CC BY
306. Hofmeister A.M. Effect of hadean terrestrial magma ocean on crust and mantle evolution // J. Geophys. Res. -1983, V B88. N6. -P. 4963-1983.
7. БогатиковО.А., Васильев Ю.Р., Дмитриев Ю.И и др. Магматические горные породы. Ультраосновные породы. - М.: Наука, 1988. - 508 с.
8. 8thKimberlite Conf. Long Abstract. - Victoria, Canada, 2003.
9. 9th Kimberlite Conf. Extended Abstract. - Germany, 2008.
УДК 551.49:556.31
Динамика мерзлотно-гидрогеохимической обстановки на участках распространения криопэгов в г. Якутске
Н.А. Павлова
На основании анализа материалов многолетних мерзлотно-гидрогеохимических исследований (1985-2009 гг.), проведенных Институтом мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО FAH, рассмотрена роль межгодовых колебаний климатических параметров в многолетней динамике уровня и химического состава криопэгов, формирующихся в слое годовых теплооборотов аллювиальных отложений на террттории г. Якутска. Оценены скорость и направление миграции криопэгов в пределах границ изучаемых участков.
Ключевые слова: криопэги, режимные исследования, солевой состав, миграция.
This article discusses the effect of interannual variation in climatic parameters on the level and chemistry of cryopegs in perennially frozen alluvium, based on the data from long-term permafrost and groundwater observations conducted in 1985-2009 at Yakutsk. The rate and direction of cryopeg migration at study sites are estimated.
Key words: cryopeg, long-term researches, salt composition, migration.
Введение
На территории г. Якутска одной из причин аварийности зданий и инженерных сооружений явля-
ловленные протаиванием грунтов оснований при техногенном повышении их температуры. Особенно высокой уязвимостью обладают мерзлые грунты с повышенным содержанием солей. Такие грунты в условиях высокотемпературных много-летнемерзлых пород (ММП) неустойчивы, и даже при незначительном повышении температуры могут перейти в пластично-мерзлое состояние. К участкам засоленных пород часто приурочены линзы отрицательно-температурных высокоминерализованных подземных вод (криопэгов), обладающих коррозирующими свойствами.
Исследования закономерностей формирования криопэгов и их динамики в долине Туймаада, в пределах которой расположен г. Якутск, были начаты сотрудниками лаборатории подземных вод Института мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО
ПАВЛОВА Надежда Анатольевна - к.г.-м.н., зав. лаб. ИМЗ им. П.И. Мельникова СО РАН, (4112) 39-08-12, [email protected]. ru.
РАН в начале 80-х годов под руководством Н.П. Анисимовой. Научно-экспериментальные полигоны, на которых был выполнен комплекс мерзлотно-гидрогеохимических исследований, расположены как непосредственно в черте г. Якутска, так и на загородной территории.
Состояние проблемы и методика исследований
Аллювиальные отложения, слагающие пойму и две надпойменные террасы долины Туймаада мощностью до 2025 м, до глубины 3-6 м представлены льдистыми супесями, суглинками и мелкозернистыми песками пойменной фации, которые подстилаются разнозернистыми русловыми песками. Мощность слоя сезонного протаивания изменяется от 1,01,5 м в суглинках до 2,03,0 м в песках. Температура пород на подошве слоя годовых теплооборотов (18-20 м) в районе г. Якутска составляет минус 2°С [1]. Верхние слои мерзлых аллювиальных отложений отличаются высокой засоленностью достигающей в песках 0,5%, а в суглинках 5-8%. Этому способствуют испарительное осаждение солей и их криогенная концентрация в поровом растворе пород в условиях слабого водообмена.
но пологую равнину, на поверхности которой прослеживаются невысокие дугообразные вытянутые гряды различной ориентировки, чередующиеся с древними понижениями, ложбинами и старицами руслового происхождения, протоками и озерными котловинами. Террасы слабо эродированы: абсолютные отметки рельефа изменяются от 85-94 м в пределах высокой поймы до 98-103 м на второй надпойменной террасе. Слабая расчлененность территории предопределяет затрудненные условия для стока поверхностных и надмерзлотных вод, обеспечивая высокую водонасыщенность пород сезонноталого слоя (СТС), особенно на участках пологих уступов и оснований террас.
