CC BY
19К ОЦЕНКЕ ВОДООБМЕННОЙ ФУНКЦИИ
КРИОЛИТОЗОНЫ
В. В. Шепелёв
ного состояния в жидкое (процессы конденсации).
Водообменная роль криолитозо-ны связана, прежде всего, с фазовыми переходами воды из жидкого состояния в твёрдое и обратно, т.е. с процессами промерзания водо-насыщенных и протаивания льдо-насыщенных горных пород (рис. 1). Ежегодно в верхней её части происходит сезонный переход подземных льдов в жидкую фазу и обратно в огромных количественных масштабах [1 - 6]. Суммарный объём воды, образуемой от таяния подземного льда, аккумулируемого в зимний период в деятельном слое криолитозо-ны, составляет около 41012 м3 , что в 3,3 раза превышает единовременный объём воды всех рек нашей планеты [5]. Значительная часть образуемой при этом влаги поступает на формирование различных видов надмерз-лотных вод, которые расходуются на транспирацию и подземное питание рек и озёр криолитозоны. Величина надмерзлотного стока в области распространения многолетнемёрзлых
Рис. 1. Современное таяние толщ подземного льда по берегам арктических морей и некоторых крупных рек Сибири.
Фото М. Н. Гоигорьева
Виктор Васильевич Шепелёв,
доктор геолого-минералогических наук, профессор, академик
АН РС(Я), заместитель директора по научной работе ИМЗ СО РАН, главный редактор журнала «Наука и техника в Якутии»
В криолитозоне, занимающей в настоящее время четверть суши Земли и распространяющейся в некоторых районах до глубины 1,5 и более километров, содержится, по разным данным, 400 - 600 тыс. км3 подземного льда. Однако криолитозона является не только весьма масштабным по размерам хранилищем льда, но и очень динамичной открытой диссипативной системой. Основной особенностью криолитозоны как криогенной геосистемы являются фазовые переходы воды, которые во многом обусловливают сложность её строения, высокую динамичность и специфичность развития в ней различных процессов криогенеза. В данной системе происходят фазовые переходы воды из жидкого состояния в твёрдое (процессы льдообразования или промерзания), из твёрдого в жидкое (процессы протаивания), из газообразного в твёрдое (процессы десублимации или абляции), из твёрдого в газообразное (процессы сублимации), из жидкого в газообразное (процессы испарения), из газообраз-
пород, по нашим расчётам, равна 19109м3 /сут. или 220 тыс. м3/с. Для сравнения следует указать, что эта величина более чем в три раза превышает суммарный средний годовой расход таких крупнейших рек России и мира, как Лена, Енисей, Обь, Амур и Волга.
Таким образом, водообменная функция самого верхнего слоя криолитозоны, обусловленная сезонными фазовыми переходами воды из жидкого состояния в твёрдое и обратно, весьма значительна. Именно по этой причине правомерно выделять в гидрологическом (климатическом) цикле круговорота природных вод отдельно криолитогенное звено, связанное с сезонными переходами подземных вод, формируемых в деятельном слое криолитозоны, из жидкого состояния в твёрдое и обратно [6].
Своеобразна и, безусловно, более масштабна водообменная функция криолитозоны, связанная с многолетней динамикой её развития под воздействием периодических крупных колебаний климата. Мощность и площадь распространения многолетнемёрзлых пород значительно увеличиваются в периоды похолоданий климата (криохроны) и уменьшаются в последующие потепления (термохроны). В Западной и Восточной Сибири, например, только за последние 800 тыс. лет выделяют около 20 подобных пульсаций криолитозоны (криоциклов) продолжительностью от 2 до 40 тыс. лет и более [7, 8].
