CC BY
133кришЭга - жидкая МЕРЗЛОТА
В. Р. Алексеев
Владимир Романович Алексеев,
доктор географических наук, профессор, главный научный сотрудник Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН
Вода обладает удивительным свойством растворять самые различные вещества. Ни одна другая жидкость не содержит такого обилия химических элементов, как обыкновенная Н2О. Абсолютно чистой воды в природе не существует. Даже во взвешенных атмосферных каплях и ледяных кристаллах присутствуют микроскопические доли инородных веществ. В процессе выпадения дождя и снега, талого стока по поверхности земли и инфильтрации в толщу земной коры водные массы постепенно насыщаются химическими элементами, все больше и больше. В некоторых случаях, например, при интенсивном испарении воды в замкнутых котловинах и в результате криогенного концентрирования, количество растворенных солей может измеряться десятками и даже сотнями граммов на 1 литр. Спектр природных вод по количеству и составу растворенных веществ очень широк. Принята следующая категоризация воды по степени ее минерализации: пресные - до 1 г/л, солоноватые - от 1 до 10 г/л, соленые - от 10 до 50 г/л, рассолы - свыше 50 г/л.
Пресная вода переходит в лед при 0° С, а другие категории воды замерзают при температуре значительно ниже 0° С. Все зависит от степени минерализации: чем больше в жидкости растворенных веществ, тем ниже точка ее замерзания. Диапазон отрицательных температур, в пределах которого различные по химическому составу водные растворы могут находиться в жидком (незамерзшем) состоянии, измеряется десятками градусов (таблица). В естественных условиях в воде растворены самые разные вещества, поэтому температура ее замерзания зависит от соотношения и количества веществ в растворенном виде. Так, морская вода соленостью 10%о замерзает при температуре -0,5° С, соленостью 25% - при температуре -1,35° С, соленостью 40% - при температуре -2,2° С. Природные воды, имеющие отрицательную температуру, но находящиеся в жидком состоянии, называются криопэгами.
Криопэги - безусловный объект криосферы Земли, однако выделены они сравнительно недавно [1], поэтому изучены еще недостаточно. Было
Температура замерзания однокомпонентных растворов Тэ при их полном насыщении Сэ (эвтектическом концентрировании)
Состав Гэ, ° С Сэ, г/л Твердая фаза в эвтектической
раствора (*г/кг) точке
-1,2 42 лед + Na2SO4 ■ 10Н20
-1,6 234* лед + CuSO4 ■ 5Н20
FeSO4 -1,8 263* лед + FeSO4 ■ 7Н20
NaCOз -2,1 61 лед + Na2CO3 ■ 10Н20
MgSO4 -4,8 229 лед + MgSO4 ■ 12Н20
№2Б -9,0 81 лед + Na2S ■ 9Н20
№С1 -21,2 304 лед + NaCl ■ 2Н20
NaBr -28,2 675 лед + NaBf ■ 5Н20
МдС12 -33,5 266 лед + МдС12 ■ 12Н20
МдВг2 -42,7 582 лед + МдВг2 ■ 10Н20
СаС12 -49,8 439 лед + СаС12 ■ 6Н20
ЫС1 -67,0 316 лед + ЫС1 ■ 5Н20
□Вг -72,0 642 лед + ЫВг ■ 5Н20
СаВг2 -83,0 869 лед + СаВг2- 6Н20
время (в середине прошлого столетия), когда наличие в толще земной коры отрицательно-температурной жидкой воды служило причиной в ожесточенной дискуссии среди геокриологов по вопросу - что называть вечной мерзлотой? Сошлись на том, что льдосодержащие горные породы стали называть многолетне- и сезонномерзлыми, а не содержащие воды и лед, но имеющие отрицательную температуру, - морозными. Горные породы с температурой ниже 0° С, насыщенные незамерзшими солеными водами и рассолами, получили название охлажденных, что не вполне корректно, так как другие виды промороженных толщ также являются результатом охлаждения. А вот такие названия, как «мокроморозные породы» или «жидкая мерзлота» оказались за бортом научной терминологии, хотя последний термин, на мой взгляд, является кратким, емким и образным. По существу, он отражает самое главное - тепловое состояние вещества и его «консистенцию». Сейчас, когда утихли баталии и все встало на свои места, к внедрению этого термина нет формальных возражений. По нашему мнению, его с полным основанием можно использовать как синоним нерусского слова «криопэги» (от латинского «криос» - холод, «пэг» - вода). Далее мы покажем, что применение этих терминов в равном значении вполне оправдано и целесообразно.
криопэгов и их разнообразии на земном шаре. Нестор Иванович воссоединил до того разъединенные объекты криосферы (промороженные грунты и почвы, незамерзающие соленые озера, отрицательно-температурные океанические и морские воды) в единую систему и, таким образом, открыл широкие возможности для их комплексного и всестороннего изучения.
