Water exchange function in permafrost regions

V.V.Shepelev, YU Miao, WEI Yi-Ru, N.А.Pavlova

(1.Melnikov Permafrost Institute Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, Laboratory of Groundwater and Permafrost Geochemistry, Yakutsk 677010, Russia; 2. Heilongjiang University, China and Russian Cold Region Hydrology and Water Conservancy Engineering Joint Laboratory, Harbin 150080,China; 3. North-Eastern Federal University, Geological Prospecting Faculty ,Yakutsk 677000, Russia)

Abstract：Attention is focused on the importance of water exchange function in permafrost regions and its role in water resource utilization,surface water and groundwater conversion. The effects of water exchange in the active layer of permafrost regions and groundwater dynamics on the input,transport,output and scale of water quantity and quality in permafrost regions are considered respectively.Cryogenic processes that increase the water exchange function in permafrost regions are briefly characterized.

Key words：permafrost; water exchange cycle; groundwater; surface water

О водообменной функции криолитозоны В. В.Шепелёв1,2, Юй Мяо1,2,3, Вэй Ижу1,2,3, Н. А.Павлова1,2

(1.Институт мерзлотоведения им.П.И.Мельникова СО РАН, Лаборатория подземных вод и геохимии криолитозоны, Якутск, 677010, Россия; 2.Совместная лаборатория гидрологии и гидротехники холодных регионов между Институтом мерхлотоведения им.П.И.Мельникова СО РАН И Хэйлунцзянским университетом, Харбин, 150080; 3.Северо-Восточный федеральный университет им.М.К.Аммосова, Геологоразведочный факультет, Якутск, 677000, Россия)

Аннотация：Акцентируется внимание на важности изучения водообменной функции криолитозоны и исследовании её роли в формировании ресурсов и режима поверхностных и подземных вод. Рассматривается отдельно водообменная роль деятельного слоя криолитозоны и влияние многолетней ее динамики на направленность и масштабы водообмена. Кратко охарактеризованы криогенные процессы, повышающие водообменную функцию криолитозоны.

Ключевые слова：мерзлота, водообменный цикл, подземные воды, поверхностные воды, круговорот природных вод

1 Соответствующая исследовательская платформа и предпосылки исследований

В криолитозоне, занимающей в настоящее время четверть суши аемли и распространяющейся в некоторых районах до глубины 1,5 и более километров, содержится по ориентировочным расчетам около 400 тыс. км3подземного льда. Однако криолитозона является не только весьма масштабным по размерам хранилищем льда, но и очень динамичной открытой диссипативной системой. Основной её особенностью являются фазовые переходы воды, которые во многом обусловливают сложность её строения, высокую динамичность и специфичность развития различных процессов криогенеза. В данной системе происходят фазовые переходы воды из жидкого состояния в твердое (процессы льдообразования или промерзания), из твердого в жидкое (процессы протаивания), из газообразного в твердое (процессы десублимации или абляции), из твердого в газообразное (процессы сублимации), из жидкого в газообразное (процессы испарения), из газообразного состояния в жидкое (процессы конденсации).

В настоящее время мало учреждений, специализирующихся на фундаментальных исследованиях подземных вод в регионах вечной мерзлоты. В целях развития фундаментальных исследований подземных вод в районах мерзлых почв в 2016 году Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН (Россия) и Хэйлунцзянский университет (КНР) подписали Соглашение о создании совместной лаборатории гидрологии и гидротехники холодных регионов. Таким образом, два научно-исследовательских института начали углубленные исследования подземных вод в районах мерзлых почв.

2 Связь между водообменной функцией криолитозоны и фазовыми переходами воды

Водообменная функция криолитозоны связана, прежде всего, с фазовыми переходами воды из жидкого состояния в твердое и обратно, т.е. с процессами промерзания водонасыщенных и протаивания льдонасыщенных горных пород. Ежегодно в верхней её части происходит сезонный переход подземных льдов в жидкую фазу и обратно в огромных количественных масштабах[1-4]. Суммарный объем воды, образуемой от таяния подземного льда, аккумулируемого в зимний период в деятельном слое криолитозоны, составляет около 4·1 012 м3, что в 3,3 раза превышает единовременный объем воды всех рек нашей планеты[5]. Значительная часть образуемой при этом влаги поступает на формирование различных видов надмерзлотных вод, которые расходуются на транспирацию и подземное питание рек и озер криолитозоны. Величина надмерзлотного стока в области распространения многолетнемерзлых пород по нашим расчетам равна 19·109 м3/сут. или 220 тыс. м3/с.

