружения, являющиеся неотъемлемой частью ландшафта в криолитозоне, протягиваются на сотни километров, пересекая различные геокриологические зоны. В результате теплового воздействия линейных сооружений происходит изменение мощности сезонноталого слоя и формирование сезонных или многолетних ореолов оттаивания.
Следствием изменения термического режима горных пород является активизация эрозионных и термокарстовых процессов. В результате возникают промоины, овраги, воронки и западины. На склонах эрозия создает благоприятные условия для развития локальной и площадной солифлюкции. На маревых участках и в основании склонов происходит пучение грунтов, а также наледеобразование.
Городские здания и сооружения. В ряде городов и поселков Мирнинского района сложились крайне неблагоприятные условия эксплуатации зданий и сооружений, следствием чего явилась потеря несущей способности грунтов в основании фундаментов.
Неконтролируемые утечки воды из канализации и водопроводов, отказы в работе охлаждающих устройств, нарушение режима функционирования проветриваемых подполий способствуют развитию процесса оттаивания мерзлых пород на значительную (до 20 м) глубину, слиянию отдельных очагов в единую разветвленную систему обширных в плане таликов. Только по неполным данным Управления архитектуры и градостроительства г. Мирного в 1997 г. из 1постоянно наблюдаемых объектов 40 имели температуру грунтов в основании выше расчетной (Снегирев и др., 2003).
Таким образом, фактические данные свидетельствуют о том, что за 30 лет техногенного воздействия изменились основные параметры рассматриваемых КГГС. Следствием этого явилась трансформация природных КГГС в природнотехногенные. В своей эволюции КГГС испытали 3 этапа изменений:
дотехногенный, обратимый и необратимый.
Заключение Основные результаты и выводы исследований, отражающие научную значимость, сводятся к следующему.
1. Возникновение криогидрогеологических систем - сложных и динамичных объектов - связано с грандиозным процессом криогенеза литосферы Земли, охватывающим практически все компоненты подземной гидросферы. В результате по своему структурному облику и эволюционным преобразованиям КГГС существенно отличаются от типичных гидрогеологических и геокриологических систем.
2. Классификация КГГС, как новое направление сравнительного изучения гидрогеологических и геокриологических объектов, является важнейшей методологической основой региональных исследований в холодных регионах Земли. Выделенные различные таксономические подразделения (типы, классы, группы и т.д.) являются эталонными, что позволяет их использовать при изучении труднодоступных регионов на нашей планете.
3. Анабарская КГГС относится к подтипу субаэральных КГГС и представляет собой закрытый КГМ сплошного промерзания с надмерзлотными, возможно существующими подмерзлотными пресными, рассольными холодными и кригалинными порово-трещинными, трещинными, трещинно-жильными подземными водами. Оленек-Мархинская и Вилюй-Ботуобинская субаэральные КГГС являются сложнопостроенными закрытыми КАБ (КАдБ) сплошного промерзания с надмерзлотными пресными, межмерзлотными, внутримерзлотными, подмерзлотными, солоноватыми, солеными, рассольными холодными, криогалинными поровыми, порово-каверновыми, поровотрещинными подземными водами. Гидрогеохимическая зональность КГГС характеризуется различным сочетанием типов подземных вод - гидрокарбонатных, сульфатных и хлоридных.
4. Современная гидрогеокриологическая обстановка в Якутской алмазоносной провинции - это суммарный результат многолетнего промерзания горных пород с конца неогена до наших дней. В позднем кайнозое специфика взаимодействия подземных вод и многолетнемерзлых пород обусловила особенности эволюции КГГС. Важнейшими этапами истории развития Анабарской КГГС явились оледенения и трансгрессии моря, создавшие условия для формирования в кристаллических породах криопэгов. В пределах ОленекМархинской и Вилюй-Ботуобинской КГГС многолетний криогенез верхних горизонтов литосферы вызвал метаморфизацию состава подземных вод и перестройку гидрогеохимической зональности.
