Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Особенности формирования температуры мерзлых пород Якутской алмазной провинции

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Особенности формирования температуры мерзлых пород Якутской алмазной провинции"

.РГ8 ■ од

_ -,! ч Российская академия наук - 1 ^ Сибирское отделение

Ордена Трудового Красного Знамени Институт мерзлотоведения

На правах рукописи

ГОТОВЦЕВ СЕМЕН ПЕТРОВИЧ

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ МЕРЗЛЫХ ПОРОД ЯКУТСКОЙ АЛМАЗОНОСНОЙ ПРОВИНЦИИ

04.00.07 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических пауте

Якутск-1993

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени Институте мерзлотоведения 00 РАН

Научный руководитель - кандидат географических наук,с.н.с.

И.В.Клиыовский

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор

Н.А.Граве

доктор геолого-минералогических наук В.К.Маршинцев

Ведущая организация - Институт Земной Коры СО РАН

Защита состоится " 20 " октября 1993 г. в 9 часов

на заседании специализированного совета по мерзлотоведению Д 003.48.01 при Институте мерзлотоведения СО РАН по адресу: 677018, г.Якутск-18, Институт мерзлотоведения СО РАН, конферени-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института мерзлотоведения 00 РАН.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу ученому секретарю Совета.

Автореферат разослан " "^¿а^1993 г.

Ученый секретарь специализированного

совета, к.т.н. О.И.Алексеева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Перспективы освоения минеральных ресурсов Сибирской платформы связаны с разработкой алмазных месторождений и поисками надежных источников углеводородного и химического сырья. Опыт освоения региона сопряжен с оценкой геокриологических условий и выявлением факторов, формирующих температурный режим многолетнемерзлых пород (ММШ.

В настоящее время на карьерах алмазодобывающей промышленности, в связи с увеличением их глубины, остро встал вопрос захоронения и утилизации дренажных вод. С экологической точки зрения разработка глубоких горизонтов возможна только при правильном решении задач гарантированно безопасного складирования рассолов (криопэгов) в глубокие горизонты, в том числе и в мерзлую толщу.

Все вышесказанное предопределило актуальность темы многолетних исследований в пределах Якутской алмазоносной провинции.

Цель и задачи работы - выявить основные особенности формирования температурного поля горных пород верхней части криолитозоны; оценить влияние природно-геологических и техногенных факторов на температуру ММП и определить подходы к районированию по одному из геотермических критериев.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

- систематизировать, обобщить и проанализировать имеющиеся данные о температуре ММП;

- определить и оценить факторы, влияпцие на температуру ММП и формирующие безградиентную зону;

- уточнить известные и вскрыть новые закономерности формирования температурного режима верхних горизонтов криолитозоны (мерзлой толщи) в границах разных морфоструктур рельефа;

- проследить динамику температурного режима ММП в процессе техногенеза и оценить его влияние на тепловое состояние горных пород.

Методика исследований и фактический материал. В ходе решения поставленных задач использовался комплекс общепринятых методик, применяемых в региональных геокриологичес -ких исследованиях (Полевые..., 1961; Методика мерзлотной съемки, 1970, 1979; Методические указания..., 1977 и др.). Содержание исследований и методики на участках определя -лись наличием горных выработок и их типом.

Одним из основных методов был геотермический, вклю -чающий как разовые, так и режимные наблюдения за температурой горных пород в скважинах (Балобаев и др., 1977). В пределах рассматриваемой площади, начиная с 1980 года, геотермические исследования проведены на 17-ти участках, расположенных в различных ландшафтно-геологических условиях.

Основные результаты, изложенные в работе, были полу -чены в ходе реализации программ геокриологических исследований лаборатории региональной геокриологии Института мерзлотоведения СО РАН по темам 3.7.1.2; 3.7.2.2; 4.2.1 и хоздоговорных работ с Чернышевской, Ботуобинской, Айхальской экспедициями ПГО "Якутскгеология", Мирнинской экспедицией ПНО "Якуталмаз" и институтом "Союзгазпроект" (г.Киев).

Научная новизна. Собран, систематизирован и обобщен имеющийся фактический материал по геотермическим условиям криолитозоны Якутской алмазоносной провинции. Выявлены особенности формирования температурного поля горных пород в пределах основных морфоструктур рельефа и определено влияние на него природных и геологических факторов. На базе материала натурных наблюдений в верхней части криолитозоны установлено наличие особой зоны непостоянных геотермичес -ких градиентов.