С тех пор прошло несколько десятилетий, и хотя учение о криопэгах пока еще не оформилось в самостоятельное научное направление, полученные за этот период материалы позволяют приоткрыть перспективы дальнейших исследований. Спектр научных задач и проблем, связанных с географическим распространением, происхождением, свойствами и закономерностями развития жидкой мерзлоты, можно определить в соответствии с разработанной нами сводной классификацией криопэгов, учитывающей основные идеи Н. И. Толстихина, его сподвижников и учеников [4-6]. На схеме (рис. 1) выделены как известные типы отрицательно-температурных вод (по времени существования, температуре и положению относительно многолетне-мерзлых горных пород), так и их новые группировки
Типы жидкой мерзлоты (классификация криопэгов)
Первую развернутую классификацию отрицательно-температурных природных вод предложил выдающийся гидрогеолог и мерзлотовед Нестор Иванович Толстихин на основе разработанной им концепции о структуре и содержании нового научного направления - криологии [2]. По представлениям Н. И. Толстихи-на, криология как наука состоит из 4 основных направлений -атмокриологии, гидрокриологии, геокриологиии и астрокриологии (криологии планет). Воды Земли едины, поэтому их изучение, вне зависимости от теплового состояния и местоположения, в том числе в сфере холода, должно осуществляться с позиций всеобщего познания окружающего нас мира. Н. И. Толстихиным были выделены три главные категории криопэгов -озерные, морские и подземные. Каждая из этих категорий расчленена на ряд более дробных единиц, которые в совокупности дают фундаментальные представления о масштабности распространения
Рис. 1. Схема классификации отрицательно-температурных вод -
криопэгов
и подразделения - гидроморфные гляциоморфные и литоморфные. Ниже рассматриваются основные особенности и свойства выделенных групп криопэгов.
Криопэги в водной среде
Это самая крупная структурная группировка соленых вод и рассолов, имеющих отрицательную температуру. Она состоит из трех основных типов вод (морских, озерных и речных). Криопэги данной категории формируются в различных термодинамических условиях - субаэральных (открытых в атмосферу), субгляциальных (в толще ледяных покровов и массивов) и субаквальных (под водоемами и водотоками).
Морские криопэги составляют значительную часть Мирового океана, объем которого 1370 млн км3. Область формирования морских криопэгов простирается далеко за пределы границ распространения плавучих льдов и, видимо, совпадает с нулевой изотермой средней годовой температуры воздуха. Это весь Северный Ледовитый океан (площадь без островов 14,7 млн км2, объем 16,7 млн км3), северные части Тихого и Атлантического океанов (моря Северное, Берингово, Охотское, часть Японского, общей площадью около 5,0 млн км2), а также океанические воды вокруг материка Антарктиды (площадь около 20,3 млн км2, средняя глубина 3500 м). Акваторию вокруг южного материка ученые и моряки некоторых стран, в том числе России, объединяют в Южный океан, граница которого проводится по зоне конвергенции холодных антарктических вод (примерно 60° ю.ш.). Южный океан замерзает до 65° ю.ш., но айсберги распространяются до 44 - 57° ю.ш. Недавно в журнале «Лед и снег» [7] опубликована очень интересная статья о термическом состоянии Южного океана. В ней обобщены материалы 10 тыс. гидрологических станций за 100 лет наблюдений, начиная с 1911 г. Приведены карты и разрезы морских вод, охлажденных ниже 0° С (рис. 2),
показаны гигантские масштабы распространения криопэгов, их неоднородность по площади и глубине. В частности, выяснено, что более плотные соленые воды с температурой до -1,5° С стекают по материковому склону на дно Мирового океана на глубину более 3 км и распространяются далеко от места своего формирования в сторону экватора. Не исключено, что именно с этими водами генетически связано Эль-Ниньо - перестройка
500-
Рис. 2. Распространение и температура морских криопэгов в Южной полярной области Земли [7].
а - вокруг материка Антарктиды (показана потенциальная температура в придонном 50-метровом слое). Изобаты 500 м и 3000 м соответствуют верхней и нижней границам материкового склона. Квадратами обозначены районы детальных исследований: 1 - залив Прюдс; 2 - залив Маргерит; 3 - море Амундсена. б - разрез по 70° в.д. залива Прюдс в 2013 г.
течений в экваториальной части Тихого океана, влияющая на климат нашей планеты.
О криопэгах Северного полушария Земли можно судить по данным, опубликованным российскими исследователями [8]. Установлено, что большая часть Северного Ледовитого океана имеет постоянную в году отрицательную температуру по всему разрезу. Даже на глубинах 3,5 - 4,0 км она колеблется от - 0,3 до - 0,75° С (рис. 3). Положительно-температурные воды располагаются здесь лишь на мелководном шельфе на приустьевых участках сибирских и северно-американских рек (Обь, Енисей, Лена, Маккензи и др.), да и то только в короткий летний период (за счет выноса тепла в океан речными водами). Крупные аномалии в температурной стратификации океана (примерно до глубины 800 -1200 м) вносят потоки атлантических вод (Гольфстрим) и тихоокеанские массы, проникающие через Берингов пролив к северному побережью Аляски. Однако, в целом, Северный Ледовитый океан, также как и Южный, представляет гигантский массив отрицательно-температурных вод, сформировавшийся на месте великого Панарктического ледникового покрова, растаявшего на рубеже плейстоцена-голоцена 8 - 12 тыс. лет назад [9].
