Криогенез подземных вод и горных пород (на примере Далдыно-Алакитского района Западной Якутии)

Одной из важнейших в геокриологии является проблема многолетнего крио-генеза литосферы, обусловливающего формирование и эволюцию криолитозоны на Северном полушарии Земли. Учение о криогенезе литосферы как синтетическое научное направление зародилось в двадцатые годы нашего столетия. Его основоположники - М. И. Сумгин, В. Ф. Тумель, С. Г. Пархоменко, Н. И. Толстихин, П. Ф. Швецов, А. И. Ефимов, В. М. Пономарев - впервые выявили региональные особенности распространения "вечной мерзлоты", ее влияние на подземные воды, составили мерзлотные карты территории СССР, изучили основные криогенные явления. В дальнейшем В. А. Кудрявцев, основываясь на новых принципах, а также используя региональный, зональный и высотно-поясной подходы, провел анализ влияния комплекса факторов на распространение, мощность, строение мерзлоты и таликовых зон. Им были опубликованы монография "Температура верхних горизонтов вечномерзлой толщи в пределах СССР" и карта температурного районирования области вечной мерзлоты.

Пятидесятые - начало шестидесятых годов ознаменовались становлением кри-олитологии как науки. Началось изучение криогенного строения эпигенетически промерзших пород (А. И. Попов, В. А. Кудрявцев, В. Н. Усов, Т. Н. Жесткова, В. В. Баулин, Г. И. Дубиков и др.), а также сингенетически промерзающих отложений (Е. М. Катасонов, А. И. Попов, Н. Н. Романовский, Г. Ф. Гравис и др.). Получены первые данные о физико-химических преобразованиях в горных породах при криогенезе (Н. А. Тютюнов и др.). В. А. Кудрявцев заложил основы использования расчетных методов при оценке влияния параметров теплообмена, состава и свойств пород на мощность многолетней мерзлоты. Накоплен и обобщен фактический материал по истории развития мерзлых пород Евразии (И. Я. Баранов, В. В. Баулин и др.). Синтезом представлений о криолитозоне явились работы И. Я. Баранова "Геокриологическая карта СССР" масштаба 1:10 000 000 [1960]; 1:5000 000 [1970] и "Принципы геокриологического (мерзлотного) районирования области многолетнемерз-лых горных пород" [1965].

Развитие исследований повлекло за собой появление новых и расширение содержания старых геокриологических терминов. Терминологической комиссией Института мерзлотоведения имени В. А. Обручева АН СССР впервые введено понятие криогенез как "совокупность процессов физического, химического и минералогического изменения и преобразования почвы и горных пород, коры выветривания, а также гидросферы при отрицательной температуре" [Основные понятия..., 1956].