Впервые для Якутской алмазоносной провинции осуществлено ранжирование температуроопределяпцих факторов. Выяв -лены участки локального изменения температуры горных пород и произведено районирование изученной территории по температурным условиям.

На примере трубки Удачная дана оценка влияния фактора техногенного воздействия на динамику температурного поля горных пород участков интенсивного промышленного освоения.

Результаты проведенных исследований позволили сформулировать следующие защищаемые положения:

1. По особенностям формирования температурного поля горных пород в верхней части криогенной толщи Якутской алмазоносной провинции выделяется зона непостоянных геотер -мических градиентов, возникающая в результате сложного взаимодействия основных температуроформирующих факторов экзо-и эндогенного характера на фоне малых значений внутризем -ного теплового потока и близкозалегающих высокотеплопрово-цных пород.

2. Температурный режим мерзлой толщи формируется под непосредственным влиянием факторов, формирующих температуру поверхности Земли, среди которых ведущими являются ха -рактер поверхностного увлажнения, мощность, дисперсность и льдистость покровных суглинков.

3. По геотермическим условиям с учетом геолого-тектонического строения и средней региональной температуры горных пород в пределах осваиваемой части провинции выделяются 3 подрайона и 2 сектора.

4. В результате техногенных нарушений поверхности естественное температурное поле мерзлой толщи трансформируется неоднотипно: в верхней части бортов карьера происходит боковое охлаждение горных пород; в отвалах вмещающих пород температурное поле стратифицировано сложно; стабилизация его определяется исходными температурными параметрами; при захоронении дренажных вод в мерзлую толщу значительного повышения температуры не происходит, однако, мерзлые горные породы активно трансформируются в мокроморозные.

Практическое значение и внедрение. Полученные геотермические данные, характеризующие температурные условия про-мышленно осваиваемых территорий и трасс линейных сооруже -ний, нашли практическое применение в деятельности научно -производственных организаций и ряда экспедиций ПРО "Якутск-геология", ПНО "Якуталмаз", институтов "Союзгазпроект" и "НИИпроалмаз".

Публикации и апробация работы. Основные положения диссертации нашли отражение в 10 публикациях и доложены на

ряде научных конференций и совещаний, в том числе на: У юбилейной конференции научной молодежи ИЫЗ 00 РАН (Якутск, 1962); конференции по "Корреляции отложений, событий и процессов антропогена" (Кишинев, 1986); Всесоюзной научной конференции "Географические проблемы районов нового освоения" (Тюмень, 1966); ХП (Иркутск, 1989) и ХШ (Томск, 1991) совещаниях по подземным водам востока СССР; научно-техническом совещании "Гидрогеологические проблемы и опыт защиты горных выработок от подземных рассолов" (Мирный, 1989); совещании по охране окружающей среды (Якутск, 1991); конференции "Рациональное природопользование в криолитозоне" (Якутск,1990); расширенном заседании Научного Совета пр. криологии Земли (Москва, 1992); У (Норвегия, 1988) и У1 (Китай, 1993) международных конференциях по мерзлотоведению.

Личный вклад автора..В диссертации изложены результаты собственных исследований, проведенных с I960 по 1993 годы. Приведенные в работе рисунки, таблицы, карты и приложения составлены и выполнены самостоятельно. При использова -нии данных других исследователей сделаны ссылки на первоисточники.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложе -ний. Общий объем рукописи 169 страниц. Текстовая часть из -ложена на 124 страницах, иллюстрирована 50 рисунками и 12 таблицами. Список литературы включает 117 наименований,приложений 9.

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени Институте мерзлотоведения СО РАН под руководством заведующего отделом ойцей геокриологии, старшего научного сотрудника, кандидата географических наук Игоря Владимировича Климовско-го.

В полевых работах в разные годы принимали участие сотрудники лаборатории региональной геокриологии П.Я.Константинов, В.А.Попов, А.А.Самсонов, С.И.Сериков, В.В.Ан, Е.С. Позднякова, И.В.Поздняков, Е.В.Сыро мятников, Ю.А.1$урзин.

