П. 4. ОСОБЕННОСТИ ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПРОМЕРЗАНИИ И ОХЛАЖДЕНИИ

ЗЕМНОЙ КОРЫ

Промерзание и охлаждение горных пород, содержащих подземные воды, приводит к изменению минерализации и хи­мического состава последних. Кристаллизация льда из грави­тационных подземных вод в зависимости от степени их мине­рализации и химического состава происходит в широком диа­пазоне температур от 0 до —55° (Кононова и др., 1971). При 0° замерзают сверхпресные воды. Морская вода с минерали­зацией 30—35 г/кг начинает замерзать при —1,7; —1,8° и ниже. Рассолы хлоридного кальциевого состава сохраняются в жид­ком состоянии до —55°.

Замерзание природных вод сопровождается криогенной метаморфизацией их химического состава (Фотиев, 1978). При этом в процессе кристаллизации воды часть солей выпадает в осадок и включается в лед в виде твердых примесей, дру­гая — входит в его состав в истинно растворенной форме,, третья — отжимается растущими кристаллами льда в нижеле­жащие слои, где происходит криогенное концентрирование при­родного раствора. Степень криогенного концентрирования рас­тет с возрастанием объема воды, подвергшейся промерзанию^ и ее исходной минерализации, а также с увеличением содер­жания в ней легкорастворимых компонентов (хлоридов натрия, магния и кальция).

Подземные конжеляционные льды всегда имеют меньшую минерализацию, чем исходные подземные воды. В процессе таяния подземных льдов при оттаивании мерзлых пород только часть солей, выпавших при промерзании в осадок, переходит в раствор. Следствием этих процессов является криогенное опреснение подземных вод в водопроницаемых породах, под­вергшихся промерзанию и последующему протаиванию.

Таким образом, в реальных природных условиях криоли-тозоны подземные воды, подвергшиеся промерзанию, т. е. пе­реходившие в твердую фазу, а затем {вернувшиеся в исходное капельно-жидкое состояние, обладают минерализацией меньше первичной, а сохранившиеся в жидкой фазе, но подвергавшиеся охлаждению ниже 0°, более высокой. Такая картина наблюда­ется после оттаивания мерзлых горных пород. Сохраняется она тем большее время, чем ниже интенсивность водообмена -в гидрогеологической структуре. В условиях активного водооб­мена в гидрогеологических складчатых областях следы крио­генной метаморфизации со временем исчезают за срок от не-

скольких лет до нескольких десятков лет. В артезианских бас­сейнах платформенного типа они сохраняются геологически длительные отрезки времени до нескольких тысяч, а возможно и десятков тысяч лет. Протаивание подземных льдов, претер­певших криогенную метаморфизацию, в закрытых гидрогеоло­гических структурах приводит к образованию ниже подошвы деградирующей снизу мерзлой толщи вертикальной зоны оп­реснения, ниже которой фиксируется зона концентрирования. Такое строение гидрогеохимического разреза было установлено в Якутском артезианском бассейне (АБ) Р. С. Кононовой (рис. 4). Заметим, что верхняя граница зоны концентрирова­ния может рассматриваться как положение подошвы мерз­лой толщи в геологическом прошлом и использоваться для палеомерзлотных реконст- _т рукций.

Процессы криогенной ме-

исследовались целым рядом
советских гидрогеологов:

Н. П. Анисимовой, В. П. Вол­
ковой, М. А. Всеволожской,
А. В. Ивановым, Р. С. Коно­
новой, Я. В. Неизвестновым,
Н. И. Толстихиным и

О. Н. Толстихиным, СМ. Фо-тиевым, С. Л. Шварцевым и др. Однако многие вопросы гидрогеохимии криолитозоны далеки от своего решени.я^

Различия в минерализации" и составе пресных и соленых вод предопределяют особенности их криогенной метаморфизации при понижении температурььлиже 0°. Эти особенности различ­ны у пресных и соленых подземных вод.