Надмерзлотные воды, формирующиеся на подошве сезонноталого слоя, в населенных пунктах испытывают как химическое и биологическое, так и тепловое загрязнение. Наиболее интенсивное накопление растворенных солей и биологических компонентов в надмерзлотных водах происходит в замкнутых низинах [2]. Вследствие последующей метаморфизации химического состава надмерзлотных вод СТС в процессе криогенного концентрирования зимой и испарения летом, минерализация их постепенно возрастает, а температура кристаллизации становится ниже 0°С. В результате надмерзлотные воды СТС переходят в разряд постоянно существующих надмерзлотных грунтовых вод, имеющих отрицательную температуру (надмерзлотные криопэги).
Глубина залегания высокоминерализованных надмерзлотных грунтовых вод на территории долины Туймаада обычно не превышает 6-8 м, но на участках отепленных пород (под трубопроводами, в местах ввода коммуникаций в здания), криопэги способны мигрировать вниз по разрезу, вплоть до первого литологического водоупора, т.е. до глубины 18-20 м [3]. Химический их состав изменяется в довольно широких пределах и зависит от вида техногенной нагрузки и степени ее воздействия, условий промерзания и температуры вмещающих пород, определяющей выпадение ряда солей в осадок. Наиболее распространены криопэги с минерализацией до 20 г/л и температурой вмещающих их пород минус 0,5-2°С [4]. На отдельных участках в сильнозасоленных грунтах содержатся линзы криопэгов с минерализацией 3560 г/л, а в наиболее старой части г. Якутска - до
ров составляет минус 2-8°С.
Один из ключевых участков, на котором проводилось изучение процессов формирования и гидрогеологического режима техногенных криопэгов, их влияния на температуру и засоленность вмещающих пород, расположен на территории г. Якутска. При изысканиях в 1979-1983 гг. в основании
пологого склона древнего эрозионного понижения под слоем супесчано-суглинистых отложений в пылеватых песках в интервале 1,8-3,3 м были фрагментарно обнаружены надмерзлотные грунтовые воды с минерализацией от 11 до 20 г/л сульфатно-хлоридного магниево-натриевого состава и температурой минус 0,6-1°С. Формирование их связано с инфильтрацией в сезоннопротаивающие слои пород бытовых стоков и концентрированием водорастворимых солей в условиях затрудненного водообмена [2].
В 1985 г. здесь были начаты комплексные мер-злотно-гидрогеохимические исследования, включающие бурение скважин глубиной до 6 м с отбором проб воды и грунта для химического анализа, а затем режимные гидрогеологические и геотермические наблюдения. В 1989 г., после проведения на этой площадке геофизических исследований, в режимную сеть были включены также скважины, вскрывшие в разнозернистых песках на глубинах 7 и 17 м линзы криопэгов мощностью 12 м с более высокой минерализацией (26-27 г/л). Режимные наблюдения за уровнем и химическим составом криопэгов на данном участке продолжаются до настоящего времени.
Результаты исследований
По данным многолетних режимных наблюдений промерзание водонасыщенных песков с над-мерзлотными криопэгами начинается в феврале-марте. Процесс сопровождается отжатием солей в раствор. В результате минерализация криопэгов повышается от 9-13 г/л (август-октябрь) до 1418 г/л (март-июнь) в основном за счет хлоридов и сульфатов натрия и магния (рис.1). Криогенный напор, формирующийся в процессе промерзания водосодержащих пород сверху, достигает максимальной величины в мае - начале июля и в зависимости от суровости зимы изменяется от 1 до 2 м.
