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 Рис5ИзмеНение 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
N°
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.