Последнее крупное похолодание климата произошло в сартанский криохрон (37 - 11 тыс. лет назад), который называют главным климатическим минимумом плейстоцена [8]. Пик этого похолодания был около 18 -20 тыс. лет назад, когда многолетнемёрзлые породы занимали около 110 млн км2 суши Земли, охватывая практически всю Европу, большую часть территорий Азиатского континента и Северной Америки. После этого начался общий тренд на потепление, максимум которого пришёлся в среднем на время около 7 - 6 тыс. лет назад (голоценовый климатический оптимум). В период этого термохрона южная граница распространения криолитозоны сдвинулась в северном направлении на 1300 - 1500 м, с полной деградацией многолетнемёрзлых пород на этой территории, сформировались значительные по площади надмерзлотные водоносные тали-ковые зоны мощностью до 150 - 300 м.
Ориентировочный расчёт показывает, что за период голоценового термохрона было переведено в жидкую фазу около 4,51015 м3 подземного льда. Интенсивность поступления воды, образуемой от таяния этого количества льда, в поверхностные и подземные пути её стока и аккумуляции составляла порядка 820 км3 в год. Это сопоставимо с интенсивностью водообмена в таких звеньях геологического цикла круговорота природных вод как литогенное, метаморфоген-ное и магматогенное. Учитывая данное обстоятельство, автором ранее предлагалось выделять отдельно криолитогенное звено в геологическом цикле круговорота природных вод [6, 9].
Весьма специфичен водообмен подмерзлотных вод с поверхностными водами при масштабных изменениях
климата. В периоды похолоданий промерзание водоносных горных пород вызывает отжатие определённой части подземных вод от фронта межфазовой границы, поскольку объём образующегося в горных породах льда примерно на 9% больше жидкой фазы воды. Под воздействием подобного кристаллизационно-компрес-сионного эффекта значительно повышаются гидростатическое давление в промерзающих водоносных горизонтах и пьезометрические уровни подмерзлотных вод. Амплитуда повышения гидростатического давления в подмерзлотной зоне в периоды похолоданий климата, как показало моделирование, может достигать 32 -34 МПа [10]. Это способствует значительному повышению величины разгрузки подмерзлотных вод по сквозным таликам, существующим под крупными реками и озёрами в криолитозоне (рис. 2).
В продолжительные периоды потеплений климата происходит смещение фазовой границы (мёрзлые породы - подземные воды) вверх по разрезу, что сопровождается понижением гидростатического давления в подмерзлотной зоне (кристаллизационно-вакуумный эффект). Под воздействием этого эффекта формируются значительные по величине депрессии пьезометрического уровня в подмерзлотных водоносных горизонтах и комплексах, что интенсифицирует как горизонтальную фильтрацию подземных вод, так и их инфильтрацион-ное питание за счёт поверхностных вод по сквозным таликовым зонам. Величина инфильтрационного питания подмерзлотных вод по сквозным таликам в периоды потепления климата может достигать 40 - 60 м3 на 1 км2 площади таликовой зоны [10].
Таким образом, в продолжительные периоды похолоданий климата происходит не только перевод огромных объёмов подземных вод в твёрдую фазу, но и истощение ресурсов подмерзлотных водоносных горизонтов за счёт повышения величины их разгрузки по сквозным таликовым зонам под воздействием кристаллизацион-но-компрессинного эффекта. В длительные периоды потеплений климата происходит восполнение запасов и ресурсов подмерзлотных вод как за счёт таяния подземного льда, так и повышения их инфильтрационного питания по сквозным таликовым зонам. Именно активная водообменная роль последних сохраняет их от промерзания даже в период значительных по амплитуде и продолжительных по времени похолоданий климата.
Высокая водообменная функция криолитозоны, безусловно, связана с тем, что периодические фазовые переходы подземных вод в твёрдую фазу и обратно увеличивают трещиноватость и эффективную пористость горных пород, повышая тем самым их фильтрационные свойства. Особенно интенсивно криогенная деструкция горных пород протекает в верхних слоях разреза криолитозоны, где имеют место сезонные переходы жидкой фазы воды в твёрдую и обратно. При этом широкое развитие морозобойной трещиноватости горных пород способствует формированию своеобразного полигонально-локализованного типа питания и стока надмерзлотных вод деятельного слоя, что значительно усиливает условия их водообмена с поверхностными водами.