В организации и проведении полевых работ оказывали помощь начальник Вилюйской НИШ д.т.н. А.И.Снегирев, геологи -

чёские службы Мирнинской ГРЭ ПЮ "Якуталмаэ", Чернышевской, Ботуобинской, Айхальской экспедиций ПРО "Якутскгеология" в лице А.Т.Салопанова, В.М.Судакова, Н.Н.Абрамова, А.В.Дроздова , В.А.Павлова, В.А.Тараховского, И.К.Сарычева, С.Д.Молчанова, а также научные сотрудники института Земной Коры СО РАН В.Н.Борисов и С.В.Алексеев. Всем указанный лицам и . организациям автор приносит искреннюю благодарность, а также выражает особую признательность д.г.-м.н.В.Т.Балобаеву, д.г.н.В.Р.Алексееву, д.г.н.А.П.Горбунову, взявшим на себя труд ознакомиться с рукописью диссертации и сделавпгим ряд полезных замечаний, и Б.В.Володько, А.М.Федорову, А.С.Любо-мирову, И.В.Позднякову, давшим ряд полезных советов и предложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава I. Геолого-географические условия

Геолого-тектоническое строение. Якутская алмазоносная провинция расположена на стыках крупных структур осадочного чехла Сибирской платформы: на севере с Анабарской антияли -зой, на западе и востоке - соответственно с Тунгусской и Ви-люйской синеклизами. Центральную часть занимает Ботуобинская седловина. Вся территория рассекается сложной системой разломов разного порядка и возраста.

Наиболее древними породами являются верхнепротероэо й-скив отложения, которые распространены в пределах Оленекско-го поднятия и западного склона Анабарского массива. Широко развиты морские отложения карбонатного ряда кембрийского возраста, залегающие на небольшой глубине, и верхняя часть крио-литозоны в основном представлена ими. В разрезе кембрия преимущественное развитие получили известняки, доломиты, мергели. В незначительном количестве присутствуют аргиллиты, алевролиты, песчанихи.

Континентальные образования верхнепалеозойского и мезозойского возрастов распространены ограниченно и встречается в основном на водораздельных пространствах южной' части.

На западе широко распространены изверженные и вулконо-генные породы нижнетриасового возраста - траппы. Имеются трубки взрыва, дайки и жилы, выполненные алмазоносными кимберли-

таыи.

Геоморфология. Средне-сибирское плоскогорье в рельефе Евроазиатского материка выступает как возвышенная равнинная страна и на большей своей части является областью сноса и денудации. Абсолютные отметки в ее пределах не превышают 600 -700 м на севере и 350-400 м на юге. Геолого-тектонические особенности строения Средне-сибирского плоскогорья способствовали созданию структурно-денудационных типов рельефа, которые в большинстве своем представлены полого-волнистым и увалистым типами рельефа - сочетанием плоских широких водоразделов и пологих склонов, постепенно переходящими в распластанные долины. При прорезании крупных массивов траппов долины рек сужаются, склоны становятся крутыми, приобретая каньонообразный профиль.

Водораздельные пространства чаще имеют значительные размеры, достигая иногда первые десятки квадратных километров На участках развития карбонатных пород и отложений континен -тального ряда широким распространением пользуются водоразделы с выпуклыми очертаниями. На них часто встречаются плоские или чуть пониженные участки, освоенные маревыми ландшафтами. Для территорий, занятых породами трапповой формации, характерны более приподнятые сухие водоразделы с холмисто-увалистым типом рельефа.

Гидрогеология. Рассматриваемая территория охватывает системы Оленекского.и Тунгусского артезианских бассейнов (Гидрогеология СССР, т.XX, 1970). Значительная расчлененность рельефа поверхности платформы, неоднородность сложения пород чехла, их тектоническая нарушенность региональными и оперяющими разломами, а также сплошное распространение МШ оказали большое влияние на формирование гидрогеологических условий территории. По характеру пространственного взаимоотношения ШП и подземных вод в разных вариантах сочетаний функционируют над-, меж-, и подмерзлотные воды. Надмерзлотные воды представлены водами СТС и гцдрогенных таликов. Первые распространены практически повсеместно в толщах четвертичных отложений, изредка захватывая и коренные породы. Их питание большей частью связано с инфильтрацией атмосферных осадков и также за

счет оттаивания мерзлых льдистых отложений. В аллювиальных отложениях надиерзлотные воды формируется в слое мощностью 2-5 м, а в элювиальных прослеживаются до глубины 3-6 м. По химическому составу надмерзлотные воды весьма близки атмосферным. Межмерзлотные воды генетически тесно связаны с над -мерзлотными; они отличаются спорадическим распространением. В пределах массивов развеваемых песков, на водоразделах и междуречьях в среднем течении р.Моркоки а пространственно тяготеющих к выходам на дневнув поверхность песчаных отложений верхнепалеозойского или мезозойского возрастов, возможно существование достаточно глубокозалегагсцих межмерзлотных вод, подобных тем, какие известны в нижнем течении р.Вилюй. В последние годы в «заной части Далдыно-Алакитского района вскрыт нижнеордовикский межмерзлотный водоносный комплекс, сформированный несколькими горизонтами (Бодунов и др., 1986).