Общая масса отрицательно-температурных морских вод не подсчитана, недостаточно изучены и закономерности их динамики во времени и пространстве. Тем не менее сейчас можно уверенно говорить о том, что океаническая жидкая мерзлота по объему в несколько раз превышает свой континентальный аналог
Озерные криопэги образуются в замкнутых котловинах в регионах с холодным, преимущественно аридным климатом, например, в Монголии, Якутии, Северном Казахстане. Питание их может быть подземное (соленые источники и рассолы), снежно-дождевое или смешанное. Наиболее ярко проявляются литогенные криопэги в карстовых впадинах, сформированных на соляных толщах или вблизи них. Хорошо известны отрицательно-температурные воды озер Илецкого соляного купола (Развал, Тузлучное, Провал и др.). Так, озеро Развал площадью 72 тыс. м2 и глубиной около 20 м лежит на мощном слое каменной соли, слегка прикрытом песком и супесчаными отложениями. Вода этого озера содержит до 300 г/л минеральных веществ. Зимой рапа охлаждается до температуры минус 12 - 18° С и находится в этом состоянии весь год. Летом прогревается только верхняя, 4-метровая толща воды, при этом температура ее у поверхности достигает 32 - 35° С. На дне озера сформировался слой гидрогалита ^аС1-2Н2О), минерала, существующего только при отрицательной температуре среды [10].
В мелководных озерах с атмогидрогенным питанием процессы неоднократного испарения и промерзания приводят к тому, что водные массы постепенно насыщаются минеральными веществами и превращаются в горько-соленые источники, не пригодные для питья и хозяйственных нужд. В этих озерах даже в знойные летние дни вода на дне также может иметь отрицательную температуру, так как конвективного теплообмена
Хребет Ломоносова
Хребет Менделеева
Котловина Нансена
Хребет Га к к ел я
Котлови н а Амундсен а
Котловина подводников
Канадская котловина
Их
Рис. 3. Огромная чаша Северного Ледовитого океана заполнена жидкой мерзлотой - солеными морскими водами с отрицательной температурой (криопэгами). Разрез от о. Комсомолец (архипелаг Северная Земля) до о. Принца Патрика (Канадский Арктический архипелаг [8]:
1 - морские воды с положительной температурой; 2 - морские воды с отрицательной температурой (криопэги);
3 - измерительные гидрологические станции. Температура воды (° С) показана изолиниями белого цвета
5° С, а в теплое
(перемешивания) в них практически не происходит из-за высокой плотности нижних горизонтов. Зимой же, наоборот, в лютые морозы соленые озера не замерзают или промерзают лишь на небольшую глубину. Таково, например, озеро Туус-Кюэль длиной около 1700 м в Сунтарском улусе Якутии (рис. 4).
Известен случай обратной температурной стратификации в соленых озерах. В районе Кем-пендяйских соляных структур (бассейн р. Вилюя, Якутия) встречаются небольшие озера из рапы, которая летом перекрывается слоем дождевой и надмерзлотной воды толщиной 15 - 20 см. Зимой этот слой превращается в чистую, прозрачную корку льда, которая создает мощный парниковый эффект - проникающие сквозь нее солнечные лучи почти полностью преобразуются в тепловую энергию. В результате температура рапы на глубине 0,5 м даже в лютые сибирские морозы составляет 0 время года достигает 40° С и более.
Своеобразным аналогом соляных озер - криопэгов -являются дренажные воды из горных выработок, которые складируются в специальных отстойниках на поверхности земли. Так, например, в 1983 г. в верховье ручья Тымтайдаах, левого притока р. Малой Ботуобии, был построен гидроузел с целью обеспечения регулируемого сезонного сброса дренажных рассолов, поступающих в карьер трубки «Мир», в р. Малую Ботуобию и далее в р. Вилюй [11]. Грунтовая плотина высотой 34 м ограничивала аккумулирующую емкость объемом 15 млн м3. Характерный температурный и гидрохимический режим рассолов в этом накопителе дренажных рассолов показан на рис. 5. Следует отметить, что к весне отрицательные значения температуры дренажных вод формируются по всему разрезу накопителя. В теплое время года происходит существенная перестройка структуры водной массы, но большая часть рассолов так и остается в охлажденном состоянии при температуре -4° С и ниже.
Непромерзающие соленые озера встречаются даже в Антарктиде. Например, в Оазисе Бангера известны водоемы глубиной 2-3 м, вода которых имеет соленость 5000%о, т.е. в 150 раз больше солености морской воды. Зимой температура воды в озерах опускается на десятки градусов ниже нуля, а летом они полностью вскрываются, благодаря активной солнечной радиации, хотя и имеют низкую температуру [12].