5. Оленек-Мархинская и Вилюй-Ботуобинская КГГС претерпели техногенез горнодобывающего типа, шахтного и карьерного подтипов, что привело к существенному изменению ресурсного потенциала геологического пространства, ухудшило его качество как для проживания биоты, включая человека, так и для целого ряда видов хозяйственной деятельности. Следствием техногенеза явилась трансформация природных КГГС в природно-техногенные. Масштабы техногенеза КГГС превысили площадной и достигли регионального уровня.
Основные работы, опубликованные по теме диссертации Монографии 1. Алексеев С.В. Криогенез подземных вод и горных пород (на примере ДалдыноАлакитского района Западной Якутии). - Новосибирск: Изд-во СО РАН, НИ - ОИГГМ, 2000. - 119 с.
Статьи в журналахи сборниках 1. Алексеев С.В., Борисов В.Н. Химический состав подземных льдов трубки Северная // Гляциологические исследования в Восточной Сибири. - Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО АН СССР, 1985. - С. 129-137.
2. Борисов В.Н., Алексеев С.В., Климов А.Ю., Плешевенкова В.А. Гидрогеохимическая зональность Западной Якутии (в связи с условиями отработки коренных месторождений алмазов) // Земная кора и верхняя мантия Восточной Сибири. - Иркутск: Изд-во ИЗК СО АН СССР, 1987. - С. 146-153.
3. Борисов В.Н., Пиннекер Е.В., Алексеев С.В., Дроздов А.В. Подземные рассолы в техногенных процессах и их взаимодействие с мерзлыми породами // Мат-лы I Всес. съезда инженер-геологов, гидрогеологов и геокриологов - Киев, 1988. - С. 38-39.
4. Pinneker E.V., Alexeev S.V., Borisov V.N. The interaction of brines and permafrost // Proc.
of WRI-6 Int. Symposium (Malvern-England). - Rotterdam. - Balkema, 1989. - Pp. 557-560.
5. Borisov V.N., Alexeev S.V. Permafrost as a matter for burial of highly concentrated industrial waste // Proc. of 7th Intern. Congress of Intern. Assoc. of Engineering Geology (LisboaPortugal). - Rotterdam. - Balkema, 1994. - Pp. 2385-2391.
6. Alexeev S.V., Borisov V.N., Pleshevenkova V.A. The diamond mining quarries as a factor affecting surficial water quality // Proc. of WRI-8 Intern. Symposium (Vladivostok-Russia). - Rotterdam. - Balkema, 1995. - Pp. 557-560.
7. Alexeev S.V., Borisov V.N. Technogenic processes in the brine-permafrost system // Hydrological Science and Technology - 1995. - Vol. 11, № 1-4. - Pp. 169-173.
8. Пиннекер Е.В., Алексеев С.В. Подземные воды мерзлой зоны литосферы в условиях интенсивной техногенной нагрузки // Современные проблемы гидрогеологии (Пятые Толстихинские чтения, 11-13 ноября 1996 г.). - СПб.: Изд-во СПбГУ, 1996. - С. - 44-46.
9. Борисов В.Н., Алексеев С.В. Многолетнемерзлые породы как объект для захоронения высококонцентрированных промстоков (на примере Севера Сибирской платформы) // Мат-лы Первой конференции геокриологов России. Кн. 2. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1996. - С. - 160170.
10. Алексеев С.В., Пиннекер Е.В. Гидрогеохимические особенности криолитозоны Далдыно-Алакитского района (Западная Якутия) // Проблемы изучения химического состава подземных вод (Шестые Толстихинские чтения, 11-12 ноября 1997 г.). - СПб.: Изд-во СПбГУ, 1997. - С. - 27-30.
11. Alexeev S.V. Environmental effects of developing the diamond deposits of Western Yakutia // Proc. Intern. Symposium on Engineering Geology and Environment (Athens, Greece). - Rotterdam. - Balkema, 1997. - Pp. 2303-2307.