По распространению подмерзлотных вод Якутская алмазо -носная провинция входит в состав Восточно-Сибирской артезианской области и располагается в пределах границ двух криоарте-зианских бассейнов: Верхне-Вилюйского и Оленекскоро. Оба они классифицируются как платформенные. Вода, вах правило, солвпыз я имеет достаточно высокую минерализацию; она образуют 4-5 подмерзлотных водоносных горизонта (Дзюба, Борисов, 1967). В Ыало-Ботуобинском районе химический состав рассолов трех нижних горизонтов хлоридный кальциевый с минерализацией 350 -450 г/л, а верхних - хлоридный натриевый с минерализацией 110-220 г/л В Далдыно-Алакитском алмазоносном районе галогенные породы отсутствуют, поэтому чисто натриевых вод нет. В них всегда много кальция, и они обогащены микрокомпонентами, особенно бромом и стронцием. Минерализация рассолов колеблется в пределах 200-420 г/л.

Климат. Относительно западное положение территории обуславливает более мягкие климатические условия в холодные периоды года. По климатическому районированию (Спесивцева, 1980) выделяются три подрайона: южный (Приленский), центральный(Ви-люйский) и северный (Анабаро-Оленекский). Вжный подрайон характеризуется сравнительно мягким климатом, северный - более суровым, резко выраженной континентальностью; центральный по

суровости климатических условий занимает промежуточное положение. С севера на юг наблюдается постепенное повышение значений средних январских температур от -40 в северном подрайоне до -34°С - в южном. В этом же направлении происходит повышение значений средних июльских температур от -<-14 в северном до +16°С в центральном и южном подрайонах. С юга на север средняя годовая температура воадуха постепенно понижается. Если в районе г.Мирного она равна -7,1...-7,6, то в районе трубки "Удачная" -12,8...-13,1°С.

Распределение и режим осадков в целом соответствуют районам с резко-континентальным климатом - с преобладанием летних осадков над зимними. Сумма осадков за год составляет 250-400 мм. При этом количество осадков с севера на юг увеличивается. Мощность снежного покрова 50-60 см, при средней плотности 0,17-0,22 г/см3.

Криолитологическая характеристика горных пород.Крио-генное строение четвертичных отложений достаточно детально рассмотрено в работах Е.М.Катасонова (1960), Е.ГЛСатасоновой (1961, 1963), Е.Б.Белопуховой (1961), Н.С.Даниловой (1972), В.И.Спесивцева (1978), Л.П.Белякова и др. (1980), В.В.Куниц-кого (1981) и др.

Наибольшей льдистостью обладают озерно-болотные и торфяные отложения, развитые по долинам мелких ручьев и в депрессиях на водоразделах, освоенных маревыми ландшафтами. Льдистость в них изменяется от 40 до 8056 и более. Аллювиальные отложения характеризуются наибольшей пестротой состава и, как следствие, разнообразием криогенного строения. В за -висимости от фациальной принадлежности осадков,льдистость изменяется в широком диапазоне. Наибольшая льдистость присуща супесчано-суглинистым разновидностям с линэовидной криогенной текстурой (40-60%); наименьшая (10%) - пескам с массивной криотекстурой. Промежуточное положение занимают гравийно-га-лечные и гравийные отложения с содержанием льда в 20-45% (базальная, корковая и гнездовая криогенные текстуры).

Льдистость скальных пород зависит от их трещиноватос-ти и с глубиной постепенно уменьшается. Наибольшей трещинова-тостью и соответственно льдистостью обладают породы, слагаю-

щие зоны коры выветривания. В ее пределах установлено неравномерное распределение льдистости.

Сезонное промерзание и протаивание. Одним из основных факторов, влияющих на глубину сезонного протаивания, являются геоморфологические условия. Наиболее четко это прослежи -вается на склонах разных экспозиций крутизной не менее 10°. На водоразделах и в днищах долин основными факторами, влияющими на изменчивость указанного параметра, выступают: лито-генная основа протаивающего слоя, его льдистость и степень поверхностного увлажнения.