Необходимо обратить внимание еще на одну разновидность отрицательно-температурной водной среды - пресноводную. Известно, что понижать температуру замерзания воды может не только ее соленость, но и повышенное давление. В природе такие условия
Рис. 4. Незамерзающее соленое озеро Туус-Кюэль в Сунтарском улусе Якутии (dnevniki.ykt.ru-42Jmg_2232)
существуют в Антарктиде, в подледниковых озерах. Ученые доказали, что в основании мощных ледниковых щитов имеется более 120 пресноводных озер различной глубины и конфигурации (по другим источникам их число приближается к 280). Озера возникли в результате донного таяния льда под нагрузкой 250 - 300 атм., которую создает мощная ледяная толща. Наиболее крупное подледниковое озеро Восток открыли российские исследователи в 90-х годах прошлого столетия по прогнозу сотрудника Института географии РАН И. А. Зо-тикова. Оно расположено на глубине 4000 м и имеет длину 280 км, ширину 60 км и глубину до 1200 м (объем воды около 5400 км3). Два больших подледниковых озера в январе 2000 г. обнаружили американские геофизики Робин Белл и Майкл Штудингер на глубине около 3000 м. Площадь этих замкнутых, спрятанных подо льдом водоемов составляет соответственно 2000 км2 и 1600 км2. Впрочем, утверждать, что все подледнико-вые озера Антарктиды пресные, рискованно. Антарктида без ледникового покрова - это архипелаг крупных и мелких островов. Здесь вполне вероятно существование соленых озер и даже рапы. Они могли сохраниться подо льдом с доледникового периода как остатки захороненных морских бассейнов. Могли они возникнуть и в результате вымораживания реликтовых пресноводных водоемов. Не исключено, что обнаруженные водные объекты имеют двуярусное строение - верхняя часть пресная, а нижняя соленая, причем обе части разреза имеют отрицательную температуру.
Речные криопэги ограничены по объему и распространению. Крупные незамерзающие соленоводные реки в криолитозоне Земли не известны, однако соленые ручьи и небольшие речки, вытекающие из соленых
о
уУро«№ь 7-11 апреля 1986 я;
О 1 □ 2 □ 3 О 4
Ш 5" □ б О 7 ЕЗ 8
ЕЗ 9 ПИ юЕЭ 11
12
у^юм&Т-П тропя 1986 г.
Рис. 5. Температура, химический состав и плотность криопэгов в накопителе дренажных вод алмазоносной трубки «Мир» (Якутия) в апреле (А) и августе (Б) 1986 г. [11]:
1 - ледяной покров; 2 - верхний безградиентный слой; 3 - переходный слой повышения температуры; 4 - нижний безградиентный слой; 5 - слой летнего прогревания; 6 - переходный слой понижения температуры; 7 — охлажденный слой; 8 - изотерма температуры 0° С; 9 - слой опреснения; 10 - слой увеличения солености воды; 11 - слой неразбавленных дренажных рассолов; 12 - характеристика воды в точке опробования: слева - плотность (г/см3), справа - минерализация (г/дм3)
озер, покрытых льдом - не редкость. Отрицательно-температурные водные потоки встречаются у фонтанирующих буровых скважин, в дренажных каналах горных выработок, в нижних бьефах плотин хвосто-хранилищ и накопителей, в соленосных районах вблизи крупнодебитных родников и пр. Гипотетически соленоводные реки с отрицательной температурой существовали на Марсе и некоторых других удаленных от Солнца планетах.
Криопэги во льдах
Наличие соленых вод во льдах, на первый взгляд, кажется невероятным, ведь лед любого происхождения при таянии превращается в пресную воду. Действительно, одиночные кристаллы льда ультрапресные, однако в массиве ледяного покрова всегда можно встретить ячейки, пленки или прослои воды с повышенной минерализацией вплоть до рассолов. В некоторых
генетических типах льда, например, в морском ледяном покрове, в замерзающих соленых озерах минерализация криопэгов измеряется десятками и сотнями граммов на один литр расплава. Встречаются и настоящие «залежи» соленых вод среди многометровых ледяных толщ.
Незамерзшие соленые воды во льду могут быть двух типов - аллохтонные, попавшие в криогенную среду со стороны путем привноса или инфильтрации, и автохтонные, образовавшиеся на месте своего нахождения и возникшие в результате вымораживания. Аллохтонные криопэги наиболее широко распространены на ледяном припае арктических морей с жестким креплением к берегам. Здесь прослои морских вод во льду возникают осенью и в начале зимы вследствие периодических приливно-отливных явлений и ветровых нагонов морских вод. Припай в данном случае представляет собой слоистый «пирог», состоящий из прослоев морской воды, промоченного снега и опресненного льда. Со временем в результате сильных морозов он полностью промерзает и превращается в монолит с большим количеством кристаллов вымороженных солей. Такие участки тянутся вдоль берегов замерзающих морских бассейнов на десятки и сотни километров. В меньших размерах они встречаются вдали от берегов, где выход морской воды на поверхность льда происходит под давлением выпавшего снега, ледяных торосов, подсовов и надвигов льда и пр. На суше аллохтонные криопэги можно обнаружить в толще наледного льда, намерзшего при излиянии рассолов и соленых вод из буровых фонтанирующих скважин, отстойников, хвостохранилищ, у соленых родников. Широко известны Кемпендяйские источники соленых вод, которые зимой намерзают в виде ледяных массивов и бугров высотой до 3 м. В них даже при сильных якутских морозах рассол замерзает не полностью, а присутствует во льду в виде ячеек и прослоев. Характерно, что при таянии таких наледей на месте их формирования остаются скопления чистой поваренной
Рис. 6. Группа отдыхающих на соляной наледи лечебницы Кемпендяй (Сунтарский улус, Якутия) у буровой скважины с изливающимися криопэгами (http://sakhalife.ru/node/59127)
соли, которую местные жители издревле собирали и использовали в пищу и для подкормки скота. Для этого они устраивали специальные огражденные бассейны, служившие аккумуляторами соленых вод, изливающихся из недр земли. Между прочим, режим Кемпендяйских источников впервые изучал еще в 1828 г. геолог Илья Чайковский, отец великого композитора П. И. Чайковского. В частности, он писал; «Чем более увеличивается зимняя стужа, тем более увеличивается соляной бугор, так что в самые сильные морозы декабря и января водомет с шумом, наподобие фонтана, выходит до 1,5 сажени высоты...» [13, с. 42]. Ныне на месте знаменитых источников устроен курорт (рис. 6).