По мере охлаждения пород толщина водоносного слоя уменьшается, а в аномально холодные годы происходит разобщение его на несколько линз, вплоть до полного промерзания отдельных из них. Ионы высокоминерализованного порового раствора, мигрируя в подстилающие относительно высокотемпературные мерзлые породы, повышают их засоленность. В результате может сформироваться пластичномерзлый прослой. При многолетнем повторении процесса этот слой становится водонасыщенным. Формирование на исследуемом полигоне внутримерзлотной линзы криопэгов с минерализацией 20-26 г/л и температурой минус 0,9°С в интервале глубин 78 м было зафиксировано в 1988г., после двух следующих друг за другом холодных зим [3].
В период 1991-2008 гг. кровля надмерзлотных криопэгов при промерзании пород сверху обычно
месяц
месяц
17,2 Минерализация, г/'л
Уровень воды
месяц
Рис. 1. Изменение уровня и химического состава надмерзлотных криопэгов (интервал залегания 2,0-4,5 м) в межгодовом цикле
не опускалась глубже 2,5-3,0 м, а в летне-осенний период отмечалось увеличение мощности обводненного слоя. В этот же период прослеживалось постепенное снижение минерализации поро-вого раствора, в основном за счет хлорида магния - одного из признаков криогенной метаморфи-зацииводы. Данная динамика, по-видимому, связана с климатическими особенностями последних
лет. Относительно мягкие зимы с повышенной мощностью снежного покрова не способствовали глубокому оттеснению криопэгов по разрезу и существенному криогенному концентрированию солей зимой. Все линзы криопэгов на этом участке имеют синхронный характер изменения уровня, близки по химическому составу, но отличаются по величине минерализации воды. Несмотря на на-
блюдавшееся повышение средних годовых температур воздуха, температура грунтов, подстилающих надмерзлотные криопэги, практически не изменилась (табл.).
Формирование криопэгов на глубине 17-19 м может быть связано с промерзанием реликтового пойменного или подозерного талика, вода которого при медленном промерзании окружающих по-
обеспечивает сохранение ее в жидкой фазе при отрицательной температуре.
На территории г. Якутска причиной формирования криопэгов в нижних слоях аллювиальных песков может являться техногенное повышение температуры пород, по которым происходит диффузия растворенных солей из засоленных верхних горизонтов. Так, на изучаемом полигоне после
вода на прилегающем к нему участке температура пород в интервале 2,0-5,0 м (линза криопэгов) повысилась на 0,2-0,4°С, а подстилающих много-летнемерзлых пород (глубина 5,5-7 м) на 0,3-
пературы и концентрации порового раствора происходит диффузия ионов хорошо растворимых солей и их концентрирование в основании слоя годовых теплооборотов, что является причиной формирования линзы криопэгов на глубине 16-18 м с минерализацией 26-30 г/л. Поскольку сезонные изменения температуры приземного воздуха на этой глубине практически не сказываются, амплитуда годовых колебаний уровня воды здесь не превышает 0,7 м, а химический состав криопэгов более стабилен. В солевом составе воды в течение всего срока наблюдений содержатся хлориды натрия (55-60%), сульфаты магния (30-35%), хлориды магния (10%) и сульфаты кальция (до 4%). По данным микроэлементного анализа концентрации в воде лития, стронция и брома в два раза выше, чем в надмерзлотных криопэгах, что можно объяснить условиями застойного режима криопэгов, залегающих на глубине 16-18 м.
В 2006 г. с целью выяснения мерзлотно-гидро-геологической обстановки на исследуемом полигоне были проведены комплексные исследования, включающие буровые работы, геохимическое опробование грунтов до глубины 16 м и геофизические исследования (рис. 2).