12. Pinneker E.V., Alexeev S.V. The groundwaters of the permafrost zone under the conditions of man-made load // Proc. of 5th Int. Symp. on Cold Region Development (Anchorage-Alaska, USA).
- Hanover. - NH 03755-1290, 1997. - Pp. 353-355.
13. Alexeev S.V. The cryogenesis of groundwaters of the Daldyn-Alakit region (Western Yakutia) // Proc. of 5th Int. Symp. on Cold Region Development (Anchorage-Alaska, USA). - Hanover. - NH 03755-1290, 1997. - Pp. 369-372.
14. Пиннекер Е.В., Алексеев С.В., Алексеева Л.П. Гидрогеология и гидрогеохимия центральной части Якутской алмазоносной провинции // Проблемы региональной гидрогеологии (Седьмые Толстихинские чтения, 11-12 ноября 1998 г.). - СПб.: Изд-во СПбГУ, 1998. - С. 32-36.
15. Алексеев С.В., Алексеева Л.П. Криолитозона Далдыно-Алакитского района.
Проблемы эволюции и освоения // IV Междунар. междисциплинар. научн. симп.
Закономерности строения и эволюции геосфер. - Хабаровск, 1998. - С. 399-401.
16. Alexeev S.V., Alexeeva L.P. Permafrost zone of Daldyn-Alakit region. The problems of evolution and development // 28 Arctic Workshop (Colorado, USA), 1998. - Pp. 301-304.
17. Borisov V.N., Alexeev S.V. Brines - perennially frozen ground. Problems of interaction // Proc. of 7th Int. Conf. on Permafrost. (Extended Abstracts). - Yellowknife. Canada. - 1998. - Pp. 117118.
18. Алексеев С.В., Борисов В.Н., Алексеева Л.П., Букаты М.Б. Геохимия дренажных рассолов кимберлитовой трубки Удачная // Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже III тысячелетия. - Томск: Изд-во НТЛ, 2000. - С. 575-579.
19. Борисов В.Н., Алексеев С.В. Факторы взаимодействия рассолов со льдом (мерзлой породой) при отрицательной температуре // Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже III тысячелетия - Томск: Изд-во НТЛ, 2000. - С. 584-589.
20. Borisov V.N., Alexeev S.V. The peculiarities and factors of brine (cryopeg)-permafrost interaction // Proc. of 8th Int. IAEG Congress (Vancouver, Canada). - Rotterdam. - Balkema, 2000. - Pp. 3907-3911.
21. Алексеев С.В., Алексеева Л.П. Взаимодействие подземных вод и многолетнемерзлых пород в условиях техногенеза // Мат-лы XVI Всерос. совещ. по подз. водам Востока России. - Новосибирск: Наука, Сибирская изд. фирма РАН, 2000. - С. 77-79.
22. Алексеев С.В., Алексеева Л.П., Борисов В.Н. База данных по геохимии подземных льдов, вод и рассолов Далдыно-Алакитского района // Мат-лы XVI Всерос. совещ. по подз.
водам Востока России. - Новосибирск: Наука, Сибирская изд. фирма РАН, 2000. - С. 113-115.
23. Алексеев С.В., Пиннекер Е.В. Геохимия подземных льдов в осадочных толщах Якутии // ДАН. - 2000. - Т. 373, № 5. - С. 660-662.
24. Алексеев С.В., Алексеева Л.П., Борисов В.Н. Динамика состава дренажных вод при разработке алмазодобывающего карьера (Якутия) // География и природные ресурсы. Ц2000. - № 4 - С. 143-146.
25. Алексеев С.В., Алексеева Л.П. Гидрогеохимия криолитозоны центральной части Якутской алмазоносной провинции // Криосфера Земли. - 2000. - Т. IV, № 4. - С. 89-96.