Есть основания предполагать о наличии аллохтон-ных криопэгов в некоторых ледниках (в соленосных регионах криолитозоны) и ледниковых покровах. Так, в одной из сухих долин Западной Антарктиды, вблизи американской научной станции Мак-Мёрдо, обнаружен так называемый «кровавый водопад» - ледяной каскад ярко-красного цвета, сформировавшийся в результате намораживания воды, вытекающей из толщи ледника Тейлора (рис. 7). Вода не замерзает при температуре -10° С, так как ее соленость в четыре раза превышает соленость морской воды. Установлено, что криопэ-ги вырываются на дневную поверхность под большим давлением по ледниковым трещинам из древнего соленого озера с температурой - 5° С, находящегося под ледником на глубине 400 м. Это озеро - часть моря, погребенного около 4,0 - 1,5 млн лет назад. С тех пор оно поставляет на поверхность воду необычного цвета и солености. Ученый Джилл Микуки из Дармутско-го университета (Dartmouth College в Ганновере, штат Нью-Хемпшир) показал, что красный цвет криопэгов определяют уникальные микроорганизмы, питающиеся трехвалентным железом, которое, окисляясь, и придает воде и льду такой необычный цвет (Science, 17 апреля 2009 г. - http://echo.msk.ru/programs/granit/587153-echo/).
Рис. 7. Кровавый водопад в Антарктиде. Излияние криопэгов из водоносных полостей ледника Тейлора (http://travel.tochka.net/6241-krovavyy-vodopad-v-antarktide-shokimyushchie-fotografii/#)
Условия для внедрения воды в ледниковые толщи из подледных озер имеются и в других районах Антарктиды, а также в Гренландии.
Автохтонные криопэги формируются во льдах любого происхождения, даже в градинах, но особенно широко представлены в морском и наледном льду. Образование их определяется следующими процессами. Формирование кристаллов льда в соленой воде начинается при отрицательной эвтектической температуре, соответствующей концентрации растворенных веществ. Рост кристаллов льда сопровождается вытеснением солей в маточный раствор, при этом температура кристаллизации понижается. Постепенно ледяные кристаллы окружают рассол, образуются ячейки незамерзшей воды, которая обогащается солями все больше и больше. Часть солей кристаллизуется, а часть переходит под образующийся ледяной покров. Таким образом, лед на ранней стадии формирования представляет собой смесь пресных ледяных кристаллов, ячеек с рассолом и агрегатов солей. В дальнейшем под действием гравитации, колебаний температуры и давления ячейки с рассолом постепенно опускаются вниз. Если же промерзание водной массы происходит быстро, то соленость льда близка к солености исходной воды. Если теплоотдача в окружающую среду идет медленно, то почти весь рассол уходит в подледное пространство, а соленость льда приближается к нулю.
В наледном льду процесс формирования крио-пэгов протекает несколько иначе. Здесь ячейки воды с повышенной минерализацией не перемещаются вниз, так как этому препятствует твердое основание, а распространяются субгоризонтально, при этом под давлением растущих кристаллов они могут расщеплять ледяные слои, скапливаясь в микропонижениях рельефа. В разрезах наледей практически всегда можно найти плосковыпуклые линзы льда размером до 10 м в диаметре и до 0,8 м высотой, которые нарушают слоистую структуру наледного льда. Это и есть промерзшие криопэги. Их местоположение и химический состав определяется так называемыми наледными солями - непременным спутником послойного намораживания воды (рис. 8). Формирование криопэгов в толще наледного льда часто завершается образованием бугров пучения, растрескиванием ледяного массива и извержением обогащенных солями наледеобразующих вод. Характерную модель физического процесса формирования криопэгов данного типа можно наблюдать после оттепелей при промерзании луж талой воды на асфальте или на обочинах проселочных дорог с валами тающего снега. Замерзшая лужа обычно представляет собой плоскую пирамиду, состоящую из нескольких налегающих друг на друга ледяных слоев. На вершине верхнего
слоя непременно есть бугорок из смоченных рассолом кристаллов льда и соли. Это микровулканическое образование есть конечный продукт сложного гидрохимического явления - криогипергенеза. Масштабы его развития внешне незаметны. Однако анализ современных данных показывает, что наледные криопэги распространены практически во всех областях криолитозоны, в границах всех замерзающих водоемов и водотоков. Они не только оказывают существенное влияние на структуру и свойства ледяного покрова, но и играют заметную роль в гидрохимическом балансе и распределении химических веществ.