Криогенный метаморфизм пресных вод.Пресные подзем­ные воды с минерализацией менее 1 г/л имеют преимуществен­но гидрокарбонатный кальциевый или кальциево-магниевый состав и формируются в зоне свободного водообмена. Крио­генный метаморфизм пресных вод протекает в узком интервале температур от 0 до —0,2° С, в котором происходят быстрые фазовые превращения гравитационной воды в лед. При темпе­ратурах ниже —0,2; —0,5° пресные гидрокарбонатные воды полностью переходят в лед. Сохраняться в жидком состоянии они могут только в условиях значительного гидростатического давления, поскольку температура кристаллизации воды пони­жается примерно на 1° с увеличением давления на 130 атм (13,2 МПа). Замерзание пресных гидрокарбонатных вод, со-

держащих катионы Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, сопровождается потерей СО₂, повышением рН раствора, постепенным увеличением концентрации СОз-ионов вплоть до достижения предела раст­воримости, образованием SiC>2, СаСОз, MgCO3 и Na₂CO3. Кон­центрации SO₄²~ и С1~ изменяются слабо. В промерзающем растворе вследствие выпадения в осадок уменьшается содер­жание карбонатов кальция и SiC>2, но увеличивается содержа­ние карбонатов и особенно гидрокарбонатов Na+ и Mg²⁺. Бели имеется возможность отжатия растворов этих солей, то ниже границы промерзания происходит их накопление в водах. Та­кой процесс, например, имеет место как при сезонном, так и при многолетнем промерзании подозерных таликов с застой­ным режимом вод в пределах Якутского АБ (Анисимова, 1971).

Выпадение в осадок СаСО₃ при промерзании пресных вод обусловливает кальцитизацию мерзлых пород. В ледовой фазе опресненные воды имеют преимущественно натриевый состав. В результате замерзания пресных вод на поверхности земли и образования наледей кристаллы кальцита включаются в на-ледный лед, а 'при его оттаивании остаются в виде (Порошкооб­разных налетов и высыпок на поверхности пород я расти­тельности (см. V. 10). При неоднократном промерзании и про-таивании пресных гидрокарбонатных кальциевых вод их мине­рализация уменьшается в 4—10 раз за счет выпадения СаСОз в осадок. При этом карбонаты и гидрокарбонаты Mg²⁺ и Na⁺ сохраняются в талых водах. Преобладание ионов магния в гид-рокарбонатных водах рассматривается рядом исследователей как доказательство их значительной криогенной метаморфи-зации на стадии их криогенного концентрирования (Власов и др., 1963; Анисимова, 1971; Фотиев, 1978).

При оттаивании мерзлых толщ с пресными конжеляцион-ными подземными льдами происходит смешение образующихся талых вод с остаточным раствором. Претерпевшие криогенное опреснение воды обычно обогащены ионом Na+ по сравнению с исходным раствором. П. И. Мельников (1975) и С. М. Фоти­ев (1978) рассматривают преобладание пресных подземных вод натриевого состава в толщах карбонатных пород как до­казательство криогенного преобразования их исходного каль­циевого состава на стадии криогенного опреснения.

Таким образом, состав напорных подмерзлотных вод в за­крытых вследствие глубокого сплошного промерзания гидро­геологических структурах зависит от динамики мерзлых толщ. При увеличении мощности последних в подземных водах пре­обладает процесс криогенной концентрации, что ведет к уве­личению минерализации вод и преобладанию в них катионов Na⁺ и Mg²⁺. В случае уменьшения мощности мерзлых толщ при их оттаивании снизу преобладает процесс криогенного опреснения, а в их составе — Na+. В силу того, что деградиру-

ющие снизу мерзлые толщи занимают, по оценке В. Т. Бало-баева (1973), не менее трети современной территории криоли-тозоны, во многих преобразованных многолетним промерза­нием гидрогеологических структурах (см. гл. VI) протекает процесс криогенного опреснения подземных подмерзлотных вод, а в целом ряде структур увеличивается мощность зоны пресных вод (Фотиев, 1978). При этом наибольшего развития она достигает в структурах с более высокой плотностью тепло­вого потока, где протаивание снизу идет быстрее. Примерами районов, где криогенное опреснение сыграло существенную роль в формировании современной гидрогеохимической зоны прес­ных вод, С. М. Фотиев считает Приуральскую и Приенисейскую части Западно-Сибирской артезианской области, а также цент­ральную часть Якутского артезианского бассейна с мощной зоной пресных вод, превышающей 1500м. Показанная на рис.4 зона опреснения артезианских вод в Якутском бассейне име­ет преимущественно натриевый состав вод, а в вскрытых сква­жинами водоносных породах до глубины более 1000 м были встречены кристаллы кальцита. Эти особенности дали основа­ние Р. С. Кононовой утверждать, что формирование такого рода вертикальной гидрогеохимической зональности обуслов­лено криогенным метаморфизмом подземных вод.