Воды слоя сезонного протаивания, формирующиеся в этих условиях в теплый период года, по условиям залегания относят к подземным водам зоны аэрации в области распространения многолетнемерзлых пород.

В условиях, когда сезонномерзлый слой не сливается с многолетнемерзлыми породами или последние отсутствуют в современный период, нижняя граница зоны аэрации определяется конкретной гидрогеологической обстановкой. При этом в зависимости от глубины залегания уровня постоянно существующих надмерзлотных грунтовых или собственно грунтовых водоносных горизонтов зона аэрации может либо полностью включать слой сезонного промерзания горных пород (см. рис. 1, ситуации 3, 7, 12, 15), либо охватывать только часть его (ситуации 4, 8, 13, 16), либо в какой-то период вообще не включать данный слой (ситуации 5, 6). Надмерзлотную верховодку, формирующуюся в подобных условиях, также следует относить к подземным водам зоны аэрации, поскольку она временно образуется в пределах этой зоны и исчезает после полного протаивания сезонномерзлого слоя.

Рис.1 Возможные ситуации граничных условий зоны аэрации криолитосферы

Таким образом, в районах и областях, где наблюдается слияние деятельного слоя с многолетнемерзлыми породами, нижняя граница зоны аэрации определяется геокриологическими условиями. При этом мощность данной зоны может соответствовать мощности деятельного слоя или превышать его. Если ниже по разрезу залегают морозные горные породы. В районах и областях, где сезонномерзлый слой не сливается с многолетнемерзлыми породами или последние вообще отсутствуют, положение нижней границы зоны аэрации определяется гидрогеологическими условиями. Мощность данной зоны в этом случае соответствует глубине залегания уровня постоянно существующих надмерзлотных или собственно грунтовых вод.

Таким образом, водообменная функция самого верхнего слоя криолитозоны, обусловленная сезонными фазовыми переходами воды из жидкого состояния в твердое и обратно, весьма значительна. Именно по этой причине правомерно выделять в гидрологическом (климатическом) цикле круговорота природных вод отдельно криолитогенное звено, связанное с сезонными переходами подземных вод, формируемых в деятельном слое криолитозоны, из жидкого состояния в твердое и обратно.

3 Связь между водообменной функцией криолитозоны и изменением климата

Своеобразна и, безусловно, более масштабна водообменная функция криолитозоны, связанная с многолетней динамикой её развития под воздействием периодических крупных колебаний климата. Мощность и площадь распространения многолетнемерзлых пород значительно увеличиваются в периоды похолоданий климата (криохроны) и уменьшаются в последующие потепления (термохроны). В Западной и Восточной Сибири, например, только за последние 800 тыс. лет выделяют около 20 подобных пульсаций криолитозоны (криоциклов) продолжительностью от 2 до 40 тыс. лет и более[6].

Последнее крупное похолодание климата произошло в сартанский криохрон (37～11 тыс. лет назад), который называют главным климатическим минимумом плейстоцена[7]. Пик этого похолодания был около 18 тыс. лет назад, когда многолетнемерзлые породы занимали около110 млн. км2суши Земли, охватывая практически всю Европу, большую часть территорий Азиатского континента и Северной Америки. После этого начался общий тренд на потепление, максимум которого пришелся на время около 7-6 тыс. лет назад (голоценовый климатический оптимум). В период этого термохрона южная граница распространения криолитозоны сместилась в северном направлении на 1 300～1 500 км, сформировались значительные по площади надмерзлотные водоносные таликовые зоны мощностью до 150～300 м.

Ориентировочный расчет показывает, что за период голоценового термохрона было переведено в жидкую фазу около 4,5·1 015 м3подземного льда. Интенсивность поступления воды, образуемой от таяния этого количества льда, в поверхностные и подземные пути её стока и аккумуляции составляло в среднем 820 км3в год. Это сопоставимо с интенсивностью водообмена в таких звеньях геологического цикла круговорота природных вод как литогенное, метаморфогенное и магматогенное. Учитывая данное обстоятельство ранее предлагалось выделять отдельно криолитогенное звено в геологическом цикле круговорота природных вод[8-9].

Весьма специфичен водообмен подмерзлотных вод с поверхностными водами при масштабных изменениях климата. В периоды похолоданий промерзание водоносных горных пород вызывает отжатие определенной части подземных вод от фронта межфазовой границы, поскольку объем образующегося в горных породах льда, примерно, на 9% больше жидкой фазы воды. Под воздействием подобного так называемого кристаллизационно-компрессионного эффекта значительно повышается гидростатическое давление в промерзающих водоносных горизонтах, что вызывает рост пьезометрических уровней подмерзлотных вод. Амплитуда повышения гидростатического давления в подмерзлотной зоне в периоды похолоданий климата, как показало моделирование, может достигать 32～34 МПа[10]. Это, в свою очередь, способствует значительному увеличению величины разгрузки подмерзлотных вод по сквозным таликам, существующим под крупными реками и озерами в криолитозоне.

В продолжительные периоды потепления климата происходит смещение фазовой границы (мерзлые породы-подземные воды) вверх по разрезу, что сопровождается понижением гидростатического давления в подмерзлотной зоне (кристаллизационно-вакуумный эффект). Под воздействием этого эффекта формируются значительные по величине депрессии пьезометрического уровня в подмерзлотных водоносных горизонтах и комплексах, что интенсифицирует как горизонтальную фильтрацию подземных вод, так и их инфильтрационное питание за счет поверхностных вод по сквозным таликовым зонам. Величина инфильтрационного питания подмерзлотных вод по сквозным таликам в периоды потепления климата может достигать 40～60 м3на 1 км2площади таликовой зоны[10].

H-величина гидростатического напора подмерзлотных вод; m-мощность многолетнемерзлых пород (минимальная мощность-в момент времени 0 и 40 тыс. лет, максимальная-в период 20 тыс. лет). 1-многолетнемерзлые породы и направленность смещения их фазовых границ; и направленность ее смещения; 2-водоносные породы; 3-пьезометрический уровень подземных вод; 4-уровень воды в реке.

Таким образом, в продолжительные периоды похолоданий климата происходит не только перевод огромных объемов подземных вод в твердую фазу, но и истощение ресурсов подмерзлотных водоносных горизонтов за счет повышения величины их разгрузки по сквозным таликовым зонам под воздействием кристаллизационно-компрессинного эффекта. В длительные же периоды потепления климата происходит восполнение запасов и ресурсов подмерзлотных вод как за счет таяния подземного льда, так и повышения их инфильтрационного питания по сквозным таликовым зонам. Именно подобная активная водообменная роль последних сохраняет их от промерзания даже в период значительных по амплитуде и продолжительных по времени похолоданий климата.

4 Взаимосвязь водообменной функции криолитозоны и литологии пласта

Высокая водообменная функция криолитозоны, безусловно, связана с тем, что периодические фазовые переходы подземных вод в твердую фазу и обратно увеличивают трещиноватость и эффективную пористость горных пород, повышая тем самым их фильтрационные свойства.

Рис.2 Динамика мерзлотно-гидрогеологической обстановки вблизи сквозного подруслового талика в разные климатические периоды

Особенно интенсивно криогенная деструкция горных пород протекает в верхних слоях разреза криолитозоны, где имеют место сезонные переходы жидкой фазы воды в твердую и обратно. При этом широкое развитие морозобойной трещиноватости горных пород способствует формированию своеобразного полигонально-локализованного типа питания и стока надмерзлотных вод деятельного слоя, что значительно усиливает условия их водообмена с поверхностными водами.

В средних и нижних частях разреза криолитозоны также отмечается развитие криогенной деструкции горных пород, что приводит к возникновению зон их вторичной трещиноватости (криогенной дезинтеграции). Периодическая пульсация нижней границы многолетнемерзлой толщи и плановых размеров сквозных таликов вызывает формирование на контакте талых и мерзлых горных пород сильнообводненных зон, способствующих усилению водообмена в гидрогеологических структурах криолитозоны и улучшению взаимосвязи подмерзлотных вод с поверхностными водами[11-12].

Помимо процессов промерзания водонасыщенных и протаивания льдонасыщенных горных пород определенную роль в водообменной функции криолитозоны, безусловно, играют и другие фазовые переходы воды. Однако изучены они в этом отношении пока недостаточно глубоко и всесторонне. Имеющиеся результаты исследований свидетельствуют о том, что такие фазовые переходы воды как процессы десублимации (абляции), испарения и конденсации протекают в условиях криолитозоны достаточно интенсивно. Так, по данным водобалансовых наблюдений, проведенных в Центральной Якутии, в деятельном слое, сложенном разнозернистым песком, в зимний период может аккумулироваться в виде десублимационного льда около 40～60 мм влаги[5]. В подмерзлотной зоне процессы десублимационного льдообразования возможны в тех случаях, когда уровень безнапорных подземных вод залегает ниже подошвы многолетнемерзлой толщи. Подобные условия встречаются в некоторых высокогорных гидрогеологических массивах и адмассивах криолитозоны.