Криопэги в горных породах
Подземные криопэги не столь грандиозны по объему, как морские отрицательно-температурные воды, но, безусловно, конкурируют с сезонными крио-пэгами в наледных льдах. Их распространение по площади совпадает с границами криолитозоны, соответствующими периоду максимального последнего похолодания, а по вертикали не превышает 1 км. Происхождение отрицательно-температурных подземных вод связано с тремя главными процессами:
■ проникновением морских вод в толщу прибрежных горных пород;
■ растворением солей, содержащихся в составе вмещающих подземную воду горных пород;
■ криогенным концентрированием (вымораживанием) веществ, растворенных в подземных водах вследствие процессов их неоднократного промерзания и про-таивания.
Морской тип засоления грунтов распространен по всему побережью Северного Ледовитого океана, на островах и в глубине евразийского и северно-американского континентов вплоть до южных границ плейстоценовых
# • •• .. : ->: . •• ¿'V г .Л
Рис. 8. Агрегаты кристаллов соли, вымороженных при промерзании линзы криопэгов в наледном льду. Наледный полигон Эден, Восточные Саяны (фото автора)
морских трансгрессий. Здесь криопэги сформировались при насыщении осадков морскими водами и последующим неоднократным их преобразованием в процессе диа- и криогенеза. При промерзании поровых растворов часть веществ захватывалась ледяными кристаллами, а другая выпадала в осадок или отжималась под толщу мерзлоты, увеличивая концентрацию маточного морского раствора. При отступании моря верхние горизонты опреснялись за счет инфильтрующихся атмосферных осадков. В условиях застойного режима засолению подверглись значительные площади сезоннопротаиваю-щих (надмерзлотных) грунтов. Большинство подземных криопэгов морского происхождения пережило различные этапы криогенной метаморфизации. В прибрежной зоне арктических морей они имеют неоднородную температуру и химический состав. Глубина их залегания может достигать несколько сотен метров.
Криопэги выщелачивания относятся к автохтонному типу, т.е. имеют местное происхождение. Они формируются при охлаждении горных пород ниже 0° С, содержащих изначально соленые воды. Границы распространения и глубина залегания таких вод полностью зависят от гидрогеологического строения соленосных толщ и условий теплообмена на поверхности земли. Примером подобных участков может служить Кемпендяйская и Ыгыатинская впадины, разделенные Сунтарским сводом. В их строении участвует средне-палеозойский галогенно-сульфатный комплекс, с которым связано формирование многочисленных соляных источников подземных вод.
Криопэги, возникшие в результате морозного концентрирования веществ, растворенных в изначально пресных подземных водах, встречаются практически во всех регионах криолитозоны, но более часто в районах с мощной и сплошной толщей вечной мерзлоты и равнинным рельефом местности, т.е. там, где проявляется застойный режим подземных вод. Криопэги вымораживания образуются по описанной выше схеме, с той лишь разницей, что вмещающая воду геологическая среда представлена дисперсными или скальными горными породами. Последнее обстоятельство, естественно, сказывается на процессе миграции солей при переходе воды в лед (усложняются пути миграции обогащенной жидкости, происходит ее физико-химическое и механическое взаимодействие со стенками полостей, повышается давление и пр.), но сущность и механизм процесса остается тот же.
Изучение подземных криопэгов началось сравнительно недавно, главным образом в связи с их отрицательным воздействием на фундаменты инженерных сооружений, построенных на вечной мерзлоте, и разработкой полезных ископаемых посредством проходки глубоких горных выработок (шахт, карьеров и пр.). Основная часть литературы о литогенных криопэгах появилась лишь в последние 30 - 45 лет [14-20]. Выяснилось, что зона вечной мерзлоты изобилует солеными водами, причем они встречаются как в верхнем сезоннопротаиваю-щем слое, так и в нижележащей многолетнемерзлой толще, и в подмерзлотных водоносных горизонтах.
Промерзание континентальных гидрогеологических структур приводит к перестройке гидрохимического профиля, его расчленение на три основные вертикальные зоны: 1) верхнюю, сезоннопромерзающую, 2) среднюю, многолетнемерзлую и 3) нижнюю, подмерзлотную, охлажденную ниже 0° С, но содержащую минерализованную воду в жидком состоянии.
В верхней гидрохимической зоне процесс формирования криопэгов определяется глубиной залегания и конфигурацией относительного водоупора (вечной мерзлоты), а также геоморфологическими и гидрогеотермическими условиями местности. При замедленном водообмене и небольшом количестве атмосферных осадков надмерзлотный горизонт отрицательно-температурных вод с минерализацией до 300 г/л может сформироваться в течение десятков или сотен лет В условиях интенсивного химического загрязнения территории, при сбросах бытовых и техногенных вод он образуется за 10 - 15 лет. Мощность горизонта засоления обычно не выходит за пределы 2-3 м. При потеплении климата или в результате деятельности человека (застройка, укладка тепловых сетей и пр.) сезоннопромерзающие криопэги иногда переходят в режим таликов, т.е. не охлаждаются ниже 0° С и находятся в таком состоянии несколько лет
Средняя гидрохимическая зона - это вечная мерзлота в классическом понимании, т.е. толща горных пород, имеющая отрицательную температуру и насыщенная пресным льдом. В зависимости от температуры и возраста (времени формирования) она может содержать пленки, ячейки, линзы и прослои незамерзшей воды различного состава и повышенной минерализации. Распределение криопэгов здесь дисперсное - они не образуют сплошных слоев, а располагаются обособленно по трещинам и в поровом пространстве. Лишь при промерзании замкнутых водоносных толщ возможно формирование пластов и карманов, в которых неза-мерзшая вода, находящаяся под высоким криогенным давлением, заполняет все полости. При формировании ледяных включений обогащенная солями вода под давлением растущих ледяных кристаллов и гравитации отжимается вниз по разрезу по мере движения фронта промерзания горных пород и концентрируется под вечной мерзлотой. Часть солей кристаллизуется. В ячейках со льдом можно обнаружить кальцит, гипс, мирабилит, соду, криогалит. Со временем мерзлая толща грунтов практически полностью опресняется. Ее повторное осолонение происходит лишь в том случае, если крепкие рассолы сезоннопротаивающего слоя постоянно обновляются в результате вымораживания новых порций воды, поступающих извне. Ячейки с рассолом, двигаясь вниз, растворяют ледяные включения и «транзитом» уходят в подмерзлотные горизонты. К сожалению, скорость криохимической миграции вещества остается неизвестной. Есть основания полагать, что она зависит не только от концентрации растворенных веществ, пористости и трещиноватости грунтов, но и от интенсивности теплооборота в слое годовых колебаний температуры.
