У вас вопросы?
У нас ответы:) SamZan.net

Тема эта достаточно обширна поэтому рассмотрим только принципиальную схему изменения гидродинамического р.html

Работа добавлена на сайт samzan.net: 2016-01-17

Поможем написать учебную работу

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего

от 25%

Подписываем

договор

Выберите тип работы:

Скидка 25% при заказе до 30.6.2025

11. Некоторые особенности гидродинамического режима

подмерзлотных горизонтов в артезианских структурах

Мерзлотно-гидрогеологические особенности территории зависят от истории развития криолитозоны и ее динамики. Влияние это весьма разнообразно и связано не только с процессами многолетнего промерзания-оттаивания, но и с интенсивностью новейших тектонических движений земной коры, трансгрессиями и регрессиями морского бассейна, существованием покровных оледенений на поверхности суши, режимом крупных водных артерий и пр. Тема эта достаточно обширна, поэтому рассмотрим только принципиальную схему изменения гидродинамического режима водоносного горизонта, контактирующего с мерзлой толщей, параметры которой изменяются во времени. Этот горизонт может содержать как пресные воды с положительной температурой, так и гравитационные соленые воды, замерзание которых происходит при отрицательной температуре.

В любой крупной артезианской структуре выделяются зоны питания, транзита и разгрузки. Эти зоны характерны и для подмерзлотных горизонтов, только водообмен в них весьма слабый, а скорости движения воды измеряются сантиметрами, реже метрами в год. В области сплошной криолитозоны сквозные талики, по которым осуществляется питание водоносных горизонтов, достаточно редки и приурочены они к крупным водоемам и водотокам, минимальные плановые размеры которых в 2-3 раза больше мощности мерзлой толщи. Кроме того, в условиях глубокого промерзания в геологическом разрезе сквозного талика присутствуют, как правило, выдержанные литологические водоупоры, препятствующие инфильтрации поверхностных вод. Не случайно поэтому, в платформенной части Якутии – стране озер, в подмерзлотных горизонтах существует большой дефицит пластовых давлений. По данным С.Е.Мостахова (1974) в бассейне Лены насчитывается 327,9 тыс. озер (в бассейне Вилюя – около 68 тыс.), из них только 0.7% имеют площадь зеркала более 1 кв. км.

В настоящее время в Центральной Якутии разность отметок между зеркалом большинства озер и пьезометрическим уровнем первого подмерзлотного горизонта достигает 100 и более метров, т.е. существует большой гидравлический градиент, тем не менее, величина инфильтрационного питания через дно озер составляет единицы, редко десятки миллиметров слоя воды в год. Этого количества воды недостаточно, чтобы сдержать падение пьезометрического уровня, вызываемого деградацией мерзлоты. При малых перепадах уровней между поверхностными и подземными водами, что имеет место на севере Западно-Сибирского бассейна, величина инфильтрационного питания весьма незначительна.

Разгрузка подмерзлотных водоносных горизонтов происходит на пониженных элементах рельефа; основной вид разгрузки – субаквальный. Субаэральные источники широко развиты в горной местности, где они приурочены к водоносным разломам, а на равнине они весьма редки. Выход подземных вод на поверхность будет происходить только в том случае, когда пьезометорический уровень водоносного горизонта выше отметок поверхности земли. В водоносных структурах с АНПД источников подмерзлотных вод быть не может.

Аномально низкие пластовые давления в верхних подмерзлотных горизонтах – показатель, как правило, деградационного состояния криолитозоны. А что было, когда мощность мерзлой зоны нарастала? Самое интенсивное промерзание горных пород в позднем плейстоцене происходило в сартанское время (22 – 12 тыс. л. н.) и продолжалось в начале голоцена, когда климат стал значительно мягче. Промерзание водоносных пород приводит к росту пьезометрического напора. Величина этого напора в закрытой системе, в осадочных породах, контролируется весом промерзшей толщи, поэтому может достигать десятков атмосфер (сотен метров водного столба). Факт повышения давления в подмерзлотном водоносном горизонте при его многолетнем промерзании никем не отрицается, только в оценках значений (высота напора) проявляется определенная осторожность.

Как показано в предыдущем разделе, рост уровней подземных вод надмерзлотного талика при сезонном промерзании грунтов начинается от участков разгрузки и распространяется по всему водоносному горизонту, включая участки питания. Можно принять этот талик в качестве модели артезианского склона, только в подошве водоносного горизонта залегают не мерзлые, а талые отложения с низкой проницаемостью. В природе, как известно, практически не существует выдержанных в пространстве абсолютных водоупоров среди талых пород; даже глинистые пласты при высоких градиентах напора пропускают через себя воду.

С этих позиций попробуем представить и оценить влияние многолетнего промерзания отложений южного крыла Ленно-Вилюйского артезианского бассейна второго порядка, как наиболее изученного в мерзлотно-гидрогеологическом отношении, на гидродинамический режим пород в пределах Бестяхской аккумулятивной террасы р. Лены, известной своими уникальными источниками (рис. 11.1).

Рис. 11.1. Тектоническая карта-схема участка разгрузки подземных вод

                 бестяхской террасы

1 - источники подземных вод субаэральной (а) и субаквальной (б) разгрузки;

2 - разновозрастные разломы I порядка;

3 - кайнозойские разломы II-III порядка, вскрытые (а) и предполагаемые (б);

4 - грабен-долина р.Лены (пп.2-4 по материалам С.А.Чернова, 1989);

5 - выходы карбонатных пород кембрия;

6 - терригенно-осадочные отложения юрского возраста;

7 - денудационная равнина (по М.С.Иванову, 1984);

8 - аллювий тюнгюлюнской и бестяхской террас, перекрытый

    современными отложениями различного генезиса;

9 - аллювий поймы и низких надпойменных террас.

Осадочный чехол центральной части бассейна сложен породами от раннепалеозойского до кайнозойского возраста, мощность его достигает нескольких километров. В основании залегают кембрийские карбонатные породы, которые перекрываются слабо сцементированными отложениями юры и мела. В верхней части чехла залегают песчано-глинистые отложения кайнозойского возраста мощностью от 140 до 900 м (Мерзлотно-гидрогеологические.., 1984). На рассматриваемой территории (см. рис.11.1) кембрийские породы залегают вблизи дневной поверхности. Непосредственно на них лежит аллювиальная песчаная толща Бестяхской террасы мощностью от 55 до 90 м (абс. отм. поверхности изменяются от 130 до 160 м). Формирование террасы происходило в течение среднего и первой половины позднего плейстоцена. Согласно радиоуглеродным датировкам растительных остатков верхняя часть песчаной толщи имеет возраст каргинского межледниковья (Иванов, 1984, с.62).

К Бестяхской террасе на правом берегу р.Лена примыкает локально развитая III аллювиальная терраса, также сложенная преимущественно песками. Формирование этой террасы, по мнению М.С.Иванова, происходило в конце позднего плейстоцена – начале голоцена. На всем протяжении Бестяхская терраса имеет ярко выраженный уступ высотой 30-40 м, возвышающийся над поверхностью голоценовых террас, что свидетельствует о весьма быстром падении уровня реки за достаточно короткий промежуток времени.

В современный период мощность «мерзлоты» по данным температурных замеров на рассматриваемой площади в южной части террасы не превышает 100-150 м, а подошва мерзлых толщ залегает на абсолютных глубинах от -50 до 0 м. На левом коренном берегу, вблизи Якутска, равно как и на правом, на участках развития раннеплейстоценовых террас, глубина промерзания достигает 500 и более метров, а подошва мерзлых пород отмечается на 200-300 м ниже уровня Мирового океана (Иванов, 1984; Подземные воды.., 2003).

Отличительные особенности района исследований, известные на сегодняшний день, следующие: а) в структуре бассейна выделяются несколько водоносных комплексов, включая кембрийский; б) карбонатные породы кембрия разбиты на блоки многочисленными тектоническими нарушениями, несущими следы проявления карстовых процессов; в) высокая проницаемость и водообильность пород в зонах разломов, к которым тяготеют источники надмерзлотно-межмерзлотных вод; г) высокая температура пород на глубине 400-500 м, достигающая + 40 С;  д) возраст криогенной толщи Бестяхской террасы моложе, а мощность ее меньше, чем в пределах древних аллювиальных равнин; е) аномально низкие пластовые давления в центральной части бассейна (в пределах территории г. Якутска дефицит давлений составляет 50-60 м, к северу увеличивается до 150-200 м); ж) на правом берегу Лены, на рассматриваемой территории, всего в нескольких десятках километров от города, уровень воды первого подмерзлотного горизонта устанавливается выше поверхности земли на абсолютных отметках 135-160 м (Подземные воды.., 2003, с.78).

Перед началом сартанского похолодания под руслом и поймой реки существовал, по-видимому, сквозной талик, подобный или даже больше современного;  бестяхский аллювий слагал в то время первую надпойменную террасу. В самый холодный период позднего плейстоцена интенсивное промерзание горных пород должно было происходить на участках с уже существующей сплошной мерзлой толщей. Нарастание мощности криолитозоны приводило к формированию криогенного напора и росту пьезометрического уровня подземных вод в первом подмерзлотном горизонте. Как известно, в современный период времени гидрогенные талики не способны восполнить потерю объема воды (при таянии текстурообразующего льда), которая происходит при деградации мерзлой толщи снизу. Поскольку в самое холодное время позднего плейстоцена количество сквозных таликов было значительно меньше, чем ныне, то и рост пьезометрического уровня (напора) в водоносных пластах происходил интенсивнее и достигал аномально высоких значений.

Высота напора подземных вод над поверхностью земли в центральных частях бассейна могла теоретически равняться глубине промерзания, т.е. выше нормального гидростатического на 500-600 м (рис.11.2). Современные абсолютные отметки поверхности средневысотных надпойменных террас на сотни метров ниже (130-180 м абс. в.). В начальный период интенсивного промерзания пород и роста напоров подземных вод в центральной части бассейна, на южной окраине происходил подпор потоку подземных вод, движущихся с возвышенных участков области питания (см. разд. 10). Эти воды должны были прорываться на поверхность в наиболее ослабленных зонах, через менее промороженные аллювиальные толщи, подстилаемые сильно трещиноватыми карбонатными отложениями; в региональном плане движение воды шло сверху вниз. По мере дальнейшего многолетнего промерзания водопроницаемых горных пород очаги питания практически исчезают, уровень подземных вод в пределах возвышенных участков рельефа падает, а рост пьезометрического напора в центральных частях бассейна продолжается. Такая гидродинамическая обстановка способствует движению подземных вод глубоких горизонтов в сторону противоположную падению рельефа, в направлении водоразделов. Этой особенностью гидродинамики можно объяснить появление на южной окраине рассматриваемого бассейна горизонтов со слабо солеными водами, указанных при мерзлотно-гидрогеологическом районировании территории (Иванова, Никитина, 2000).

Рис.11.2. Гидродинамическая схема южного крыла Якутского артезианского бассейна на различных этапах многолетнего промерзания водовмещающих отложений

1 – современные и позднечетвертичные отложения низких надпойменных террас и поймы; 2 – песчаные аллювиальные отложения бестяхской террасы; 3 – суглинистые аллювиально-делювиальные отложения на высоких уровнях рельефа; 4 – юрские терригенно-осадочные породы; 5 – кембрийские карбонатные породы; 6 – тектонические нарушения: а) слабопроницаемые, б) водопроводящие; 7 – подошва ММП: а) в настоящее время, б) в различные периоды интенсивного промерзания; 8 – уровни подземных вод в настоящее время: а) напорно-безнапорный уровень первого от поверхности водоносного горизонта, б) пьезометрический уровень подмерзлотных вод; 9 – уровень аномальных пластовых давлений в период максимального промерзания; 10 – современный уровень аномально низких пластовых давлений; 11 – пьезометрический уровень сартанского времени на периферии бассейна; 12 – источник; 13 – направление движения подземных вод.

Другая важная особенность гидродинамики подмерзлотных горизонтов заключается в следующем. При высоких градиентах напоров начинают фильтровать воду слабопроницаемые отложения. А в карбонатных породах проявляется так называемый эффект двойной пористости, когда вода движется не только по трещинам, но и мелким порам. Наибольшая плотность водного потока, конечно, будет наблюдаться в зонах разломов, к которым  подмерзлотная вода (и не только верхнего горизонта) движется с приграничных участков. Если бы можно было построить на тот период карту гидроизопьез, то линии равных напоров на ней должны были напоминать горизонтали рельефа в верхней части речной долины.

 Таким образом, высокие пластовые давления способствовали активизации движения подземных вод в глубоких горизонтах, направление этого движения было в сторону современных участков питания, а объем воды, выходящей на поверхность, многократно превышал суммарный дебит современных постоянно действующих наледеобразующих источников. В суровом климате сартанского периода разгрузка подземных вод могла способствовать своеобразному оледенению территории – наземному и подземному.

Охлаждение земных недр и возникающие при многолетнем промерзании высокие давления в водоносных пластах способствовали формированию в них гидратов различных газов (метан, сероводород, двуокись углерода и др.). Образование газогидратов в пределах континентов – тема достаточно новая и слабо раскрытая. Газогидраты обнаруживаются во многих буровых скважинах, пройденных на севере Западной Сибири, на глубинах от нескольких десятков до многих сотен метров, преимущественно в мерзлых породах. Возможно их существование и в талых горизонтах, давление в которых превышает 30-40 атмосфер. Каковы перспективы обнаружения газовых гидратов на рассматриваемой площади? Чтобы попытаться ответить на этот вопрос, обратимся к результатам бурения и опробования гидрогеологической скв. 34, пройденной на левом борту долины Улахан-Тарын экспедицией объединения «Якутскгеология» в1982 г. (рис.11.3).

Согласно геологического отчета, скважина вскрыла в интервале 28-86 м межмерзлотный водоносный горизонт, приуроченный к аллювиальным пескам Бестяхской террасы,  затем до глубины 420 м прошла по мерзлым карбонатным породам и в интервале 420-500 м (забой скважины) вскрыла подмерзлотные воды в трещиноватых кембрийских отложениях. Воды напорные, уровень их устанавливается на высоте 3.2 м над устьем скважины. Дебит скважины при самоизливе составлял 7.8 куб.м/сут. Подмерзлотные воды слабосолоноватые гидрокарбонатно-хлоридные натриевые с минерализацией 3-4 г/л (меняется во времени). В воде большое количество растворенного сероводорода – более 1 литра газа в куб. дм воды.

 

Рис.11.3. Самоизливающаяся скважина 34

               (Центральная Якутия, водосбор руч.Улахан-Тарын)

Самоизлив воды из скважины продолжается уже более четверти века, но наблюдается только в теплое время года, зимой скважина перемерзает в самой верхней части. В 1987 г. автором были выполнены замеры температуры по стволу скважины в восходящем потоке жидкости до глубины 320 м (см. рис.11.3). Основные результаты замеров сводятся к следующему: температура в стволе скважины с глубиной повышается, в кровле водоносного горизонта она составляет около 3.50 С, а на забое должна превышать 4.00 С; ниже 92 м поток воды движется при постоянном сечении ствола скважины, однако, термические градиенты неодинаковы в различных интервалах единого геологического разреза; наибольшее значение термического градиента – 0.80/100 м отмечается в интервале 150-200 м.

Несмотря на то, что замеры температуры проведены в потоке жидкости, хотя и слабом, они свидетельствуют о высоких температурах пород в подмерзлотном водоносном горизонте, которые не соответствуют глубине залегания выделенной при бурении подошве мерзлых толщ; по-видимому, она должна находиться значительно выше. Повышенный градиент температуры в средней части разреза может свидетельствовать о наличии здесь мерзлого горизонта. Подошва межмерзлотного талика, определенная по результатам бурения, в действительности залегает значительно ниже кровли карбонатных отложений. Здесь необходимо отметить следующий факт: в бассейне руч. Улахан-Тарын межмерзлотный талик пройден несколькими скважинами, и везде подошва талика совпадает с границей между аллювиальными песками и карбонатными отложениями, т.е. при проходке коренных пород определить границу между мерзлыми и талыми толщами  невозможно, если их водоносность слабая.

В рассматриваемой скважине интервал неводоносных карбонатных пород прослеживается до глубины 420 м, на основании чего и определена мощность криолитозоны. Как показано выше, мерзлая толща значительно меньше, а отсутствие притока воды в скважину определяется или монолитностью пород (в целом, как правило трещиноватых), или… наличием метастабильной зоны газогидратов – обстановка этому способствует.

Рассмотренные особенности динамики и режима подмерзлотных горизонтов носят во многом гипотетический характер, но они позволяют понять сложный и многообразный характер взаимодействия подземных вод и мерзлых толщ на разных этапах развития криолитозоны.

PAGE  173




1. тема курса Правоохранительные органы
2. по теме- ldquo;ВЫБОР ТРАНСПОРТНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ rdquo; Выполнил- ст.html
3. модуль 4 Налоги и налогообложение Вариант 29 Определить НДС подлежащий уплате в бюджет и заполнить нал.
4. ЛЕКЦИЯ 18 ТРАНСПОРТЕРЫ НЕЙРОМЕДИАТОРОВ глутаматный транспортер На рис
5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РЫНКА ГКО
6. Московское агентство по развитию предпринимательства Антон Филимонов руководитель юридического отдел
7. 092000 1989III Основою для формування загальнополітичних та стратегічних заходів Програми стали рекомендац
8. Увольнения по инициативе администрации
9. Педагогическая коррекция детей в начальной школе
10. Учебное пособие- Ответственность администрации, рабочих и служащих за противопожарную безопасность