Работами Н. П. Анисимовой (1971, 1973, 1981) по исследо­ванию формирования состава подземных вод в таликах уста­новлено, что криогенное преобразование часто сопровождается сложными биохимическими процессами (в том числе и под воздействием криофильных бактерий) и взаимодействием вод с глинистыми породами. Множественность гидрогеохимичес­ких преобразований существенно определяется также составом и минерализацией подземных льдов, при вытаивании которых возникли термокарстбвые озера и талики под ними, составом и степенью засоленности пород, слагающих эти талики, а так­же процессами континентального засоления, происходящими в приповерхностных горизонтах пород, почвах и водоемах в условиях засушливого климата Центральной Якутии.

В верхнцх слоях подозерных таликов отмечены интенсив­ные процессы десульфатизации, в результате чего из раствора исчезают сульфат-ионы, появляется сероводород и повышается щелочность воды. Между раствором и породой происходят об-менно-адсорбционные процессы, в результате чего при сдвиге ионного равновесия в илах и на границе с промерзающими породами в водах интенсивно возрастает концентрация гидро­карбонатов Mg²⁺ и Na+, а содержание гидрокарбоната Са²⁺, наоборот, понижается вследствие выпадения СаСОз. При даль­нейшем повышении щелочности воды выпадает в осадок и MgCO3, а в растворе начинают превалировать гидрокарбонаты и хлориды Na+. В промерзающих таликах под мелкими озе-

рами десульфатизация часто отсутствует и в воде накаплива­ются сульфаты и хлориды Mg²⁺.

Н. П. Анисимовой установлено, что криогенные преобра­зования подземных вод в подозерных таликах, сложенных раз­ными по составу и генезису отложениями, происходят неоди­наково. В таликах, сложенных супесчаными и суглинистыми таберальными отложениями, в процессе промерзания водовме-щающих пород состав воды часто изменяется от гидрокарбо­натного магниевого, через гидрокарбонатный магниево-натри-евый до хлоридно-гидрокарбонатного натриевого. Воды тали­ков, приуроченные к аллювиальным пескам, в процессе крио-генеза меняют состав от гидрокарбонатного магниевого до сульфатного магниевого или натриевого. Известны и другие варианты изменения состава вод таликов при их промерзании. Причины различий криогенных гидрогеохимических преобра­зований связаны часто с неодинаковым составом отложений и исходных вод, а также водно-растворимых солей и солей пог­лощенного комплекса. Следует сказать, что минерализация вод при такого рода криогенной метаморфизации изменяется от 80—300 мг/л до 3—5 г/л, т. е. от сверхпресной и пресной до солоноватой. При минерализации в подмерзлотных слоях про­мерзающих подозерных таликов более 3 г/л начинается грави­тационное движение воды вниз из-за ее более высокого удель­ного веса по сравнению с исходными пресными водами. В ре­зультате в таликах, сложенных хорошо водопроницаемыми от­ложениями, происходит постепенное выравнивание концентра­ции и уменьшение контрастности криогенных гидрогеохими­ческих подмерзлотных аномалий.

Криогенный метаморфизм соленых вод. Соленые подзем­ные воды и рассолы, минерализация которых изменяется от 10 до 300 г/л и более, имеют преимущественно хлоридный натри­евый или кальциевый состав и формируются в недрах артези­анских бассейнов в пределах гидродинамических зон затруднен­ного и крайне затрудненного водообмена, а также в различных типах гидрогеологических структур, тяготеющих к побережью морей. Криогенный метаморфизм соленых вдд протекает в широком диапазоне температур примерно от —1 до 36—55° С. Температуры начала замерзания вод и их криогенной метамор­физации определяются в первую очередь исходной минерали­зацией подземных вод.