Начальная стадия промерзания
N 6чг\сХлет
Конечная стадия промерзания
Н200
600
ю >
,с;
1000
1400
Начальная стадия протаивания
Конечная стадия протаивания
- 200
- 600
г
га"
X
ю >
с
- 1000
1600
1200 800 400 Расстояние, м
1200 800 400 Расстояние, м
И? Иг
Рис. 2. Моделирование фильтрации подземной воды через сквозную таликовую зону в разные климатические периоды при периодическом изменении мощности многолетнемёрзлых пород, схематизировано по В. Т. Балобаеву [10]:
1 - многолетнемёрзлые породы, их фазовая граница и направленность её смещения (минимальная мощность - в момент времени 0 и 40 тыс. лет, максимальная - в период 20 тыс. лет); 2 - сквозная таликовая водоносная зона и направленность движения воды в ней (плотность и толщина стрелок пропорциональны величине подземного водного потока)
В средних и нижних частях разреза криолитозоны также отмечается развитие криогенной деструкции горных пород, что приводит к возникновению зон их вторичной трещиноватости (криогенной дезинтеграции). Периодическая пульсация нижней границы многолетне-мёрзлой толщи и плановых размеров сквозных таликов вызывает формирование на контакте талых и мёрзлых горных пород сильнообводнённых зон, способствующих усилению водообмена в гидрогеологических структурах криолитозоны и улучшению взаимосвязи подмерзлот-ных вод с поверхностными водами [11, 12].
Помимо процессов промерзания водонасыщенных и протаивания льдонасыщенных горных пород, определённую роль в водообменной функции криолитозоны, безусловно, играют и другие фазовые переходы воды. Однако изучены они в этом отношении недостаточно глубоко и всесторонне. Имеющиеся результаты исследований свидетельствуют о том, что такие фазовые переходы воды, как процессы десублимации (абляции), испарения и конденсации, протекают в условиях криолитозоны достаточно интенсивно. Так, по данным водобалансовых
наблюдений, проведённых в Центральной Якутии, в деятельном слое, сложенном разнозер-нистым песком, в зимний период может аккумулироваться в виде десублимационного льда около 40 - 60 мм влаги [5]. В подмерз-лотной зоне процессы десубли-мационного льдообразования возможны в тех случаях, когда уровень безнапорных подземных вод залегает ниже подошвы многолетнемёрзлой толщи. Подобные условия встречаются в некоторых высокогорных гидрогеологических массивах и ад-массивах криолитозоны.
В заключении необходимо отметить, что активная водооб-менная роль криолитозоны, обусловленная фазовыми переходами воды, оказывает огромное влияние на формирование и из-1400 менение качественного состава подземных и поверхностных вод [13, 14]. При кристаллизации, например, жидкой фазы воды и последующем таянии образуемого льда происходит существенная трансформация химического, газового и изотопного состава воды, что приводит, в частности, к улучшению её питьевых свойств и повышению биологической активности. В этом отношении криолитогенные звенья в климатическом и геологическом циклах круговорота природных вод представляют собой своеобразные, очень эффективные и высокопродуктивные естественные механизмы их непрерывно идущей очистки и регенерации. Всё это указывает на необходимость и важность дальнейшего комплексного изучения водообменной функции криолитозоны.
Список литературы
1. Втюрин, Б. И. Подземные воды СССР / Б. И. Втюрин. - М. : Наука, 1975. - 215 с.
2. Шумилов, Ю. В. Континентальный литогенез и россыпеобразование в криолитозоне / Ю. В. Шумилов. - Новосибирск: Наука, 1986. - 173 с.
3. Алексеев, В. Р. Вода и лёд в криосфере Земли / В. Р. Алексеев // Фундаментальные проблемы изучения и использования воды и водных ресурсов : материалы международной конференции. - Иркутск : Изд-во Института географии СО РАН, 2005. - С. 4-7.
4. Котляков, В. М. Избранные сочинения. Кн. 5. В мире снега и льда / В. М. Котляков. - М. : Наука, 2002. -384 с.