26. Alexeev S.V., Borisov V.N. Interaction between brines and perennially frozen ground // Proc. of Intern. Symp. on Hydrogeology and the Environment. - China Environmental Science Press.
- Beijing - China, 2000. - Pp. 168-170.
27. Pinneker E.V., Alexeev S.V., Alexeeva L.P. Hydrogeology and Hydrogeochemistry of permafrost zone of Daldyn-Alakit region (Western Yakutia) // 30 Arctic Workshop - Colorado - USA, 2000 - Pp. 134-136. (
28. Alexeev S.V., Alexeeva L.P. Dynamics of drainage water composition during development of diamond mining quarries (Western Yakutia, Russia) // 30 Arctic Workshop - Colorado - USA, 20 - Pp. 2-5. ( 29. Pinneker E.V., Alekseew S.V. Grundwasserschutz in Permafrostgebieten // Grundwasser.
- 2000 - № 4 (5). - Pp. 159-169.
30. Алексеев С.В., Алексеева Л.П., Борисов В.Н. Природные и техногенные процессы в криолитозоне Якутской алмазоносной провинции // Мат-лы Второй конференции геокриологов России. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 2001. - Т. 2. - С. 3-9.
31. Алексеев С.В., Павлов В.А., Алексеева Л.П., Дроздова Т.И. Геокриологическая и гидрогеохимическая оценки состояния массива пород в условиях захоронения техногенных вод карьера трубки Удачная // Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханики (февраля-2 марта 2002 г.). - СПб.: Изд-во СПбГУ, 2002. - С. 30-39.
32. Алексеев С.В., Дроздов А.В., Дроздова Т.И., Алексеева Л.П. Первый опыт захоронения соленых дренажных вод карьера трубки Удачная в многолетнемерзлые породы // Криосфера Земли. - 2002. - Т. VI, № 2. - С. 61-65.
33. Мельников А.И., Алексеев С.В., Ружич В.В., Егоров К.Н., Алексеева Л.П., Черных Е.Н., Чечельницкий В.В., Смекалин О.П., Шмаров Г.П., Павлов В.А. Оценка параметров техногенной активизации опасных геологических процессов в крупных горных выработках открытого типа (на примере карьера трубки Удачная) // Отечественная геология. - 2002. - № 5. - С. 20-24.
34. Alexeev S.V., Drozdov A.V., Drozdova T.I., Alexeeva L.P. The first experience of saline drainage water disposal from Udachnaya pipe quarry into permafrost // 32 Arctic Workshop (Colorado, USA), 2002 - Pp. 4-7.
35. Alexeev S.V., Alexeeva L.P. The Peculiarities of Utilization of the Technogenic Waste into Permafrost // Proc. of 11th Int. Conf. on Cold Regions Engineering (20-22 May, 2002). - Anchorage. - Alaska. - USA, 2002. - Pp. 95-100.
36. Shouakar-Stash O., Alexeev S.V., Frape, S.К., Alexeeva L.P., Pinneker E.V. Geochemistry and stable isotopic signatures of deep groundwaters and brine from the permafrost zone of the Siberian platform, Russia // GSA Annual Meeting УScience at highest levelФ. - Denver. - Colorado. - USA, 2002. - Pp. 218-224.
37. Alexeev S.V., Alexeeva L.P. Ground ice in the sedimentary rocks and kimberlites of Yakutia, Russia // Permafrost and Periglacial Processes. - 2002. - 13. - Pp. 53-59.
38. Алексеев С.В., Алексеева Л.П. Итоги и перспективы захоронения дренажных вод кимберлитовой трубки Удачная в мерзлых породах // Итоги геокриологических исследований в Якутии в ХХ веке и перспективы их дальнейшего развития. - Якутск: Изд-во ИМЗ СО РАН, 2003 - C. 67-78.
39. Алексеев С.В., Алексеева Л.П., Shouakar-Stash O., Frape S.K., Борисов В.Н.