Сравнительный анализ полученных материалов с данными аналогичных исследований, выполненных в 1989 г., показал, что наиболее выдержан по площади и во времени верхний слой надмерзлотных криопэгов, залегающий на глубине 2,0-4,5 м. Линза высокоминерализованных вод, залегающая в интервале 7-8 м, пространственно сместилась за 18 лет на 5-7 м вниз по склону с последующим промерзанием пород на вышерасположенном уча-
Таблица
Температура пород на участке залегания надмерзлотных криопэгов (2,0 - 4,5 м) на исследуемой площадке
Глубина, м 10.05.1994 21.04.1997 22.03.2001 25.04.2006 23.04.2010
0,5 -1,9 -3,8 не опр. не опр. -4,5
1,0 -1,8 -3,8 -7,1 -1,9 -4,8
1,4 не опр. -3,5 -5,4 не опр. не опр.
1,6 -1,6 -3,9 -5,3 -2,0 -4,5
1,8 -0,9 -3,0 -3,8 -1,5 не опр.
2,0 -0,7 -2,6 -3,1 -1,4 -3,4
2,5 -0,5 -1,8 -1,8 -0,9 -1,9
3,0 -0,6 -0,9 -0,5 -0,5 -0,4
3,5 -0,6 -0,7 -0,5 -0,5 не опр.
4,0 -0,7 -0,6 -0,5 -0,5 не опр.
4,5 -0,7 -0,6 -0,5 -0,5 не опр.
5,5 -0,8 -0,7 -0,7 -0,7 -0,6
6,0 -0,9 -0,8 -0,7 -0,7 -0,7
стке. Скорость ее горизонтальной миграции составила 0,3-0,4 м/год. В настоящее время на глубине 78 м отмечается незначительная влажность (1314%) и повышенная засоленность песков (0,25%). В случае последующего понижения зимних температур воздуха и малой мощности снежного покрова вследствие оттеснения порового раствора из верхнего горизонта здесь может снова сформироваться линза криопэгов.
Положение линзы криопэгов, залегающей на глубине 16-18 м и имеющей локальное распространение, за 17 лет не изменилось.
Заключение
На основании проведенных режимных исследований можно заключить, что взаимодействие отрицательно-температурного высокоминерализованного порового раствора с вмещающими рыхлыми аллювиальными отложениями в условиях динамичной геокриологической обстановки и затрудненного водообмена обусловливает сложное мерзлотно-гидрогеохимическое строение аллювиальной толщи. Линзы отрицательно-температурных высокоминерализованных вод разделены прослоями засоленных твердомерзлых или пластич-номерзлых пород. Главными факторами, обусловливающими миграцию криопэгов в песчаных отложениях, наряду с диффузией солей являются температурные условия. В холодные годы происходит оттеснение высокоминерализованного порового раствора вниз по разрезу пород, в теплые годы - горизонтальное смещение криопэгов по уклону местности.
Выявленные особенности динамики гидрогеохимических условий на участках распространения засоленных пород с криопэгами необходимо учи-
Рис. 2. Мерзлотно-гидрогеологический разрез и химический состав водной вытяжки пород на участке залегания криопэгов (март 2006 г)
тывать при проектировании и строительстве охлаждающих систем, устанавливаемых для укрепления грунтов оснований зданий и сооружений в районе г. Якутска.
Литература
1. Павлов A.B., Вотякова H.H., ШипицинаЛ.П Анализ многолетних изменений параметров теплового режима сезоннопротаивающих грунтов//В сб. «Мерзлые грунты при инженерных воздействиях». - Новосибирск:
2. Анисимова Н.П. Криогидрогеохимические особенности мерзлой зоны. - Новосибирск, 1981. -153 с.
3. Анисимова Н.П., Павлова H.A. Особенности формирования криопэгов в слое годовых теплооборотов на 63РР. ор Яку ска// р осфераЗе
4. Нерадовский Л.Г., Павлова H.A., Федоров М.А. Зависимость радиофизических свойств криопэгов от их минерализации // Наука и образование. - 2006, № 4. -С. 143-146.
НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2010, №3 УДК 552.3 (571.56)
Петрографический состав и иетрохимическая характеристика раннеюрского кобюминского вулканического комплекса
Южного Верхоянья
Я П. Шепелева, И И. Колодезников, Д.В. Захаров
Статья содержит сведения о петрографическом составе структурно-текстурных признаков и пет^рохимических особенностях вулканогенных пород раннеюрского Кобюминского вулканического комплекса Южного Верхоянья. На основании приведенных данных делаются выводы об условиЯХ 1ЛХ фо рми рования.
Ключевые слова: раннеюрский, вулканический комплекс, грабен, андезибазальт, петрохимический состав, эффузивный, пирокластический, палеогеография
The first part of the article presents information about petrographic composition and petrochemical peculiarity of The Kobuma Early Jurassic volcanic complex of The Southern Verhoyan. The article contains conclusions of their formation conditions.
Key words: Early Jurassic, volcanic complex, graben, andesite basalt, petrochemical composition, effusive, pyroclastic, paleogeography
Раннеюрский кобюминский вулканический комплекс объединяет потоки и покровы базальтов, андезибазальтов, андезитов, переслаивающиеся с эффузивно-обломочными, пирокластическими и вулканогенно-осадочными породами. Он сосредоточен в Абонском, Кюентинском грабенах Кобю-минской системы складок Южного Верхоянья. В западной части Кобюминской системы складок в
породы вулканического комплекса представлены покровами и потоками базальтов, андезибазальтов и андезитов [1]. Плагиоклазовые и пироксен-плагиоклазовые базальты имеют темно-серую, темно-зеленовато-черную окраску, это плотные, тонкозернистые породы. Наиболее часто в составе серии наблюдаются миндалекаменные базальты. Общая структура базальтов порфировая, реже афировая. Строение основной массы интерсер-тальное и микродолеритовое. Миндалины в базальтах выполнены преимущественно хлоритом и карбонатом, реже агрегатом кварц-карбонат-хлоритового состава с примесью цеолитов, размер миндалин изменяется от 2 до 9 мм.
Андезибазальты темно-серые и черные породы порфировой структуры и обладают массивной, реже миндалекаменной текстурами. Миндалины мелкие, размером до 2 мм, выполнены чаще каль-
ШЕПЕЛЕВА Яна Петровна, к.г.-м.н., доцент каф. РГиГ СВФУ, [email protected]; КОЛОДЕЗНИКОВ Игорь Иннокентьевич, д.г:-м. н., профессор, Президент Академии наук РС(Я); ЗАХАРОВ Дмитрий Васильевич, аспирант, СВФУ им М.К. Аммосова
цитом, реже хлоритом. Основная масса имеет микролитовую, пилотакситовую структуры. По соотношению вкрапленников андезибазальты разделяются на пироксен-плагиоклазовые и амфибол-плагиоклазовые. Общее количество порфировых выделений 15-25%..
Андезиты комплекса представлены серыми плотными пироксен-плагиоклазовыми разностями с порфировой и гломеропорфировой структурой. Порфировые вкрапленники составляют 30% общего объема породы и представлены плагиоклазом (50%), моноклинным пироксеном (35%) и роговой обманкой (15%). Основная масса имеет ги-алопилитовое строение.
В восточной части района в береговых обнажениях ручья Круг развиты покровы плагиокла-зовых, пироксен-плагиоклазовых и оливиновых базальтов [2], которые обладают темно-серой с зеленоватым оттенком и черной окраской. Структура пород порфировая с пилотакситовой, интер-сертальной, стекловатой основной массой, сложенной лейстами плагиоклаза, мелкими зернами пироксена, оливина, рудного минерала и буровато-зеленым стеклом. Базальты обладают миндалекаменной текстурой, шаровой и подушечной отдельностью. Размер миндалин изменяется от 0,3 до 20 мм. Миндалины выполнены карбонатом, хлоритом или агрегатом карбоната и халцедона.
Вулканокластические породы кобюминского вулканического комплекса представлены тремя группами: эффузивно-обломочными, пирокластическими и осадочно-вулканокластическими. Наиболее широко вулканокластические породы развиты в западной части Кобюминской системы