Нижняя гидрохимическая зона формируется в условиях замедленного водообмена преимущественно за счет отторжения растворенных минеральных веществ из верхних зон. В суровых климатических условиях процесс протекает в течение многих тысяч лет, в результате минерализация подмерзлотных вод измеряется сотнями граммов на литр, а мощность толщи горных пород, охлажденных ниже 0° С, достигает 1,5 км. Так, на северо-западе Якутии в пределах Оленек-Мар-хинской криогидрогеологической структуры мощность зоны крепких и весьма крепких рассолов с температурой от 0 до -3,0 °С составляет, по данным бурения, более 1000 м. Водообильность горных пород зависит от их состава, строения, тектонической раздробленности и ряда других факторов, поэтому криолитозона имеет неоднородную структуру. В ее разрезах часто встречаются массивы морозных и мерзлых толщ (безо льда и со льдом), линзы и пласты с незамерзшей водой, крупные залежи пресного и солоноватого льда. Описанная криогидрохими-ческая зональность - лишь общая схема. В действительности, соотношение отрицательно-температурных подземных вод и многолетнемерзлых толщ более сложное (рис. 9).
Как видим, криопэги занимают значительную долю географического пространства холодных регионов, играют важную роль в формировании его свойств, строения и закономерностей развития многолетнемерзлых толщ и гидрогеологических условий этих территорий.
Список литературы
1. Ланге, О. К. О температурной классификации вод / О. К. Ланге, Н. И. Толстихин // Бюлл. МОИП. Отд. Геол. - 1973. - Т. XLVШ (2). - С. 120-123.
2. Толстихин, Н. И. О предмете мерзлотоведения как науки / Н. И. Толстихин // Материалы VIII Всесоюзного междуведомственного совещания по геокриологии (мерзлотоведению). Вып. 2. Общая теоретическая и историческая геокриология. - Якутск : Институт мерзлотоведения СО РАН, 1966. - С. 5-10.
3. Толстихин, Н. И. Криосфера и криопэги / Н. И. Толстихин // Изв. вузов. Геология и разведка. -1982. - № 3. - С. 115-117.
М < 1 г/дм3
М = 2-12 г/дм-5
М = 31-252 г/дм В
М=1-10 г/дм М=28-32 г/дм3
)в
М=28-165 г/дм3 М=170-445 г/дм3
М=268-434 г/дм3
М = 224-404 г/дм3
Е2*
Рис. 9. Структура мерзлой зоны литосферы в Оленек-Мархинском (I) и Вилюй-Ботуобинском регионах Якутии (II).
Горные породы: 1 - многолетнемерзлые; 2 - морозные (не содержащие льда); 3 - охлажденные ниже 0° С, не содержащие льда; 4 - с положительной температурой. Подземные воды: 5 - пресные в твердой фазе; 6 - солоноватые в твердой фазе; 7 - соленые внутри и межмерзлотные; 8 - соленые и слабые рассолы; 9 - крепкие и весьма крепкие рассолы. А, Б, В, Г - криогидрогеологические комплексы с различной минеральзацией пресных и соленых вод (криопэгов)
4. Кононова, Р. С. Криопэги - отрицательно-температурные воды Земли /Р. С. Кононова, Я. В. Неизвест-нов, Н. И. Толстихин, О. Н. Толстихин // Мерзлотные исследования. - М.: Изд-во МГУ, 1971. - Вып. XI. - С. 75-88.
5. Толстихин, Н. И. Криопэги земного шара / Н. И. Толстихин // Записки Забайкальского филиала Географического общества СССР. Том LXV. Проблемы зимоведения. - Чита : Редакционно-издательский сектор Заб. филиала Географического общества СССР, 1972. - Вып. 4. - С. 160.
6. Толстихин, Н. И. Природные воды Земли и криосфера / Н. И. Толстихин, О. Н. Толстихин // Вопросы криологии Земли. - М. : Наука, 1976. - С. 11-22.
7. Клепиков, А. В. Особенности формирования и распространения водных масс на шельфе и материковом склоне вокруг Антарктиды / А. В. Клепиков, Н. Н. Антипов //Лед и снег. - 2014. - 4 (128). - С. 81-94.