С конца 60-х годов геокриологические исследования стали проводиться в Западной, Средней и Восточной Сибири. В результате комплексных работ геокриологов, гидрогеологов, палеогеографов, геологов-четвертичииков и гляциологов получены уникальные данные о криолитозоне крупных регионов, особенностях многолетнего криогенеза на платформах и плитах (Восточно-Европейской, Западно-Сибирской, Сибирской) и в горно-складчатых областях Урала, Сибири и Дальнего Востока, Памира, Тянь-Шаня и др. Эти работы явились мощным стимулом для дальнейшего развития общей и региональной геокриологии, учения о криогенных процессах и явлениях, криолитологии и гидрогеологии мерзлой зоны литосферы.Важнейшим итогом многолетних исследований стала пятитомная монография "Геокриология СССР" [1988-1989], а также вышедшие в свет обобщающие работы А. И. Попова [1967], А. И. Попова и др. [1985], И. Д. Данилова [1978], В. Н. Конищева [1981], Ш. Ш. Гасанова [1981], Э. Д. Ершова [1982, 1990]. В трудах крио-литологов изложены сформировавшиеся представления о природе и особенностях проявления процессов криогенеза при осадочном породообразовании. Крупные исследования криогенных процессов и явлений, проблемы формирования различных типов подземных льдов были проведены зарубежными учеными Н. М. French [1976], 3. К. Маскеу [1979], А. L.Washburn [1979].Огромный вклад в углубление знаний по гидрогеологии мерзлой зоны литосферы внесли работы О. Н. Толстихина, Н. Н. Романовского, Н. А. Вельминой, С. М. Фотиева, Б. В. Пиннекера, Н. П. Анисимовой и др.Таким образом, формировалась единая концепция криогенеза литосферы, которая нашла объективное отражение в монографии Н. Н. Романовского "Основы криогенеза литосферы" [1993]. Автор показал, что "криогенез - это комплекс процессов и явлений, происходящих в верхних горизонтах литосферы как в сформировавшихся породах различного состава и возраста, так и в накапливающихся осадках, вызванных их промерзанием и протаиванием, охлаждением и нагреванием, изменением давления" [Романовский, 1993]. Он включает в себя фазовые превращения в системах вода—>лед—>пар, (вода+газ)—>гидраты газов—>(газ+лед); образование и разрушение кристаллогидратов солей; миграцию газов и флюидов, изменение их состава, свойств, строения, состояния и распределения в литосфере.Криогенез, являясь сложным экзогенным геологическим процессом, объединяет криогенное пучение и растрескивание, солифлюкцию, термокарст и другие явления, которыми обусловлены криогенные явления (образования) и специфический микрорельеф. В результате криогенеза в массивах пород формируется и эволюционирует их криогенное строение, включая криотекстуру, криоструктуру толщ различного генезиса и мономинеральные залежи льда. При этом происходят физические я химико-минеральные изменения самих пород, преобразуется термодинамическое состояние не только криогенной системы в целом, но и ее составляющих [Там же]. Как геоисторическое явление криогенез характерен для всех холодных этапов развития Земли.В настоящее время на стыке гидрохимии и геохимии, гляциологии и геокриологии, а также других научных дисциплин идет становление новой науки -гляциохимии, одной из составных частей которой является криогенная метаморфизация химического состава природных льдов, замерзающих и талых вод. Впервые термин криогенная метаморфизация химического состава природныхвод предложен А. В. Ивановым и Н. А. Власовым в связи с интерпретацией особенностей формирования химического состава почвенных и грунтовых вод Юго-Восточного Забайкалья [Иванов, Власов, 1968]. С тех пор он широко используется гидрохимиками, гидрогеохимиками, гидрогеологами и геокриологами при объяснении процессов криогенного преобразования состава гидросферы.В общем виде проблема криогенной метаморфизации природных вод обсуждается давно. Наиболее ранние работы посвящены изменению солености морских вод в ходе ее вымораживания [Ringer, 1906; Гиттерман, 1937; Зубов, 1945, Workman, 1954; Nelson, Thompson, 1954; Thompson, Nelson, 1956; Pounder, 1965; Wakatsuchi, 1974]. Этот вопрос рассматривался также в работах Л. К. Блинова [1965], В. Л. Цурикова [1965], Б. А. Савельева [1963, 1971], Ю. П. Доронина, Д. Е. Хейсина [1975]. Все исследователи отмечают, что при вымораживании морской воды происходит увеличение ее минерализации, причем оно имеет ступенчатый характер, обусловленный неодинаковой величиной растворимости солей, различной скоростью ее понижения и различной начальной концентрацией растворенных веществ. Замерзание морской воды сопровождается вовлечением солей в лед и осаждение их после достижения состояния насыщения.В работах Б. П. Пентегова [1932], С. 3. Макарова [1935], А. Н. Дзенс-Литовского [1938, 1954], Н. А. Власова, Л. А. Чернышева [1961], Н. А. Власова, Л. И. Павловой [1961, 1969] содержатся результаты исследований изменения химического состава воды минеральных озер в процессе образования ледяного покрова. Указывается, что образование льда в водоемах сопровождается сдвигом равновесий в природных водно-солевых системах, в результате чего в подледной воде повышается содержание легкорастворимых солей.В ряде работ, посвященных изучению химического состава вод рек, озер и водохранилищ, основные выводы сводятся к тому, что изменение минерализации воды в процессе роста ледяного покрова в значительной степени зависит от глубины водоемов. При этом в результате температурных изменений в толще льда происходит миграция межкристаллических растворов, приводящая к изменению его химического состава [Анисимова, 1959, 1969; Вотинцев, Мещерякова, 1961; Жаггар, Холодова, 1961; Максимович, Ящеико, 1963; Печеркин, Бурматова, 1964; Кореновская, Тарасов, 1968, 1972; Иванов и др., 1977; и др.].Значительный вклад в развитие проблемы криогенного преобразования гидросферы внес А. В. Иванов [1981, 1983, 1987, 1993]. Итогом его многолетних теоретических и экспериментальных исследований явилась крупная обобщающая монография, в которой сформулированы главные положения криогенной метаморфизации состава природных льдов и вод [Иванов, 1998]. На ее основе решены многие спорные вопросы, касающиеся процессов и механизмов формирования химического состава наледей, ледяного покрова рек, озер, болот, морских акваторий. Большое внимание уделено математическому моделированию физико-химических процессов, происходящих при замерзании и оттаивании природных вод. <...>