Изучение подземных вод криолитозоны можно подразделить на три основных этапа, тесно связанных с этапами развития мерзлотоведения, — геокриологии (Основы геокриологии, т. I, I959) и региональной гидрогеологии (Толстихин, Кирю-хин, 1978).
Первый этап охватывает по времени значительный период познания Сибири и севера европейской части России. В XVIII в. отрывочные сведения о «вечной мерзлоте» и о подземных водах Сибири поступают от участников научных академи--1 ческих экспедиций. В XIX в. известные путешественники и ученые Ф. П. Врангель (1820—1824), А. Ф. Миддендорф (1842— 1845), Г. Майдель (1860—1870) обследуют гигантские наледи Верхояно-Колымской горной области и публикуют о них интересные сведения.
С 60-х годов XIX столетия начинается освоение Сибири, связанное с поисками, разведкой и. эксплуатацией месторождений золота и других цветных металлов, со строительством железных дорог, городов и поселков. Изучение мерзлых пород и подземных вод стимулируется прямыми требованиями практики. Как бороться с водами в шахтах, прошедших мерзлые толщи и углубившихся в талые слои, где найти источники водоснабжения для городов и железнодорожных станций, как избежать пагубного воздействия наледей на здания, мосты и земляное полотно дорог, — вот далеко не полный перечень вопросов, которые остро вставали перед исследователями Восточной Сибири.
В эти годы русские горные инженеры Л. А. Ячевский, В. А. Обручев, Н. М. Козьмин, С. А. Подьяконов и другие сделали большой шаг в изучении мерзлых толщ и подземных вод. Они впервые указали на влияние геологического строения и подземных вод на прерывистость и изменение мощностей мерзлых толщ. Наиболее полно и всесторонне вопросы взаимодействия мерзлых толщ и подземных вод были разработаны Н. М. Кузьминым, работавшим в Забайкалье, Южной Якутии и на Патомском нагорье. Н. М. Козьмин первый обосновал наличие мощных бассейнов подземных вод «в местностях с вечной мерзлотой». При этом он подчеркивал, что источники подземных вод и связанные с ними наледи более равномерно
2 Н. Н. Романютошй 17
обеспечены питанием в зимний период, чем воды поверхностных водотоков и речные наледи. Н. М. Козьмин подал также мысль о наледях как показателях наличия подземных вод и об искусственном регулировании процессов наледообразования. Он предвосхитил многие научные представления о мерзлотно-гидрогеологических условиях горно-складчатых областей, которые впоследствии были разработаны советскими гидрогеологами.
Важными были исследования горного инженера С. А. Подьяконова, проводившего геологоразведочные работы в Северном Забайкалье, Становом нагорье и на Алданском плоскогорье. Значительное внимание он уделил условиям фор-^ мирования таликов в долинах рек и наледей, которым приписывал происхождение за счет поверхностных вод. Впервые им дано правильное объяснение причин формирования наледных бугров.
Крупный прогресс в мерзлотно-гидрогеологических исследованиях был связан с изысканием и строительством Забайкальской и Амурской железных дорог. Полученные при этом обширные материалы о подземных водах и мерзлых толщах,, о явлениях наледей и гидролакколитов, о приемах борьбы с ними дали значительный толчок в развитии гидрогеологии криолитозоны. Обобщением полученных сведений явилась книга сибирского геолога А. В. Львова «Поиски и испытания водоисточников водоснабжения на западной части Амурской железной дороги в условиях «вечной» мерзлоты почвы» (1916),, где были поставлены важные вопросы как о причинах формирования мерзлых толщ, так и об условиях распространения и образования «пробелов» в мерзлоте, т. е. таликов, особенна водоносных. Этой работой как бы завершался первый этап изучения подземных вод криолитозоны.
На первом этапе исследования подземных вод проводились главным образом вблизи южной окраины области вечной мерзлоты. Здесь воды изучались как в виде естественных проявлений, так и в шурфах, шахтах и скважинах. В северных районах этой области исследования носили случайный характер и базировались исключительно на изучении естественных водопроявлений (полыней, наледей). Дискуссионным оставался вопрос об источниках питания наледей в горных районах Восточной Сибири. Неясной была и общая картина распространения лодземных вод в условиях суровой, северной вечной мерзлоты. Полностью не изученными оставались обширные артезианские бассейны.