Наиболее изучен криогенный метаморфизм соленых вод морского происхождения, представляющих собой раствор хло-ридных, сульфатных и карбонатных солей. Преобладающими в ней являются хлориды натрия. Различные температуры крис­таллизации солей, содержащихся в морской воде, обусловли­вают определенные закономерности изменения ее химического состава в процессе вымораживания, установленные К- Э. Гит-терманом (1937) и Н. Н. Зубовым (1945) (рис. 5). Замерза-

ние морской воды нормальной солености (30—35 г/л) начина­ется при температуре —1,7—1,8° С. При —5° в жидком состо­янии остается 40% раствора, минерализация которого возрас­тает до 80 г/кг. При замерзании концентрация остаточного рассола увеличивается за счет легкорастворимых солей (NaCl, MgCl₂, СаС1₂, Na₂SO₄, NaHCO₃). Полная кристаллизация мор­ской воды происходит при тем­пературе —36°, когда ее мине­рализация увеличивается до 250 г/кг. Химический состав ~$@~ морской воды при ее замерза­нии изменяется в результате -20 последовательного выпадения из раствора солей. Начиная с температуры —1,8°, интенсивно кристаллизуется СаСОз. При —3,5° в растворе остается око­ло 41%, а при —7,3° — всего 14% углекислого кальция. При температуре -7,3° начинается _{Рис 5 ИзмеН}ение состава жидкой

кристаллизация мирабилита фазы при последовательном вымо-

морской воды (по

(Na₂SO₄-10H₂O) и при —15° в растворе остается только 16% сульфат-иона. В интерва­ле температур от —22,6 до —35,6° происходит выпадение из раствора бигидрата хлористого натрия (NaCl-2H₂O). При тем­пературе —36°, являющейся конечной точкой существования раствора, кристаллизуется MgCl₂-12H₂O.

Как видно из изложенного, при изменении состава и мине­рализации при криогенном метаморфизме морской воды про­исходит следующее:

1) с температуры начала замерзания —1,7—1,8°С и ниже
в лед переходит только часть воды, в то время как другая
часть остается в виде раствора, концентрация солей в котором
повышается по мере понижения температуры;

2) кристаллизация и выпадение в осадок различных видов
солей начинаются при определенных температурах и происхо­
дят в определенных диапазонах температур. Это позволяет вы­
делить стадии криогенного метаморфизма вод морского состава
на этапе их криогенной концентрации (Кононова и др., 1971),
которые описаны ниже;

3) определенным температурам соответствуют достаточно
постоянные величины минерализации и состав раствора, под­
вергшегося криогенной концентрации. Это обстоятельство, на­
ряду с идентификацией солей, образующихся в пустотах водо-
вмещающих пород в процессе криогенного метаморфизма вод,
может быть использовано для палеомерзлотно-гидрогеологи-
ческих реконструкций. В частности, по этим признакам можно

определять минимальные температуры охлаждения воды на соответствующих глубинах в геологическом прошлом.

Р. С. Кононова, Я. В. Неизвестное, Н. И. Толстихин и О. Н. Толстихин (1971) выделили стадии криогенного мета­морфизма соленых вод морского происхождения (табл. 1) ш

Таблица 1 Стадии криогенной концентрации соленых вод морского генезиса

Таблица 2

Подразделение криопэгов по температуре (по Кононовой и др_м 1971)

Характеристика воды

Температура, °С

Примеры

Умеренно холодные криопэги Холодные криопэги Очень холодные криопэги Исключительно холодные крио­пэги Сверх холодные криопэги

от 0 до —2 от —2 до —8 от —8 до —23 от —23 до —36

ниже —36

Северо-Запад Якутии Острова Арктики Кемпендяй и др. озера Сведений нет

дали подразделение природных криопэгов (криогалинных под­земных и поверхностных вод) по температуре (табл. 2).