8. Соловьев, В. А. Криогеотермия и гидраты природного газа Северного Ледовитого океана /
B. А. Соловьев, Г. Д. Гинзбург, Е. В. Телепнев, Ю. Н. Ми-халюк. - Л. : ПГО «Севморгеология», 1987. - 150 с.
9. Гросвальд, М. Г. Евразийские гидросферные катастрофы и оледенение Арктики / М. Г. Гоосвальд. -М. : Научный мир, 1999. - 120 с.
10. Дзенс-Литовский, А. И. Соляный карст СССР / А. И. Дзенс-Литовский. - Л. : Недра, 1966. - 168 с.
11. Алексеев, С. В. Криогидрогеологические системы Якутской алмазоносной провинции / С. В. Алексеев. - Новосибирск : Академическое изд-во «Гео», 2009. - 319 с.
12. Марков, К. К. География Антарктиды / К. К. Марков, В. И. Бардин, В. Л. Лебедев, А. И. Орлов [и др.]. - М. : Мысль, 1968. - 440 с.
13. Дзенс-Литовский, А. И. Кемпендяйское месторождение ледяной поваренной соли - «ледянки» / А. И. Дзенс-Литовский // Природа. - 1945. - №6. -
C. 41-44.
14. Неизвестнов, Я. В. Подземные криопэги шельфа и островов Советской Арктики / Я. В. Неизвест-нов, Ю. П. Семенов //Доклады и сообщения II Междунар. конф. по мерзлотоведению. - Якутск, 1973. - Т. 5. -С. 103-106.
15. Власов, Н. А. Сезонные криопэги минеральных озер Восточной Сибири / Н. А. Власов, А. В. Иванов // Изв. вузов. Геология и разведка. - 1976. - № 8. -С. 93-101.
16. Анисимова, Н. П. Криогидрогеохимические особенности мерзлой зоны литосферы / Н. П. Анисимова. -Новосибирск: Наука, Сибирское отд-ние, 1981. - 152 с.
17. Иванов, А. В. Криогенная метаморфизация химического состава природных льдов, замерзающих и талых вод / А. В. Иванов. - Хабаровск : Дальнаука, 1998. - 163 с.
18. Брушков, А. В. Засоленные мерзлые породы Арктического побережья, их происхождение и свойства /А. В. Брушков. - М. : Изд-во МГУ, 1998. - 332 с.
19. Фотиев, С. М. Криогенный метаморфизм пород и подземных вод / С. М. Фотиев. - Новосибирск : Академическое изд-во «Гео», 2009. - 279 с.
20. Анисимова, Н. П. Гидрогеохимические исследования криолитозоны Центральной Якутии / Н. П. Ани-симова, Н. А. Павлова. - Новосибирск : Академическое изд-во «Гео», 2014. - 189 с.
Окончание следует.
Курилко, А. С. Моделирование тепловых процессов в горном массиве при открытой разработке россыпей криолитозоны / А. С. Курилко, С. А. Ермаков, Ю. А. Хохолов, М. В. Каймонов, А. М. Бураков ; отв. ред. А. В. Омельяненко ; Рос. акад. наук, Сиб. отд-е, Ин-т горного дела Севера им. Н. В. Черского. - Новосибирск : Академическое изд-во «Гео», 2011. - 139 с.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ГОРНОМ МАССИВЕ ПРИ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКЕ РОССЫПЕЙ КРИОЛИТОЗОНЫ
СибАК
РИНЦ
Г71
IШ
и»"**-'
АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ОБРАЗОВАНИЯ: ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
Рассмотрено состояние открытых горных работ на россыпных месторождениях Республики Саха (Якутия), представлены характеристики климатических и геокриологических условий некоторых районов республики, основные технологии разработки месторождений. Особое внимание уделено способам подготовки к выемке и последующей разработке мно-голетнемерзлых пород россыпных месторождений. Изложены результаты моделирования процесса разупрочнения многолетнемерзлых пород способами водно-тепловой мелиорации и естественной оттайки.
Предназначена для специалистов в области открытых горных работ по разработке россыпных месторождений Севера, а также для студентов и аспирантов горных вузов.
Монография может быть использована как учебно-методическое пособие для студентов средних специальных и высших учебных заведений, аспирантов сельскохозяйственных и экономических вузов.
Актуальные проблемы отечественного образования: теория и практика /
[под ред. С. Д. Якушевой]. - Новосибирск : Изд-во СибАК, 2014. - 160 с.
В монографии представлены работы ученых России, Казахстана и Украины.
В ней говорится о теоретических и практических исследованиях современных ученых, касающихся широкого спектра проблем современного мирового образования. Представлены гуманизационные проблемы высшего аграрного образования, педагогические основы академической адаптации иностранных студентов в техническом вузе. Раскрыты современные подходы к анализу проблем изучения и формирования социальных эмоций у дошкольников с нарушением речи в условиях инклюзивного образования, культурологические аспекты полихудожественного образования бакалавров изобразительного искусства и т. д.
Для преподавателей образовательных организаций и заведений всех уровней, педагогов, магистров, научных работников, учителей-исследователей, а также аспирантов и докторантов разных научных направлений.