Стабильные изотопы (2H, 18О и 37Cl) в рассолах Сибирской платформы // Мат-лы Всерос. совещ.
по подз. водам Востока России (XVII совещание по подземным водам Сибири и Дальнего Востока). - Иркутск-Красноярск: Изд-во Ирк. техн. ун-та, 2003. - С. 106-109.
40. Alexeev S.V., Alexeeva L.P. The burial of drainage waters of Udachnaya kimberlite pipe into permafrost // Permafrost. Vol. 1. - Swets@Zeitlinger, Liss, Nederlands. - 2003. - Pp. 1-4.
41. Alexeev, S.V., Alexeeva L.P. Hydrogeochemistry of the permafrost zone in the central part of the Yakutian diamond-bearing province, Russia // Hydrogeology Journal. - 2003. - 11(5). - Pp.
574-581.
42. Алексеева Л.П., Chabaux F., Борисов В.Н., Алексеев С. В., Risacher F., Larke P., Кононов А.М. Новые данные об изотопии стронция в рассолах Далдыно-Алакитского района (Западная Якутия) // Труды Международной конференции Фундаментальные проблемы современной гидрогеохимии (Томск, 4-8 октября 2004 г.). - Томск: Изд-во НТЛ, 2004. - С. 3640.
43. Alexeev S.V., Alexeeva L.P., Shouakar-Stash O., Frape S.K. Geochemical and isotope features of brines of the Siberian platform // Proc. of WRI-11 Intern. Symposium (27 June-2 July 2004, Saratoga Springs, NY, USA). - Rotterdam. Balkema, 2004. - P. 333-336.
44. Алексеев С.В., Гунин В.И., Дроздов А.В., Алексеева Л.П. Особенности миграции высокоминерализованных стоков карьера трубки Удачная в многолетнемерзлых породах при их подземном захоронении // Материалы Третьей Конференции геокриологов России. - М: Изд-во Моск. ун-та, 2005 - С. 5-12.
45. Алексеев С.В. Криогидрогеологические системы. Формирование понятия и классификация // Криосфера Земли. - 2005. - Т. IX, № 2. - С. 85-93.
46. Алексеев С.В., Алексеева Л.П. Криогидрогеологические системы. Принципы типизации и картографического отображения // Мат-лы Всерос. совещ. по подз. водам Востока России (XVIII совещание по подземным водам Сибири и Дальнего Востока). - Иркутск: Изд-во Ирк. техн. ун-та, 2006. - С. 144-146.
47. Кононов А.М., Алексеев С.В. Гидрогеохимические особенности криолитозоны Далдынского и Верхне-Мунского кимберлитовых полей // Мат-лы Всерос. совещ. по подз.
водам Востока России (XVIII совещание по подземным водам Сибири и Дальнего Востока). - Иркутск: Изд-во Ирк. техн. ун-та, 2006. - С. 69-72.
48. Алексеев С.В., Алексеева Л.П., Борисов В.Н., Шоуакар-Сташ О., Фрейп Ш., Шабо Ф., Кононов А.М. Изотопный состав (H, O, Cl, Sr) подземных рассолов Сибирской платформы // Геология и геофизика. - 2007. - Т. 48, № 3. - С. 291-304.
49. Shouakar-Stash O., Alexeev S.V., Frape S.К., Alexeeva L.P., Drimmie R.J. Geochemistry and stable isotopic signatures, including chlorine and bromine isotopes of the deep groundwaters, of the Siberian platform, Russia // Applied Geochemistry. - 2007. - Vol. 22, Issue 3. - Pp. 589-605.
Подписано к печати 21.03.2007-03-Формат 60х84/16. Бумага офсетная № 1. Гарнитура Таймс.
Печать Riso.
Усл. печ. л. 2.0. Тираж 120 экз. Заказ 529.
Отпечатано в типографии Института земной коры СО РАН.
664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 128.