5 Вывод

В заключение необходимо отметить, что активная водообменная роль криолитозоны, обусловленная фазовыми переходами воды, оказывает огромное влияние и на формирование качественного состава подземных и поверхностных вод. При кристаллизации,например, жидкой фазы воды и последующем таянии образуемого льда происходит существенная трансформация химического, газового и изотопного состава воды, что приводит, в частности, к улучшению её питьевых свойств и повышению биологической активности. В этом отношении криолитогенные звенья в климатическом и геологическом циклах круговорота природных вод представляют собой своеобразные, очень эффективные и высокопродуктивные естественные механизмы их непрерывно идущей очистки и регенерации. Всё это указывает на необходимость и важность дальнейшего комплексного изучения водообменной функции криолитозоны.

Благодарность：Мы благодарны Хэйлунцзянскому университету за тесный академический обмен и сотрудничество с нами.Мы совместно создали совместную лабораторию гидрологии и гидротехники холодной зоны на основе соглашения о международном сотрудничестве, подписанного в 2016 году, что в свою очередь привело к сотрудничеству, включая совместную организацию конференций, обучение аспирантов, обмен миссионерскими визитами и совместный перевод переводов, которые совместно способствовали международному обмену.Я благодарен за доверие Инженерного журнала Хэйлунцзянского университета в принятии меня на работу в качестве иностранного члена редакционной коллегии и за предоставленную мне возможность представить эту тему обсуждения-функцию водообмена в вечной мерзлоте-по случаю 80-летия основания Хэйлунцзянского университета.Я очень благодарен профессору Дай Чанглею, декану Школы водных ресурсов и электроэнергетики Хэйлунцзянского университета, который организовал соответствующую команду для перевода и публикации моей монографии 《Надмерзлотные воды криолитозоны》 на китайский язык, что позволит большему числу людей понять соответствующие аспекты гидрогеологии вечной мерзлоты.Я с нетерпением жду продолжения углубления обменов и сотрудничества в области гидрогеологии вечной мерзлоты и смежных областях в будущем, а также создания фундамента для дальнейших академических исследований в будущем.

ЛИТЕРАТУРА:

[1] Алексеев В.Р. Вода и лед в криосфере Земли//Фундаментальные проблемы изучения и использования воды и водных ресурсов: Материалы международной конференции.-Иркутск:Изд-во Института географии СО РАН, 2005.-с. 4-7.

[2] Втюрин Б.И. Подземные воды СССР.-М.: Наука, 1975.-с.215.

[3] Котляков В.М. Избранные сочинения. Кн. 5. В мире снега и льда.-М.: Наука, 2002.-с.384.

[4] Шумилов Ю.В. Континентальный литогенез и россыпеобразование в криолитозоне.-Новосибирск: Наука, 1986.-с.173.

[5] Шепелёв В.В. Надмерзлотные воды криолитозоны.-Новосибирск: Академическое изд-во 《Гео》, 2011.-с.169.

[6] Фотиев С.М. Современные представления об эволюции криогенной области Западной и Восточной Сибири в плейстоцене и голоцене // Криосфера Земли, 2005, т. IХ, №2.-с. 3-22.

[7] Зубаков В.А. Глобальные климатические события плейстоцена.-Л.: Гидрометеоиздат, 1986.-с.280.

[8] Шепелёв В.В. Фазовые переходы воды-основа природных водообменных циклов // Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже третьего тысячелетия.-Томск: Изд-во НТЛ, 2000.-с. 495-498.

[9] Шепелёв В.В. О схеме круговорота природных вод // Доклады IV Всероссийского гидрологического съезда, секция 3. Ч. II.-М.: Метеоагентство Росгидромета, 2008.-с. 72-76.

[10] Балобаев В.Т. Гидродинамические процессы формирования подмерзлотных вод // Подземные воды Центральной Якутии и перспективы их использования.-Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал 《Гео》, 2003.-с. 51-67.

[11] Алексеев С.В. Криогидрогеологические системы Якутской алмазоносной провинции.-Новосибирск: Академическое изд-во 《Гео》. 2009.-с.319 .

[12] Фотиев С.М. Криогенный метаморфизм пород и подземных вод (условия и результаты).-Новосибирск: Академическое изд-во 《Гео》, 2009.-с.279 .