Криогенная метаморфизация соленых вод, состав которых обусловлен выщелачиванием галита, происходит в две стадии и протекает в интервале температур от 0 до —36° без изме­нения химического состава раствора (Фотиев, 1978). Первая стадия происходит в интервале температур от 0 до —22,6°. При этом происходит процесс льдообразования и последователь­ной криогенной концентрации раствора до 175 г/л. Для второй стадии, находящейся в диапазоне температур от —22,6 до —36°, характерно выпадение в осадок гидрогалита (NaClX Х2Н₂О) и уменьшение концентрации раствора до 30—35 г/л. Из этой схемы следует, что природные рассолы NaCl с мине-

рализацией выше 175 г/л не могут образовываться в процессе криогенного концентрирования, так как указанная предельная минерализация достигается при температуре —22,6°, а при дальнейшем понижении температуры выпадает гидрогалит. Например, можно утверждать, что воды месторождений галита в районе бух. Кожевникова (Пономарев, 1960) с минерализа­цией выше 200 г/л не подвергались криометаморфизму.

В отношении рассмотренных выше подходов к проблеме криогенного преобразования соленых вод следует заметить следующее.

1. В приведенных схемах криогенного концентрирования
подземных вод морского генезиса и галогенных месторожде­
ний не учитываются возможные и обычно существующие в
природе процессы взаимодействия с вмещающими породами.
Причиной является слабая изученность этого вопроса. Види­
мо, дальнейшие исследования позволят выделить в первую оче­
редь особенности криогенных преобразований морских вод в
породах разного состава и генезиса. Уже сейчас известно, на-
шример, что при криогенном (Преобразовании криогалинных вод
на юге Оленекского бассейна концентрация кальция в подзем­
ных водах известняков выше, чем в прорывающих их кимбер­
литах (Устинова, 1964).

2. Обобщения данных по соленым подземным водам и рас­
солам криолитозоны как современным, так и древним, прове­
денные Р. С. Кононовой и др. (1971) и С. М. Фотиевым (1978),
показывают, что большая их часть имеет изначально морской
генезис, но находится на различной стадии криогенной мета-
морфизации, что в целом подтверждает применимость изло­
женного выше подхода к проблеме криогенного метаморфизма
подземных вод.

Криогенный метаморфизм солоноватых водизучен совер­шенно недостаточно. Солоноватые воды с минерализацией от 1 до 10 г/л обладают обычно весьма пестрым составом. В связи с этим их охлаждение и промерзание будет приводить к обра­зованию весьма разнообразных по составу солей и остаточных рассолов. В качестве примера укажем на то, что в Верхояно-Колымской гидрогеологической области, в бассейне Индигирки были обнаружены воды уникального состава (Кононова и др., 1971). В песчаниках верхнего триаса, содержащих кварцевую жилу с сульфидами, на глубине 50 м от поверхности в зумпфе геологом Н. В. Нестеровым были обнаружены сульфатные воды следующего состава:

м SO₄100 _uoc

М ------------- ±-------------- ,рН2,6

²¹² Na49Mg27Cal0NH₄9Fe5 ^

с содержанием Fe²+ — 41,82; Fe³+ —2,9; Zn — 1; Си — 0,02; As — 0,12 г/л. По отношению к мерзлым толщам воды внутри-мерзлотные, трещинно-жильные.

Близкого состава надмерзлотные криопэги были вскрыты дорожным карьером в зоне выветрелых лимонитизированных алевролитов и сланцев верхнего триаса. По данным В. М. Пи-гузовой и В. В. Шепелева, воды имеют состав:

Эти воды образовались вследствие многократного сезонно­го промерзания и протаивания водоносных пород. Следует предположить, что в условиях гидрогеологических адмассивов, сложенных песчано-сланцевыми породами триаса, первоначаль­но эти воды относились к пресным или солоноватым и только процессы криогенного метаморфизма привели к образованию криопэгов столь уникального состава и высокой минерализа­ции. Сульфатные рассолы встречаются в природе редко, и, ви­димо, одним из путей их образования является криогенный ме­таморфизм.

Глава III

НАДМЕРЗЛОТНЫЕ ВОДЫ СЕЗОННОТАЛОГО

СЛОЯ

Поиск по сайту: