Температура горных пород и особенности распространения криолитозоны Эльконского горста

УДК 55.551.4

М. Н. Железняк, С. И. Сериков, В. И. Жижин, Е. А. Осипов

ТЕМПЕРАТУРА ГОРНЫХ ПОРОД И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ КРИОЛИТОЗОНЫ ЭЛЬКОНСКОГО ГОРСТА

На основании температурных исследований в инженерно-геологических скважинах дана характеристика температуры пород в слое годовых теплооборотов для различных геоморфологических условий. Установлены особенности и характер распространения многолетнемерзлых пород Эльконского горста.

Ключевые слова: Многолетнемерзлые породы, элювий, курумы, геокриология, экспозиция, рельеф, температура, метаморфизм, водораздел, криолитозона.

M. N. Zheleznyak, S. I. Serikov, V. I. Zhizhin, E. A. Osipov

Temperature characteristics of rocks and permafrost expansion of the Elkon horst

On the basis of temperature studies in geotechnical boreholes it is given the characteristic of the temperature of rocks in the layer of annual heat exchange for different geomorphic conditions. The specific features and character of permafrost expansion in the Elkon horst are described.

Key words: permafrost, eluvium, rock glacier, geocryology, exposure, topography, temperature, metamorphism, drainage-basin divide, permafrost.

Южная Якутия по высокой концентрации природных ресурсов и их экономической значимости принадлежит к числу важнейших регионов России. Одним из уникальных районов Южной Якутии является Эльконский горст, расположенный в

северной части Алданского щита. Именно здесь сосредоточены уникальные запасы урана, золота, и в силу этих обстоятельств данная территория представляет значительный интерес для освоения и научных исследований [1].

В геологическом строении Эльконский горст представляет совокупность блоковых неотектони-ческих поднятий, сложенных архейскими, раннепротерозойскими и мезозойскими метаморфическими и магматическими телами. С поверхности кристаллические породы перекрыты чехлом четвертичных, в

ЖЕЛЕЗНЯК Михаил Николаевич - д.г.-м.н., с.н.с., и. о. директора Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова Сибирского отделения Российской академии наук.

E-mail: fe1956@mail.ru

СЕРИКОВ Сергей Иванович - н.с. Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова Сибирского отделения Российской академии наук.

E-mail: Grampus@mail.ru

ЖИЖИН Владимир Иванович - д.г.-м.н., профессор, г. н. с. Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова Сибирского отделения Российской академии наук СевероВосточного федерального университета.

E-mail: viz956@rambler.ru

ОСИПОВ Евгений Александрович - вед. инженер Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова Сибирского отделения Российской академии наук.

основном, элювиально-делювиальных, делювиально-пролювиальных и аллювиальных отложений, мощность которых изменяется от 1,0 до 30 м.

В орографическом отношении территория расположена в среднегорье с максимальными высотами водоразделов 1200 - 1449 м (гора Курунг) и минимальными отметками в днище речных долин

- 540 - 660 м. Относительные превышения водоразделов над днищами речных долин составляют от 400 до 900 метров. Водоразделы, начиная с высот более 800 м, практически лишены растительности. Выше абсолютных отметок 1000 м, расположена типично гольцовая область со сплошными каменными развалами и курумами. Горные массивы образуют гребневидные перевалы. В привершинных участках отдельные склоны имеют крутизну до 60о-70о, в подножии гор постепенно сменяются более пологими 5о - 20о (рис. 1).

Особенностью природных условий рассматриваемого региона является наличие многолетнемерзлых пород (ММП), имеющих прерыистый характер распространения. Лед, в горных породах придает им своеобразные физические свойства в зависимости от температуры, давления и других факторов. Поэтому оценка геокриологических условий и прогноз возможного их развития являются важными компонентами в оценке безопасности и эффективности при проектировании, эксплуатации сооружений и охране окружающей среды.

Установление особенностей и закономерностей формирования температурного режима горных пород и выявление роли факторов, определяющих эти закономерности, имеет большое значение

при оценке инженерно-геологических условий территории. Температура пород на глубине годовых теплооборотов определяется исключительно условиями и интенсивностью внешнего тепло- и влагообмена на поверхности земли и свойствами почвогрунтов [3].

Основными факторами, оказывающими влияние на формирование температурного режима горных пород в пределах рассматриваемой территории, являются: рельеф, под воздействием которого формируется микроклимат, снежный и растительный покровы, экспозиция склонов, состав пород, инфильтрация дождевых осадков и др. Эти факторы определяют закономерности распространения мерзлых и многолетнемерзлых пород.

Начиная с 1962 г., на территории Эльконского горста проводились различные геологоразведочные работы и инженерно-геологические изыскания, в процессе которых были получены сведения о геологическом строении, гидрогеологических и геокриологических условиях. В 2007 г., в связи с перспективой начала освоения месторождений урана и золота, были возобновлены геологоразведочные работы и инженерно-геологические изыскания.

В процессе выполнения работ по изучению мерзлотно-геотермических условий Эльконского горста и прилегающего с севера Приалданского плато сотрудниками ИМЗ СО РАН осуществлены собственные исследования и проанализированы геотермические измерения, выполненные при инженерногеологических изысканиях ЗАО «РУСБУРМАШ», ОАО «ВНИПИпромтехнологии», ОАО «КПИИ» «ВНИПИЭТ», в общей сложности в 105 скважинах глубиной от 10 до 1000 м.

На основании полученных данных установлено, что температура горных пород на подошве слоя годовых теплооборотов (далее температура пород (ТП)) Эльконского среднегорного района варьирует от +2,0 до -3,5 оС, а мощность многолетнемерзлой изменяется от первых до 330 м.

Наиболее низкие значения ТП отмечены в гольцовой части водоразделов и на крутых коллювиальных склонах северной и северо-западной экспозиций. В холодный период года эти участки подвержены господствующим ветрам западных румбов. Здесь наблюдается четкая тенденция к понижению ТП с увеличением абсолютных отметок местности. Для них характерна редкая растительность гольцового и подгольцового поясов и значительное уменьшение мощности снежного покрова, местами вплоть до его полного ветрового сноса.

В пределах склонов северных экспозиций (С, СВ, С-З) геотермические измерения были проведены в 24 скважинах. Установлено, что ТП здесь изменяется от +2,5 до - 3,5 оС. В 46 % скважин отмечены отрицательные температуры (рис. 2, 3).

На склонах С-В экспозиции в 44 % скважин отме-чены отрицательные температуры в диапазоне от -1,6 до -0,1 оС.

Для склонов С-З экспозиции соотношение мерзлых и талых пород равное, температура пород варьирует от +2,6 до 3,5 оС. (рис. 2, 3).

Распространение многолетнемерзлых толщ и изменение ТП в пределах склонов северных экспозиций подчиняется высотной поясности:

- на абсолютных отметках 950 м и более отрицательные температуры (от -3,6 до -0,1 оС) формируются

ф  о о ф

© о

ф о ф ф

е

о

о ф

Темі юра і ура. 'С'

- I Ф - 2 0-3

Рис. 2. Совокупность точек зависимости ТП на глубине годовых теплооборотов от абсолютной высоты местности на склонах северных экспозиций. 1 - склон С экспозиции; 2 - склон СЗ экспозиции; 3 - склон СВ экспозиции

Рис. 3. Изменение ТП с глубиной на склонах северных экспозиций в скважинах 6В и 9КСС

на крутых (более 25о) склонах. Талые породы с температурой от +0,4 до +1,0 оС приурочены к пологим склонам (угол уклона не более 10о).

- на абсолютных отметках от 700 до 950 м ММП имеют прерывистое распространение. ТП в талых областях изменяется от +0,1 до +2,8оС, в мерзлых - от -3,5 до -1,5 оС.

- на отметках 700 м и ниже преобладают области с положительной температурой от +0,2 оС до +2,5 оС. ММП отмечены здесь в нижних частях склонов, где их температура варьирует от -0,3 до 0,6 оС. Процентное соотношение мерзлых и талых пород составляет 9:91.

На склонах южных экспозиций измерения выполнены в 26 скважинах, из которых в 81 % отме-

чены положительные температуры, в 19 % -

отрицательные (рис. 4, 5).

В пределах склонов южной и юго-западной экспозиций во всех скважинах на глубине годовых тепло-оборотов зафиксированы положительные темпера-

туры от 0,5 до 1,8 оС. На склонах Ю-В экспозиции соотношение талые: мерзлые породы составило 69:31 % (рис. 4.5).

По особенностям распространения многолетнемерзлой толщи и ТП в пределах склонов южной

1200

1100

1000

3900

5800

700

600

О О о ж

е

ф ф

СРО0

о  ф о

>

о ф %

-3

-2 -1 т .^1 Температура. С

1

о-з

Рис. 4. Совокупность точек зависимости ТП на глубине годовых теплооборотов от абсолютной высоты местности на склонах южных экспозициях. 1 - Ю экспозиция; 2 - ЮЗ экспозиция; 3 - ЮВ экспозиция

229

81 о Температура, °С

Температура, иС -

О 5 10 -2 0 2

—---------------'-------------' '-------------------------0—-------------1—

Рис. 5. Изменение ТП с глубиной на склонах южных экспозиций в скважинах 81 и 229

Рис. 6. Совокупность точек зависимости ТП на глубине годовых теплооборотов и абсолютной высоты местности на склонах западных экспозиций. 1 - З экспозиция; 2 - С-З экспозиция; 3 - Ю-З экспозиция

Рис. 7. Совокупность точек зависимости ТП на глубине годовых теплооборотов от абсолютной высоты местности на склонах восточных экспозиций: 1 - В экспозиция; 2 - СВ экспозиция; 3 - ЮВ экспозиция

экспозиции можно выделить три гипсометрических уровня:

1) 1000-1200 м - многолетнемерзлые и талые породы находятся в соотношении 40:60. ТП в большинстве случаев изменяется от -2,2 до +0,5 оС. Участки с положительной ТП приурочены к пологим склонам;

2) 700-1000 м - ММП выработками не зафиксированы. ТП здесь изменяется от +0,4 до +2,0 оС;

3) 700 м и ниже - соотношение талые к мерзлым составляет 62:28, а ТП изменяется от -0,4 до +1,6 оС.

Для склонов западных (З, С-З, Ю-З) экспозиций измерения выполнены в 27 скважинах, из которых в 19 (70,4 %) зафиксированы положительные температуры, а в 8 (29,6 %) - отрицательные (рис. 6).

В пределах склона западной (З) экспозиции ММП имеют прерывистое распространение. ТП изменяется от -1,7 до +1,6 оС. В 33 % скважин зафиксирована отрицательная ТП.

На абсолютных отметках 1100 м и более ММП распространены на всей площади. В интервале высот от 700 до 950 м соотношение многолетнемерзлых и талых пород составило 30:70.

В пределах склонов восточной экспозиции (В) измерения проведены в 8 скважинах глубиной от 10 до 250 м. Положительные температуры от +0,2 до +0,9 оС отмечены в трех скважинах, расположенных в

средней части склона. В пяти скважинах зафиксированы отрицательные её значения от -0,8 до -0,1 оС (рис. 7, 8). Шурфами и канавами в августе 2007 и 2010 гг. ММП были вскрыты в нижней и верхней частях склона на глубинах 2,3 -2,7 и 3,0-4,0 м.

На склонах Ю-В экспозиции ММП с температурой от - 0,2 до -2,3 оС зафиксированы в 5 скважинах (31 %).

В пределах склонов С-В экспозиции геотермические измерения выполнены в 6 скважинах глубиной от 10 м до 210 м. В двух из них зафиксированы положительные температуры (+0,4; +1,7 оС), в 4 - отрицательные и нулевые (см. рис. 7, 8).

В распределении ТП и характеристике распространения многолетней мерзлоты для склонов восточных экспозиций (В, ЮВ, СВ) проявляется высотная поясность. Наиболее низкие температуры приурочены к крутым склонам с абсолютными отметками более 1000 метров. Талые участки характерны пологими склонами. Процентное соотношение многолетнемерзлых и талых пород составило 67: 33 (рис. 7, 8).

В средних частях склонов с абсолютными отметками от 700 до 950 м преобладают участки с положительной температурой пород (от 0,2 до 2,0 оС). Соотношение мерзлых и талых пород - 10:90.

Для нижних частей склонов (на высотах ниже

Рис. 8. Изменение ТП с глубиной на склонах восточной экспозиции в скважинах 299 и 70

700 м) соотношение мерзлых и талых пород составляет 50:50 %. На талых участках, температура пород изменяется от +0,1 до +2,0 оС и в области распространения многолетней мерзлоты от 0 до -1,0 оС.

В подножиях склонов нами встречены участки, на которых верхняя граница многолетнемерзлой толщи «оторвана» от поверхности на 30-40 м. Такой тип мерзлоты характеризуется как реликтовый. Так, в контрольно-стволовых скважинах (11 КСС и 8 КСС) льдистые толщи вскрыты при бурении в интервалах глубин 25-100 и 40-150 м.

В пределах речных долин Эльконского горста геотермические исследования проведены в 11 скважинах глубиной от 10 до 678 м. Породы с положительными температурами от 0,2 до 3,2 оС зафиксированы в 10 (91,7 %) скважинах (рис. 9, 10).

Под воздействием гидрогеологических условий (отепляющий эффект водотоков, высокий уровень подземных вод), больших мощностей снежного покрова (около 1 м) в долинах рек, дренирующих территорию, наблюдаются максимально высокие значения температуры пород, которые в большинстве случаев изменяются от +1,5 до +2,0 оС.

На плоских водоразделах с различными абсолютными отметками выполнены исследования в 17 скважинах глубиной от 10 до 150 м. ММП в этих скважинах не отмечены. ТП на глубине 10 м изменяется от +0,1 до +2,5 оС (рис. 11,12).

Мощный снежный покров и высокие фильтрационные свойства сильно трещиноватых горных пород плоских водоразделов благоприятствуют интенсивной инфильтрации атмосферных осадков. Это приводит к тепловому эффекту, препятствующему многолетнему промерзанию пород. Обычно для таких площадей характерны талые участки со сравнительно высокой температурой от +1,0 до +2,5 оС.

Одной из основных особенностей природных условий Южной Якутии является существенная неоднородность геокриологических условий, что в первую очередь связано с геоморфологическим строением. По данным выполненных исследований, в пределах рассматриваемой территории выделено 3 области (северная, центральная и южная), отличающиеся характером распространения, температурным режимом и мощностью многолетнемерзлых толщ.

Северная область (Приалданское плато), в связи с особенностью микроклиматических условий, широким распространением карбонатных и трещиноватых пород архейского возраста, а также отепляющим воздействием подземных вод, характеризуется островным распространением мерзлоты. ММП в этой области развиты преимущественно на низких террасах водотоков и на пологих склонах, где площадь их массивов занимает до 20-40 %.

Существование многолетней мерзлоты здесь связано с распространением заболоченных участков,

850

800

г

га 750

о

зз

700

ю

<650

600

550

ж

V!/

т

-3 -2-1 0 1 2

Температура, С

Рис. 9. Совокупность точек зависимости ТП на глубине годовых теплооборотов и абсолютной высоты местности в долинах ручьев Эльконского горста

Рис. 10. Изменение температуры пород с глубиной в долинах ручьев Эльконского горста в скважинах 187 и 5КСС

сложенных пойменными, торфяными грунтами. Кроме того, ММП имеют место в нижних частях затененных склонов северной экспозиции, где их температура не ниже -1,5 оС, а мощность ММТ не превышает 50-80 м.

Талые породы почти повсеместно распространены на Приалданском плато в пределах плоскогорного

рельефа (водоразделы, склоны теплых экспозиций), где ТП изменяется в большинстве случаев от +1,0 до +2,5 оС. Кроме того, характерным признаком отсутствия многолетней мерзлоты является большая мощность снежного покрова (0,7-0,9 м) и его сравнительно равномерное залегание на всех элементах рельефа.

1100

1000

£900

1

<5 800 700 600

ф  (її

Сі)

Щ)

^ Температура, °С

Рис. 11. Совокупность точек зависимости ТП на глубине годовых теплооборотов и абсолютной высоты местности на плоских водоразделах Эльконского горста

22Е

Температура, °С

10

2 15

ю20

25

30

35

40

45

\ —♦—29.06.2007

Рис. 12. Изменение ТП с глубиной на плоских водоразделах Эльконского горста в скважинах 161 и 22Е

В долинах крупных рек (Элькон, Курунг, Холодная) аллювиальные грунты и подстилающие их коренные породы, как непосредственно под руслом рек, так и в пределах низкой и средней пойм находятся в талом состоянии. Талики хорошо фиксируются по участкам произрастания ивы-чозении и тополя, имеют сквозной характер и простираются вдоль русловой части долины почти на всем её протяжении.

Следует отметить, что непосредственно у г. Том-мота, расположенного преимущественно на низких террасах р. Алдан, в силу значительного антропогенного воздействия на природные комплексы и в связи с современным изменением климата, ранее зафиксированные здесь маломощные высокотемпературные многолетнемерзлые толщи в настоящее время практически полностью деградировали.

Наиболее мощные мерзлые толщи расположены в пределах южной области, приуроченной к осевой части Эльконсконского горста. Г еокриологические условия здесь подчинены высотной поясности, что наиболее отчетливо прослеживается в характере распределения температуры горных пород на водоразделах и склонах. ММП имеют сплошное, редко прерывистое распространение и занимают до 90 % площади. Для района является закономерным возрастание суровости геокриологических условий с повышением отметок местности на фоне увеличения коэффициента расчлененности рельефа. Повсеместное распространение ММП (за исключением плоских водоразделов и пологих участков склонов теплых экспозиций) и устойчивое понижение температуры горных пород с высотой проявляется с отметок 950-1000 м.

Сквозные гидрогенные и гидрогеогенные талики преимущественно развиты в долинах рек и крупных ручьев, дренирующих район. Конусовидные и

островершинные водоразделы и их крутые склоны полностью проморожены.

К основным факторам формирования ММП на данной территории относятся: значительная высота (абс. отм. до 1450 м), повышенная расчлененность рельефа (относительные превышения составляют 400-600 м), высокая степень турбулентности

воздушных масс, почти повсеместное распространение подгольцовых и гольцовых ландшафтов. Эти природные факторы снижают и дифференцируют приток солнечной энергии, уменьшают отепляющее влияние инфильтрации атмосферных осадков, растительного и снежного покровов. Повышенная в условиях значительных высот и расчлененности рельефа турбулентность воздушных масс препятствует формированию устойчивого эффекта температурной инверсии в приземном слое атмосферы долин [2].

В центральной области, являющейся переходной зоной от Эльконского горста к Приалданскому плато, ММП имеют прерывистый характер распространения. Они развиты на куполообразных и конусообразных водоразделах и крутых склонах разных экспозиций. Талики прослежены на плоских водоразделах, пологих склонах и в долинах рек и ручьев.

Л и т е р а т у р а

1. Машковцев Г. А., Мигута А. К., Наумов С. С. Перспективы освоения Эльконского урановорудного района. // Разведка и охрана недр. 2007. № 6 - С.11-20.

2. Железняк М. Н., Дорофеев И. В., Сериков С. И., Осипов Е. А. Геокриологические условия Эльконского горста // Научное обеспечение реализации мегапроектов Республики Саха (Якутия). - Якутск: Компания «Дани Алмас», 2009. -С. 67-73.

3. Кудрявцев В. А., Достовалов Б. Н. Общее мерзлотоведение. - М.: Изд-во МГУ ,1967. - 340 с.