Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

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.

таморфизащш подземных вод м

Процессы криогенной ме-

Рис. 4. Изменение минерализации подземных вод с глубиной в Якут­ском АБ в результате криогенного метаморфизма (по Р. С. Кононо­вой) : А — Намекая скважина, Б — Джарджанская скважина; / — мерзлая толща; // — зона опресне­ния; /// — зона концентрирования; IV — зона не измененных криогене-зом вод: 1 — места взятия проб, 2 — подошва современной мерзлой толщи

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 ИзмеНение состава жидкой

кристаллизация мирабилита фазы при последовательном вымо-

морской воды (по

раживании морской воды К. Э. Гиттерману, 1937)

(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

 

Стадия Диапазон температур, °С
I II III IV V VI Образование льда и выпадение углекислой изве­сти СаСО3 Образование льда и концентрирование раствора без существенного изменения его состава Выпадение мирабилита Na2SO4- 10H2O Выпадение гидрогалита NaЈl-2H2O Выпадение хлористого магния MgCl2-6H2O Выпадение хлористого кальция СаС12-/Ш2О и полное замерзание раствора от 0 до —2 от —2 до —.8 от —8 до —23 от —23 до —36 от —36 до —55 ниже —55

Таблица 2

Подразделение криопэгов по температуре (по Кононовой и дрм 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




©2015 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.