Второй этапохватывает период с Великой Октябрьской социалистической революции примерно до 1960 г. Уже в начале 30-х годов началось всестороннее изучение подземных вод, криолитозоны в Забайкалье, на Дальнем Востоке, в Монгольской Народной Республике, на Арктическом побережье, а
Центральной Якутии и других районах. Особенно плодотворными были исследования Н. И. Толстихина. В 1931 г. он предложил классификацию подземных вод по отношению к мерзлым породам (см. П.З), а в дальнейшем дал их достаточно лолную характеристику. В 1941 г. им было опубликовано первое учебное пособие по новой отрасли знаний — книга «Подземные воды мерзлой зоны литосферы».
В проблеме изучения наледей большое значение имеют работы В. Г. Петрова, проведенные в 20-х годах на Амуро-Якутской магистрали. Здесь в промышленных масштабах. им была организована борьба с этим опасным для дорог явлением, Наиболее эффективными оказались «мерзлотные пояса», идея которых была высказана М. И. Сумгиным. Мерзлотные пояса представляют собой перемычки из искусственно промороженного грунта, создаваемые на пути потока грунтовых вод и приводящие к их выходу на поверхность и замерзанию в виде наледей на расстоянии, безопасном для искусственного сооружения.
В Селенняхской впадине и хр. Тас-Хаяхтах были проведены П. Ф. Швецовым и В. П. Седовым (1941) уникальные исследования гигантских наледей — тарынов, описанных еще Г. Майделем. Было установлено, что питаются они подземными водами глубокого стока.
Второй этап ознаменовался широким тематическим изучением подземных вод в самых разных районах криолитозоны. Назовем некоторые из этих исследований. Подземные воды изучались на Европейском севере (в районе Воркутинских месторождений каменных углей) В. М. Барыгиным, А. В. Редозу-бовЫхМ и др.; в Центральной и Южной Якутии — Н. И. Тол-стихиным, В. М. Максимовым, П. И. Мельниковым, А. И. Ефимовым, Н. А. Вельминой, С. М. Фотиевым и др. В Западной Якутии в связи с открытием алмазоносных кимберлитовых трубок соленые подземные воды с отрицательными температурами были обнаружены и изучались в районе Мирного А. И. Ефимовым и И. С. Ломоносовым, а в районе Айхала 3, Г. Устиновой. На побережье северных морей условия формирования высокоминерализованных подземных вод исследовались в разные годы: на Чукотке П. Ф. Швецовым, В. М. Пономаревым, А. Я- Стремяковым и другими, в районе Амдермы, бух. Кожевникова, на п-ове Нордвик, на о. Вайгач и в других районах — В. М. Пономаревым, П. Д. Сиденко и Н. И. Обиди-ным. Большие гидрогеологические работы проводились в эти годы на Дальнем Востоке, в Забайкалье, вдоль линии будущей Байкало-Амурской магистрали.
Особое место занимают исследования мерзлотно-гидрогео-логических условий Северо-Востока СССР, проведенные К В, Губкиным, А. И. Калабиным и П. Ф. Швецовым. Результатом многолетних исследований П. Ф. Швецова явилась
2* . . -. ; ;J9
монография «Подземные воды Верхояно-Колымской горно-складчатой области и особенности их проявления, связанные с низкотемпературной вечной мерзлотой» (1951).
А. И. Калабиным были обобщены обширные материалы по подземным водам и мерзлым породам, полученные в связи с разведкой и эксплуатацией россыпных месторождений. В результате им была опубликована работа «Вечная мерзлота и гидрогеология Северо-Востока СССР» (1960), в которой подробно рассмотрены закономерности формирования мерзлотных условий и подземных вод этой обширной области. В книге объяснены закономерности питания, стока и разгрузки подземных вод горных областей с разнообразной по суровости мерзлотной обстановкой. В ней рассмотрены особенности формирования наледей подземных вод, обосновано выделение особых мерз-лотно-гидрогеологических структур, образованных благодаря промерзанию трещиноватых массивов скальных пород, впервые поставлены вопросы искусственного восполнения запасов подземных вод.
Исследования подземных вод криолитозоны на втором этапе привели к решению важных вопросов общего характера.
1. Было установлено, что подземные воды имеются в пре делах практически всей области глубокого промерзания зем ной -коры, как в горно-складчатых областях, так и в артезиан ских бассейнах.
2. Работами Н. И. Толстихина, П. Ф. Швецова, А. И. Ка- лабина, В. М. Пономарева и других доказано широкое распро странение пресных вод глубокого подмерзлотного стока и практически были решены вопросы водоснабжения во многих районах с суровыми мерзлыми толщами (Якутска, Норильска, Магаданской области и др.).
3. Установлено, что подземные воды в разных гидрогео логических структурах, в различной степени промороженных, обладают весьма различными условиями формирования, пита ния и стока. Следствием этого является большое разнообразие состава и минерализации этих вод, меняющейся от первых де сятков миллиграмм на литр до 200 г/л и более. Были получе- лы данные о широком распространении криогалинных вод. Они были встречены на Арктическом побережье, а также в артези анских бассейнах платформ.
4. Фактическое подтверждение получили представления о преимущественном распространении наледей подземных вод, особенно в суровых мерзлотных условиях. Получили разработ ку и были применены на практике основные приемы борьбы с нежелательным воздействием наледных явлений («мерзлот ные пояса», каптаж источников и др.) на инженерные соору жения.
5. Были разработаны приемы поисков месторождений подземных вод и их разведки, приемы и правила эксплуатации
гидрогеологических скважин и каптажа источников в условиях • «вечной мерзлоты». Они обобщены в работах А. И. Калабина и Н. А. Вельминой.
6. Утвердилось научное положение о том, что геолого-структурные условия являются и всегда остаются определяющими при формировании подземных вод как в условиях отсутствия, так и наличия мерзлых толщ — криогенных водоупоров.
Третий этап начинается примерно с 1960 г. Он ознаменовался целым рядом качественных изменений в познании подземных вод криолитозоны. Перечислим кратко достижения и новые тенденции, характерные для этого этапа.
1. С 1960 г. начинается проведение мелкомасштабных мерзлотно-гидрогеологических съемок (м-ба 1:500 000 — 1:200 000), которыми стали охватываться обширные террито рии в .пределах разных гидрогеологических областей, входящих в криолитозону. В результате этих съемок началось углублен ное изучение особенностей подземных вод в разных гидрогео логических структурах (ТГС), особенностей криогенного пре образования самих структур и характерных черт взаимодей ствия в них мерзлых толщ и подземных вод. Началом таких исследований явились мерзлотно-гидрогеологические съемки Южной Якутии, охватившие территорию Алданского щита и Чульманской впадины. Эти съемки начали проводиться кафед рой мерзлотоведения геологического факультета МГУ. В даль нейшем такие же съемки были проведены на западной окраине Якутского артезианского бассейна, в пределах Верхояно-Ко- лымской горно-складчатой области. В настоящее время ими охвачена полоса, тяготеющая к Байкало-Амурской магистрали. Производство таких съемок йо единой методике стало воз можным благодаря изданию в 1970 г. «Методики комплексной мерзлотно-гидрогеологической и инженерно-геологической съемки масштабов 1:200 000 и 1:500 000», написанной кол лективом авторов .под редакцией проф. В. А. Кудрявцева, а также «Инструкции...» по этим съемкам. Главным в разрабо танной методике явилось то, что закономерности формирова ния мерзлых пород и подземных вод рассматриваются в их тесной взаимной связи. При исследованиях применяется «ме тод ключевых участков», т. е. выделение типичных территорий, где детально изучаются эти закономерности, а затем распрост раняются на более широкие площади, на которых «типичные» для ключевых участков условия сохраняются. При этом широ ко используются методы дешифрирования аэро- и космосним- ков.
2. Опубликовано второе ивдлние многотомной монографии «Гидрогеология СССР». В ней сделаны важные научные обоб щения большого фактического материала как по подземным водам отдельных регионов, занятых мерзлыми породами, так и по всей криолитозоне в пределах СССР.
3. Широко проводятся мерзлотно-гидрогеологические ис следования на месторождениях полезных ископаемых. Это обусловлено высокими требованиями Государственной комис сии по запасам полезных ископаемых при Совете Министров СССР (ГКЗ) к полноте освещения инженерно-геологических, гидрогеологических и мерзлотных условий районов их эксплуа тации. К числу работ, имеющих большое методическое значе ние, относятся исследования кафедры мерзлотоведения и ка федры инженерной геологии и грунтоведения геологического факультета МГУ на Витимо-Патомском нагорье, в районе Тал- наха, ВСЕГИНГЕО — в районе Норильска и др.
4. Поиски и разведка нефтяных и газовых месторождений на Западно-Сибирской плите, Сибирской платформе и других районах дали обширные материалы по условиям залегания и закономерностям формирования криолитозоны и подземных вод в зависимости от геоструктурных условий, наличия газовых залежей и т. .д. Таким образом, мерзлотно-гидрогеологические исследования в горно-складчатых областях, начатые еще на предыдущем этапе, дополнены широким изучением артезиан ских областей платформ. Это позволило подойти к проблеме криогенного преобразования гидрогеологических структур и сформировать представления о криогидрогеологических струк турах (А. И. Калабин, Н. И. и О. Н. Толстихины, Н. Н. Рома новский, С. М. Фотиев).
5. Широкое развитие получили исследования таликов. Они стали изучаться в зависимости от условий теплообмена на 'поверхности земли или под водоемами, выяснялись их связи с геоструктурной обстановкой, мерзлотными условиями, под земными водами и наледями. Результатом таких исследований стали генетические классификации таликов, учитывающие их гидрогеологические особенности (Н. Н. Романовский, С. М. Фотиев, Н. И. Толстихин). Разработаны основные пред ставления о приуроченности таликов к различным криогидро- геологическим структурам, о режиме и особенностях подземных вод таликов в различных зональных и геоструктурных усло виях.
6. В исследовании наледей как естественных водопрояв- лений криолитозоны следует отметить развитие нескольких на правлений: а) режимные стационарные наблюдения за режи мом наледей (В. Р. Алексеев, Н. А. Букаев, Б. Л. Соколов, О. Н. Толстихин, В. В. Шепелев, 3. Г. Устинова и др.); б) соз дание каталогов наледей, включающих данные по их местопо ложению, площади, мощности и объемам наледного льда (А. С. Симаков, 3. Г. Шильниковская, А. С. Кузнецов, Б. Л. Соколов, О. Н. Толстихин, В. Р. Алексеев и др.); в) под счет естественных ресурсов подземных вод по наледям (О. Н. Толстихин, Б. Л. Соколов, В. Е. Афанасенко); г) разви тие представлений о многолетней миграции наледей, их геоло-
гической деятельности и палеогеографическом значении (Н. Н. Романовский, В. Е. Афанасенко, В. Р. Алексеев, JV1. М. Корейша и др.)-
, 7. Начались широкие исследования гидрогеохимии природных вод, подземных и наледных льдов в их взаимной связи, а также процессов криогенного метаморфизма подземных вод (Н. П. Анисимова, В. П. Волкова, Р. С. Кононова, В. Е. Афанасенко, А. В. Иванов, С. Л. Шварцев, С. М. Фотиев и др.).
8. В гидрогеологии криолитозоны стал применяться геоисторический подход, основной методический ключ которого — анализ истории и динамики многолетнего промерзания пород в плейстоцене и голоцене и выявление влияния этого процесса на гидрогеологическую обстановку (С. М. Фотиев, Н. Н. Романовский, Р. С. Кононова и др.).
Достижения советских гидрогеологов и мерзлотоведов в изучении подземных вод криолитозоны наиболее полно изложены в докладах, представленных на международных конференциях по мерзлотоведению, проводившихся в США (1963), СССР (1973) и Канаде (1978).