5. Шепелев, В. В. Надмерзлотные воды криолитозоны / В. В. Шепелев. - Новосибирск : Академическое изд-во «Гео», 2011. - 169 с.
6. Шепелев, В. В. О схеме круговорота природных вод /В. В. Шепелев //Доклады IV Всероссийского гидрологического съезда, секция 3. - М. : Метеоагентство Росгидромета, 2008. - Ч. II. - С. 72-76.
7. Фотиев, С. М. Современные представления об эволюции криогенной области Западной и Восточной Сибири в плейстоцене и голоцене / С. М. Фотиев // Криосфера Земли. - 2005. - Т. IX, № 2. - С. 3-22.
8. Зубаков, В. А. Глобальные климатические события плейстоцена / В. А. Зубаков. - Л. : Гидрометеоиздат, 1986. - 280 с.
9. Шепелев, В. В. Фазовые переходы воды - основа природных водообменных циклов / В. В. Шепелев // Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже третьего тысячелетия. - Томск : Изд-во НТЛ, 2000. - С. 495-498.
10. Балобаев, В. Т. Гидродинамические процессы формирования подмерзлотных вод /В. Т. Балобаев // Подземные воды Центральной Якутии и перспективы их использования. - Новосибирск : Изд-во СО РАН, филиал «Гео», 2003. - С. 51-67.
11. Алексеев, С. В. Криогидрогеологические системы Якутской алмазоносной провинции / С. В. Алексеев. -Новосибирск : Академическое изд-во «Гео», 2009. - 319 с.
12. Фотиев, С. М. Криогенный метаморфизм пород и подземных вод (условия и результаты) / С. М. Фотиев. - Новосибирск : Академическое изд-во «Гео», 2009. - 279 с.
13. Анисимова, Н. П. Криогидрогеохимические особенности мёрзлой зоны литосферы /Н. П. Анисимова. -Новосибирск : Наука, 1981. - 153 с.
14. Анисимова, Н. П. Гидрогеохимические исследования криолитозоны Центральной Якутии / Н. П. Анисимова, Н. А. Павлова. - Новосибирск : Академическое изд-во «Гео», 2014. - 189 с.
ШЪ1<Е Ч&01Ш
Шполянская Н. А. Плейстоцен-голоценовая история развития криолитозоны Российской Арктики «глазами» подземных льдов / Н. А. Шполянская. - М. ; Ижевск : Институт компьютерных исследований, 2015. - 344 с.
Книга посвящена дискуссионной проблеме, касающейся палеогеографического развития Российской Арктики. Проведено исследование эволюции криолитозоны в позднем кайнозое и предложена реконструкция палеогеографических обстановок нескольких эпох плейстоцена-голоцена, когда сформировались многие черты, определившие современный природный облик Севера России. В основу реконструкции положен анализ крупных залежных подземных льдов, широко распространённых в Арктике (на суше и на шельфе) в отложениях всех эпох плейстоцена и голоцена и обладающих высокой палеогеографической информативностью. Среди подземных льдов выявлен новый генетический тип - лёд субмаринного происхождения. Получен ряд новых выводов. Показано, что развитие западного и восточного секторов Российской Арктики в плейстоцене проходило не одинаково: западный сектор большую часть плейстоцена развивался в условиях трансгрессивного режима и морского осадконакопления, восточный сектор -в течение всего периода в условиях континентального режима и преимущественно озёр-но-аллювиального и лагунного осадконакопления. Оледенение в регионе в целом было невелико, а распространение покровных ледников ограничивалось с востока полуостровом Канин. Сделан вывод, отрицающий ведущую роль гляциоэвстатических процессов в колебаниях уровня Арктического бассейна и выводящий на первый план роль неотектонических процессов, связанных с рифтовой структурой Северного Ледовитого океана.
Книга рассчитана на широкий круг специалистов, чья профессиональная деятельность связана с Арктикой и ее природой, а также на всех тех, кто интересуется науками о Земле.
