Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Природные условия формирования криопэгов в долине туймаада
1.1. Особенности рельефа. 10
1.2. Общая характеристика климата. 10
1.3. Геологическое строение 13
1.4. Засоленность почвогрунтов долины Туймаада . 15
1.5 Геокриологические условия. 19
1.6. Поверхностные воды. 21
1.7. Гидрогеологические условия 23
ГЛАВА 2. Техногенные факторы формирования криопэгов 29
2.1. Изученность антропогенной засоленности грунтов на территории г.Якутска. 29
2.2. Источники и факторы техногенного засоления среды в г.Якутске 31
2.3. Роль сельскохозяйственных комплексов в засолении земель.
ГЛАВА 3. Постановка исследований и методика проведения работ
ГЛАВА 4. Особенности режима техногенных криопэгов в районе Якутска
4.1. Первые режимные наблюдения в долине Туймаада. 48
4.2. Экспериментальный полигон "Криопэг". 49
4.2.1. Режим верхнего (первого) яруса криопэгов 55
4.2.2. Режим второго яруса криопэгов 70
4.2.3. Режим третьего яруса криопэгов 70
4.2.4. Динамика химического состава и уровня криопэгов в многолетнем цикле 14
4.2.5. Влияние криопэгов на геокриологическую обстановку участка 83
4.3. Влияние подземной прокладки трубопроводов на динамику криопэгов 96
4.3.1. Режим криопэгов на площади прокладки трубопровода 98
4.3.2. Изменение засоленности пород на площади прокладки трубопровода 103
4.3.3. Динамика геокриологической обстановки на участке прокладки трубопровода 110
ГЛАВА 5. Применение экспресс-метода гидрогеохимического опробования для прогноза мест формирования криопэгов
5.1. Методика проведения исследований 116
5.2. Результаты экспресс-метода гидрогеохимического опробования 118
Заключение 130
Литература 132
- Засоленность почвогрунтов долины Туймаада
- Источники и факторы техногенного засоления среды в г.Якутске
- Режим верхнего (первого) яруса криопэгов
- Динамика геокриологической обстановки на участке прокладки трубопровода
Введение к работе
Актуальность темы. Широкое распространение на освоенных территориях долины р. Лены в Центральной Якутии техногеннозасоленных мерзлых грунтов, включающих линзы криопэгов -криометаморфизованных соленых вод с отрицательной температурой, вызывает изменение мерзлотно-гидрогеологической и экологической обстановки, а также осложняет строительство и эксплуатацию зданий и сооружений. В этих условиях для прогноза и предупреждения возникновения кризисных ситуаций особую актуальность приобретают исследования условий формирования техногенных криопэгов, особенностей их гидрогеологического режима в годовом и многолетнем циклах, миграции по разрезу, воздействия на температурный режим и засоленность вмещающих грунтов. Важным является также разработка полевого экспресс-метода гидрогеохимического опробования поверхностных вод и верхних слоев грунта на осваиваемой территории для прогноза мест возможного формирования криопэгов при эксплуатации инженерных сооружений.
Цель работы: изучение условий формирования и закономерностей режима криопэгов в долине р. Лены (участок Туймаада), определение роли природных и техногенных факторов в их динамике как основы, необходимой для решения природоохранных и инженерных проблем.
В соответствии с поставленной целью решались следующие основные задачи:
1. Провести статистическую, аналитическую и графическую обработку материалов мониторинговых исследований техногенных криопэгов за многолетний цикл наблюдений (1985 - 2001 гг.);
2.Изучить условия формирования техногенных криопэгов в толще многолетнемерзлых аллювиальных отложениях долины р. Лены (участок Туймаада);
3.Рассмотреть особенности гидрогеологического режима и миграции техногенных криопэгов в многолетнем цикле;
4.Установить основные факторы формирования многослойных криопэгов в разрезе многолетнемерзлых аллювиальных песков;
5. Оценить, на примере прокладки тепловыделяющего трубопровода, влияние техногенной нагрузки на режим сформировавшихся криопэгов;
6.Разработка полевого экспресс-метода гидрогеохимического опробования поверхностных вод и верхних слоев пород для прогноза мест возможного формирования техногенных криопэгов и заложения скважин для проведения режимных наблюдений.
Фактические материалы. Работа выполнялась по госбюджетной теме "Экологические последствия антропогенного воздействия на криолитозону", а также по проекту РФФИ "Закономерности криогенных изменений гидрогеохимических условий и экологическое состояние среды на освоенных площадях криолитозоны" (№97-05-65024).
Основной фактический материал по изучению закономерностей режима и миграции криопэгов получен при проведении многолетних мерзлотно-гидрогеохимических исследований на экспериментальных полигонах Института мерзлотоведения СО РАН и на площадке многолетнего натурного эксперимента по изучению особенностей воздействия подземной прокладки тепловыделяющего трубопровода на режим криопэгов.
Научная новизна.
1. Впервые, на основании анализа данных многолетних режимных комплексных наблюдений, установлена зависимость гидрогеологического режима и миграции линз криопэгов в разрезе охлажденных песков от гидрометеорологических факторов.
Впервые детально исследовано влияние особенностей водообмена в таликах, сформировавшихся под тепловыделяющими трубопроводами, на режим техногенных криопэгов на прилегающих участках.
Разработан полевой эспресс-метод гидрогеохимического опробования поверхностных вод и верхних слоев грунта на планируемых к освоению площадях в целях прогноза мест возможного формирования техногенных криопэгов при эксплуатации инженерных сооружений.
Основные защищаемые положения диссертационной работы: 1. Широкое распространение техногенных криопэгов в долине Туймаада обусловлено слаборасчлененным грядово-увалистым рельефом, создающим неблагоприятную обстановку для стока поверхностных и надмерзлотных вод. Застройка площадей без проведения соответствующей вертикальной планировки ухудшает условия отвода загрязненных стоков, приводит к накоплению их в замкнутых низинах.
2.Криогенное оттеснение растворенных солей по разрезу толщи аллювиальных отложений при формировании многослойных криопэгов, а также их гидрогеологический режим и динамика геотермических условий вмещающих грунтов определяются межгодовой изменчивостью климата.
3. Предложен полевой экспресс-метод гидрогеохимического опробования для определения характеристики засоленности пород осваиваемых площадок, выявления мест накопления химических веществ и возможного формирования техногенных криопэгов.
Практическая ценность. Результаты проведенных исследований могут быть использованы в практике инженерных изысканий и проектирования в долине Туймаада, в частности, при прогнозировании мест возможного формирования криопэгов на осваиваемых площадях, их миграции в разрезе мерзлых пород и влияния на температурный режим. Систематизация полученных материалов мониторинговых исследований позволяет создать информационную базу данных для разработки рекомендаций по рациональному природопользованию и охране окружающей среды.
Личный вклад автора при выполнении работы заключался в его участии (1994-2001 гг.) в проведении режимных мерзлотно-гидрогеологических и гидрогеохимических исследований на экспериментальных полигонах, обработке информации и анализе результатов наблюдений, а также обобщении материалов ранее проведенных исследований.
Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены автором на пяти международных (Пущино, 1999; Санкт-Петербург, 2000; Томск, 2000; Сеул, 2001; Пермь, 2001), российской (МГУ, 2001) и на четырех республиканских (г.Якутск, 1998, 1999, 2000, 2001) конференциях. По теме диссертации опубликовано 11 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем ее составляет 140 страниц, включая 28 иллюстраций, 27 таблиц. Список использованной литературы содержит 140 наименований.
В первой главе рассмотрены природные условия территории. Отмечена возможность образования высоких концентраций загрязняющих веществ в таликах, формирующихся под промерзающими и усыхающими озерами, в бессточных понижениях. Во второй главе детально освещена проблема вторичного засоления земель и формирования техногенных криопэгов при нарушениях исходной геологической среды. В третьей главе обоснован выбор участка и методика проведения режимных мерзлотно-гидрогеологических исследований криопэгов. В четвертой главе рассмотрены режим техногенных криопэгов в годовом и многолетнем цикле, основные факторы формирования многослойных криопэгов. Приведены результаты исследования влияния подземной прокладки тепловыделяющих трубопроводов на изменение режима криопэгов и засоленности пород на примыкающей площади. В пятой главе рассмотрена возможность применения полевого экспресс-метода гидрогеохимического опробования для прогноза мест возможного формирования техногенных криопэгов.
Диссертация выполнена под руководством д.г.-м.н. Н.П.Анисимовой, которой автор выражает свою глубокую признательность и благодарность за постоянное внимание, помощь и содействие в завершении данной работы, благодарит сотрудников лаборатории подземных вод Института мерзлотоведения А.В.Бойцова, И.С. Семенова, Д.А.Довгополика, Л.Ю.Федорову и А.В.Санникову, оказавших большую помощь в обработке данных наблюдений, проведении полевых работ, а также О.П.Жигалову, О.В.Шепелеву, Л.Ю.Бойцову и к.т.н. А.С.Тетельбаума за выполнение лабораторных анализов и численное моделирование температурных полей техногеннозасоленных грунтов.
Засоленность почвогрунтов долины Туймаада
Различают 2 типа засоления - морской, характерный для северных территорий (Арктика), и континентальный, распространенный в Центральной Якутии, Забайкалье, встречается в мерзлых отложениях высокогорных озерных котловинах Тибетского плато и межгорных впадинах Монголии (Дубиков, Иванова, 1990).
Морское засоление связано с развитием на северных приморских низменностях плейстоценовых морских трансгрессий, которые сопровождались накоплением осадков с иловыми солеными растворами разной концентрации, физико-диагенетическими изменениями и рассолением верхнего горизонта морских пород при их локальном или региональном оттаивании в эпохи климатических потеплений. Поэтому на арктическом побережье грунты засолены практически повсеместно солями морского происхождения: химический состав засоленных мерзлых грунтов в арктической зоне хлоридный натриевый (аналогичный морской воде) (Фотиев, 1978, 1999; Григорьев, 1987; Хименков, Шешин, 1992; Брушков, 1998 и др.). Величина засоленности составляет 0,1-1,5%, редко 2%, с глубиной засоленность, как правило, возрастает, изменяясь от 0,2-0,3% (на глубине 1,0-2,0 м) до 1,5% (на глубине 6-8 м) (Велли, 1993). Криопэги, ; залегающие в засоленных песчаных породах не приурочены к какой-либо определенной глубине, они характеризуются достаточно однородным хлоридным натриевый составом, но с различным содержанием сульфатов и гидрокарбонатов (Пономарев, 1950, 1960; Неизвестнов, 1973; Орлянский, 1985; Фотиев, 1978, 1998, 1999). Минерализация криопэгов разнообразна -от 10 до 600 г/кг, температура их изменяется в диапазоне от минус 1 до минус 30С (Фотиев, 1999, 2002).
Долина Туймаада находится в границах самой большой области континентального засоления пород в Центральной Якутии. Засоление почв происходило в основном за счет солей, поступающих с паводковыми водами. Сочетание высоких летних температур воздуха с резким дефицитом атмосферных осадков, а также слабый сток на местности, способствуют концентрированию солей в верхних слоях сезонноталых пород, формированию солончаков и солонцов (Еловская и др., 1966).
Дополнительным источником засоления территории являются атмосферные осадки, которые захватывают часть солей еще в атмосфере (соли попадают с брызгами воды озер, рек, частицами пыли, дымов), или приобретают их при растворении из пород, почв. Ориентировочный расчет, проведенный Н.П.Анисимовой в 1965 г., показал, что на 1 км с дождевыми осадками вносится около 1 тонны растворенных веществ. Преобладающую роль среди солей, приносимых атмосферными осадками на поверхность земли, играют гидрокарбонаты и хлориды натрия (Анисимова, 1971).
Соли, привносимые атмосферными осадками, перераспределяются поверхностными и надмерзлотными водами по элементам рельефа. Движение их направлено к зонам природных водосборов - к руслам рек и озерам, мезопонижениям. На территории исследований, где испарение превышает количество осадков в 1,5-2 раза, а толща многолетнемерзлых пород препятствует просачиванию поверхностных вод в более глубокие слои пород, происходит непосредственное испарение растворов, находящихся на поверхности. В осенний (дождливый) период идет промывание почвы и вынос солей инфильтратом атмосферных осадков в нижние горизонты сезонноталых слоев пород.
В зависимости от положения участка на местности и типа почвогрунта, концентрация солей в нем изменяется в значительных пределах: от 0,06-0,2 % до 5-8 % (Еловская, 1966; Анисимова, 1971). В среднем на возвышенных участках в 0,5-метровой толще засоленность почвы составляет 0,26-0,46%, в мезопонижениях пойм соленакопление достигает в верхнем слое 30-40 см слоя 1,26%. Часто грунты с высоким содержанием солей встречаются в границах контура существовавших в прошлом озер, под замкнутыми старицами. На таких участках засоленные грунты отмечаются преимущественно до глубины 6 - 13 м.
На территории, вышедшей из пойменного режима, дальнейшее естественное соленакопление в породах почти прекращается.
Характерной особенностью континентального типа засоления, в отличие от морского, является различный химический состав солей. Всего на территории Центральной Якутии Л.Г.Еловская выделяет 7 типов засоления почв: 1) карбонатно-щелочноземельный; 2) гидрокарбонатный с подтипами: гидрокарбонатный, гидрокарбонатно-сульфатный, гидрокарбонатно-хлоридный; 3) содовый с подтипами: содовый, содово-сульфатный и содово-хлоридный; 4) сульфатный; 5) хлоридно-сульфатный; 6) сульфатно-хлоридный; 7) хлоридный (Еловская и др.,1966).
В пределах долины Туймаада, в зависимости от растворимости солей и их биологического поглощения, на повышениях рельефа встречается содовое засоление, в понижениях - сульфатное, хлоридно-сульфатное и хлоридное. Сохранению и распределению солей на территории Центральной Якутии сложившиеся условия промерзания пород и формирование многолетней мерзлоты придавали своеобразные черты (Анисимова Н.П., 1971). Нижняя часть разреза аллювиальных отложений, представленная многолетнемерзлыми песками русловой фации, сформировалась при эпигенетическом промерзании всего объема талых водонасыщенных русловых отложений в условиях свободного оттока из них воды. Поэтому засоленность у них слабая (0,06-0,03% на 100 грамм породы) при гидрокарбонатном типе. Верхняя - меньшая часть разреза многолетней толщи, представленная отложениями пойменной фации, сформировалась по сингенетическому типу, т.е. послойно по мере накопления в условиях поймы. Накопление отложений сверху сопровождалось переходом в многолетнемерзлое состояние нижнего слоя сезоннопротаивающих пород. В этой толще, представленной пылеватыми, зачастую заиленными, заторфованными мерзлыми песками, супесями, суглинками, засоленность выше и может варьировать в значительных пределах.
Источники и факторы техногенного засоления среды в г.Якутске
Значительная часть солей на освоенных территориях выпадает и с атмосферными осадками. По данным В.Н.Макарова, в 1999 г. средний объем суммарных выпадений из атмосферы в пределах селитебных зон Туймаады изменялся в пределах 5 (Табага) до 104 (Кангалассы) т/км год, на территории г.Якутска, количество выпадающих из атмосферы солей составило 44 т/км в год. В общем объеме сточных вод атмосферная составляющая оценивается в 19% (Макаров и др., 2000). Это, главным образом, сульфатные и карбонатные соли, концентрация которых, например, в снежном покрове города в 10-100 раз выше фоновых, характерных для Центральной Якутии (Макаров, 1998). В снежном покрове на территории Туймаады в 6 и более раз увеличено содержание нитритов, в 9 раз - аммонийного азота,. фиксируются также аномалии фтора, нитратов (Кокшарский и др., 1998 г).
Активным фактором увеличения обводненности и заболачивания территории города и поселков являются аварийные утечки из неисправных водонесущих коммуникаций. Так, например, исследованиями А.Н.Курчатовой установлено, что техногенные наледи, формирующиеся под зданиями в зимний период вследствие утечек, на территории Якутска аккумулируют дополнительно 40-200 % воды от суммы зимних осадков. Минерализация техногенных наледей может достигать 1,5 г/л, химический состав льда в большинстве случаев хлоридно-гидрокарбонатный натриевый или гидрокарбонатно-хлоридный с повышенным содержанием аммония (до 45-100 мг/л) (Курчатова, 1996, 1997). На участках техногенного наледеобразования отмечается повышенная засоленность подстилающих почвогрунтов. При таянии наледей происходит быстрый вынос солей в сезонно-талые пески, что также может привести к формированию линзы криопэгов.
На территории г.Якутска одной из главных причин повышения техногенного обводнения и засоления земель, приводящего к формированию криопэгов, являются завесы из мерзлых пород, которые образуются вследствие подъема верхней поверхности многолетнемерзлых пород под асфальтированными дорогами, холодными трубопроводами, вентилируемыми подпольями. Подобные техногенные преграды на пути движения поверхностных и надмерзлотных вод, делят город на многочисленные ячейки с локальной зарегулированностью стока.
Накапливающиеся в их пределах поверхностные и надмерзлотные воды, как правило, обладают повышенной минерализацией (до 6 г/л) и гидрокарбонатно-хлоридным натриево-магниевым составом. Исследования, проведенные с 1971 по 1995 гг. сотрудниками Института мерзлотоведения СО РАН и Якутского государственного университета, показывают неуклонный рост обводненности территории во всех частях города (Макаров и др., 1997; Грачев и др.; 1997, Никитина, Иванова, 2000; О состоянии..., 2001). Участки повышенного обводнения выделяются севернее пос.Марха, в районе Аэропорт-ГРЭС, озеро Новое (АЗС), районы Сайсары, Птицефабрики, пос.Хатассы и др. Поверхностные воды там характеризуются хлоридно-гидрокарбонатным натриево-магниевым химическим составом с минерализацией от 0,8 до 5,8 г/л. К участкам с локальным перераспределением поверхностного стока относятся жилые и промышленные кварталы города, дачные застройки по Покровскому и Хатын-Юряхскому шоссе и пос.Марха. Минерализация поверхностной воды на этих участках изменяется от 0,5 г/л до 0,9 г/л. Состав воды хлоридно-гидрокарбонатный магниево-натриевый. На карте, составленной Н.М.Никитиной и Л.Д.Ивановой для г.Якутска и его окрестностей (2000), сдренированные участки выделены в основном в южной части территории (рис.1). Водоемы характеризуются пресными хлоридно-гидрокарбонатными водами, смешанными по катионам с минерализацией 0,1-0,8 г/л. Реже встречаются гидрокарбонатно-хлоридного состава и минерализацией 1,1-1,7 г/л. Увеличение минерализации отмечается в озерах около дачных поселков. Процессы ежегодно повторяющегося испарения летом и криогенного концентрирования растворенных веществ зимой на участках скопления стоков приводят к увеличению засоленности пород сезонноталого слоя даже в случаях незначительного содержания солей в миграционных потоках (табл.9). Диффузия ионов активно мигрирующих солей в верхние слои многолетнемерзлых пород в конечном итоге вызывает повышение их засоленности, а иногда и переход в пластично-мерзлое или талое состояние. В подобных замкнутых таликовых зонах происходит формирование криопэгов.
Перераспределение солей в толще аллювиальных отложений может происходить при проходке различных выработок (карьеров, траншей, шурфов и др.), когда загрязненные поверхностные и надмерзлотные воды, стекающие в искусственные полости, проникают в более глубокие горизонты. Скважины, пробуренные при проведении изыскательских работ и сохраняющиеся длительное время открытыми, также в последующем при строительстве объекта могут оказаться путями поступления высокоминерализованных грунтовых вод в мерзлые грунты оснований, повышая их засоленность (Анисимова, 1978).
Изменение химического состава многолетнемерзлых песчаных отложений на строительных площадках может происходить и в период заложения фундаментов. Так, например, перераспределение солей по вертикальному разрезу пород происходит при игловой оттайке грунтов для установки свай. Верхние, более засоленные грунты, после протаивания и промораживания становятся менее засоленными, а в нижних, первоначально незаселенных, содержание солей увеличивается за счет миграции солей из верхних слоев. Так, например, по данным С.Б.Петрова (1992), в процессе строительства дома №6 в районе квартала 103 г.Якутска, при установке свай методом оттайки, глубина, до которой отмечались засоленные грунты (4,5 м) увеличилась с момента изысканий на 3 м за счет перемещения ионов хлора и сульфатов вниз по стволу скважины. Засоление грунтов под торцом сваи привело к переходу твердомерзлых грунтов в пластичномерзлое состояние. В период установки свай также была прослежена миграция линзы криопэгов по разрезу пород с глубины 2,9-3,7 м до 4,2-4,5 м.
Режим верхнего (первого) яруса криопэгов
В 1981-1985 гг. при сочетании низких зимних температур воздуха с большим слоем снегового покрова, глубина сезонного промерзания пород составляла 3 м. Высокая засоленность суглинков (0,6 %) над криопэгами обусловила сохранение их в талом состоянии в интервале глубин 1,9-2,2 м даже в зимний период, не смотря на довольно низкую здесь температуру грунтов (минус 1,0-1,4С). Температура грунтов в интервале залегания криопэгов, имеющих минерализацию 14-15 г/л, была минус 0,5-0,8С; под криопэгами на кровле многолетнемерзлых пород (глубина 4,5 м) - минус 0,9С.
В 1985-1988 гг. вследствие более низких зимних температур воздуха и небольшой высоты снежного покрова, происходило увеличение глубины сезонного промерзания. Прослой высокоминерализованного суглинка (1,9-2,2 м) находился в мерзлом состоянии, но не более двух месяцев (апрель-май).
В октябре 1985 г. криопэги с минерализацией 12-14 г/л и температурой минус 0,9С были пройдены в интервале 2,2-4,5 м. Температура подстилающих их многолетнемерзлых пород была минус 1,0-1,1 С. В процессе промерзания пород глубина залегания криопэгов увеличилась до 3,5 м. Летом 1986 г. протаивание пород, перекрывающих криопэги.произошло не полностью, в интервале глубин 3-3,5 м сохранялся перелеток. Его наличие повлияло на- последующее более интенсивное продвижение фронта холода вглубь и охлаждение пород по всему разрезу.
Судя по геотермическим данным, подтвержденным зондировочным бурением, к концу первого периода криогенное оттеснение высокоминерализованного раствора произошло до глубины 5 м (второй ярус), минерализация его возросла до 18 г/л, температура понизилась до минус 1,1-1,2С (см.рис.8). Это отразилось и на температуре подстилающих многолетнемерзлых пород, которая также несколько понизилась (до минус 1,2-1,3 С). В осенний период 1988 г. надмерзлотные воды сформировавшиеся в интервале 2-3,5 м при протаивании пород имели минерализацию 6-9 г/л.
В последующие относительно теплые годы (1989-1993 гг.) промерзание пород происходило до глубины 2-3 м. При протаивании сильно засоленных пород вновь сформировавшиеся линзы криопэгов в интервале глубин 2-4,5 м имели более высокую минерализацию (17-18 г/л) по сравнению с ранее существовавшими на этой глубине. Температура вмещающих их пород в 1989-1990 гг. несколько снизилась, вероятно, вследствие выделения скрытой теплоты плавления при их оттаивании. Во все последующие годы отрицательная температура в интервале залегания криопэгов оставалась практически без изменений: минус 0,9-Г,2С, а на кровле подстилающих их пород была минус 1,3 С.
В 1993-1997 гг. понижение среднегодовых температур воздуха и уменьшение высоты снежного покрова (особенно в первую половину зимы) вызвало увеличение глубины сезонного промерзания до 3-3,5 м, глубжележащие криопэги с минерализацией 17-18 г/л сохранились. За летний период промерзшие породы протаяли полностью. Из-за экранирующей роли криопэгов температура подстилающих мерзлых пород не изменялась.
В 1998-1999 годы снеговой покров мощностью 35-38 см предохранил породы от глубокого промерзания. В результате глубина, до которой отмечалась температура ниже минус 1,0С, не превышала 2 м, минерализация криопэгов при максимальном промерзании пород была 16-18 г/л. Протаивание пород завершалось в конце июня.
Для оценки динамики температуры техногеннозасоленных грунтов под влиянием краткосрочных климатических колебаний было проведено сопоставление данных режимных наблюдений с материалами математического моделирования температурных полей засоленных грунтов. Поскольку в Институте мерзлотоведения имеется отработанный пакет программ для моделирования температурных полей (одномерная задача Стефана), было решено им и воспользоваться. Расчеты провел к.т.н. А.С.Тетельбаум.
По результатам моделирования были построены графики изменения температуры грунтов и траектории фронтов промерзания-оттаивания в многолетнем цикле.
В целом, совместное использование математического моделирования и натурных исследований температурного поля пород помогло воспроизвести более полную картину динамики криопэгов, позволило проследить продвижение фронтов промерзания-оттаивания в годовом и многолетнем циклах, установить основные особенности межгодовой изменчивости температурного режима грунтов, обусловленных колебаниями естественных климатических параметров, выявить формирование маломощных слоев талого засоленного грунта в отдельные теплые годы и перелетков мерзлых пород в холодные.
При прогнозе динамики температурного режима грунтов с помощью математического моделирования необходимо иметь ввиду, что при обнаружении условий, благоприятных для сохранения перелетков в течение нескольких лет, возможно оттеснение высокоминерализованных грунтовых вод в более глубокие слои и формирование в них второго горизонта криопэга.
Динамика геокриологической обстановки на участке прокладки трубопровода
Трансформация мерзлотно-гидрогеологических и геохимических условий геологической среды, связанная с формированием криопэгов, приводит к деформациям и досрочному разрушению инженерных сооружений, твердых покрытий улиц, автодорог. Визуально эти негативные проявления техногенных криогенных процессов проявляются лишь на стадии активного их развития, когда полностью ликвидировать последствия уже трудно. Поэтому при выборе площадей для строительства актуальным является прогноз возможных изменений мерзлотно-гидрогеохимических условий в процессе эксплуатации сооружений, а также разработка мероприятий по предотвращению антропогенного засоления грунтов. Решение этих задач основано на знании закономерностей динамики мерзлотно-гидрогеологических условий в годовом цикле и характере возможных их изменений при нарушениях. Для этого необходимо получение кондиционных исходных данных, характеризующих геологическую среду не только конкретной площади, выбираемой для освоения, но и примыкающих к ней участков.
Анализ ряда материалов изыскательских работ показал, что их объем и качество за последнее время значительно ухудшились. С одной стороны это связано со стремлением удешевления работ, с другой -устаревшими требованиями в СНиПах к их проведению, а также недостаточным привлечением полевых методов исследований. К последним относятся, например, гидрогеохимические, на основании которых можно сравнительно легко и без больших материальных затрат уже при проведении работ в подготовительный период получить предварительную информацию о состоянии засоленности геологической среды участка. Это дает возможность более обоснованно спланировать проведение изыскательских работ и дополнительных исследований, необходимых для прогнозных расчетов на сложных участках, со специфическими геоморфологическими особенностями долины Туймаада, поскольку там строительство зданий и сооружений все чаще приходится проводить на площадях со значительно нарушенными инженерно-геологическими условиями.
В комплекс режимных мерзлотно-гидрогеологических исследований, проводившихся лабораторией подземных вод мерзлой зоны ИМЗ СО РАН на экспериментальных полигонах в долине Туймаада, включалась и укороченная солевая съемка с целью изучения закономерностей перераспределения и динамики засоленности грунтов по площади в разных геоморфологических и техногенно нарушенных условиях. Эти исследования показали, что степень загрязнения геологической среды конкретного участка хотя и зависит от интенсивности техногенной нагрузки, но во многом определяется специфическими для него природными факторами. Среди них весьма большую роль играют условия стока поверхностных и надмерзлотных вод, зависящие от уклона поверхности, особенностей микрорельефа и техногенных нарушений. Последние особенно важны в условиях криолитозоны, поскольку могут повлиять на изменение мерзлотной обстановки. Так, при перегораживании путей естественного движения надмерзлотных вод мерзлотными завесами, формирующимися вследствие подъема верхней границы многолетнемерзлых пород под насыпями дорог или другими сооружениями, появляются участки с повышенной обводненностью пород. Процессы испарение и криогенного концентрирования растворенных веществ, привносимых поверхностными и надмерзлотными водами в таких условиях, приводят к формированию высокой засоленности поверхностных вод и поровых растворов пород, которая может быть сопоставима с поступлением в сезонноталый слой загрязненных стоков вредного производства (Анисимова, 1981).
При незначительных уклонах поверхности, поступающие загрязненные стоки инфильтрируются в сезонноталые слои и скапливаются в замкнутых понижениях. На площадях сноса застроек частного сектора, животноводческих комплексов, различного рода выемок, заброшенных производств сохраняются локальные участки с сильно засоленными водоносными или льдистыми грунтами. Сведения о местонахождении таких небольших техногенно нарушенных участках на исследуемых площадях, как правило, отсутствуют. Поэтому детальное опробование их при изысканиях обычно не предусматривается, хотя именно они могут оказаться весьма опасными, со значительными отклонениями от общего фона мерзлотно-гидрогеохимическими условиями. Применение предложенного нами полевого экпресс-метода гидрогеохимического опробования показал пригодность его для предварительной характеристики засоленности пород по площади с выделением мест накопления солей, а следовательно и возможного формирования криопэгов в разрезе многолетнемерзлых аллювиальных отложений (Анисимова, Павлова, 2000).