На Лено-Вилюйском междуречье на водоразделах и склонах, перекрытых супесчаными и песчаными отлохенкямн, моц -ность СТС достигает 2,0-2,5 м, роже - 3,5 м. В заболоченных и покрытых мощным моховым покровом дницах небольшое ручьев, сложенных в верхней части разреза иловатыми и суглинистыми отложениями, мощность СТС изменяется в пределах 0,8-1,2 м. На локальных участках при увеличении мощности торфа и льдистости рыхлых отложений протаивание может сокращаться до 0,30,5 м.

На ВилюЯско-Ыархинском водоразделе мощность СТС в пределах днищ долин может варьировать от 0,2-0,4 до 0,9-1,0 м. Средние значения мощности СТС на склонах южной и северной экспозиций соответственно меняются в пределах 0,5-1,8 и 0,20,8 м. На деллевых склонах южной экспозиции мощность СТС в ложбинах не превышает 0,6-0,8, а на межцеллевых участках возрастает до 0,2-1,2 м.

Глава П. История геокриологических исследований и развитие представлений о закономерностях формирования температурного режима мерзлых пород

История геокриологических исследований тесно связана с этапами становления и развития алмазодобывающей промышленности и гидроэнергетики. В первые годы была дана, характеристика условий строительства г.Мирного (Войтковский, Вотяков, 1958), проанализирована льдистость рыхлых отложений и коренных разрушенных пород (Белопухова,1961; Тютюнов,1961; Гра-вис,1961; Бродская, Вотяков,i960; Катасонов,19б1), охаракте-

ризованы геокриологические условия долиш р.Ирелях. В ходе гидрогеологических исследований установлено наличие глубоко залегающих высокоминерализованных вод (Ефимов, 1958,1959, 1964; Ломоносов, 1962; Устинова, 1964), а в вертикальном строении криолитозоны выделены две подзоны.

Значительный вклад в изучение мерзлотных условий внесла экспедиция кафедры мерзлотоведения МРУ. Эти исследования дают достаточно полное представление о геокриологических условиях центральной части Ботуобинской седловины (Кондратьева, Лазукова, 1963; Романовский, 1967; Чижов, 1967, 1969; Боголюбов, Кондратьев, 1968; Романовский и др.,1968; Смирнов, ■ 1968; Бедопухова, 1972; Фотиев и др., 1973).

Геотермическими наблюдениями была выявлена асимметрия температурного поля на противоположных склонах долины р.Вилюй, а также установлено влияние инверсии температуры воздуха на тепловое состояние горных пород (Мощанский, Цулина, 1961; Кондратьева, 1963). Материалы первых лет исследований обобщены в монографии С.М.Фотиева с соавторами (1974).

В связи с созданием Вилюйского водохранилища в 7080-х годах осуществлены режимные наблюдения за разрушением береговой зоны водохранилища (Константинов, Суходровский, 1977; Арэ, 1984, 1985; Арэ, Бурлаков, 1984; Арэ, КиренскиЯ, 1964; Константинов, 1984), а с началом эксплуатации ГЭС - налажены режимные геотермические исследования в теле плотины (Каменский, 1977; Оловин, 1979), позднее дополненные изучением тепло- и массообменных процессов в конструктивных элементах гидротехнического комплекса (Оловин, i960, 1982). В.И.Макаровым (1977-1961) были проведены работы по обоснованию оптимальных глубин заложения опор ЛЭП в различных мерзлотно-геологкческих условиях, а сотрудниками лаборатории геотермии ШЗ СО РАН сформулированы некоторые выводы по температурному полю глубоких горизонтов (Балобаев, 1971; Балобаев и др., 1973).

Таким образом, подавляющая часть результатов геокриологических, в том числе геотермических, исследований получена в процессе решения практических задач, а изученные участки в основном были сосредоточены только в осваиваемых частях райо-

на. По этой причине вся остальная часть территории Якутской I алмазоносной провинции оставалась в геокриологическом плане недостаточно изученной. Проведенные нами исследования позволили установить особенности формирования температурного поля горных пород верхней части криолитозоны в природно-территориальных комплексах на разных элементах рельефа и выявить сложный характер температуроформиругщих факторов/

г

Глава Ш. Особенности формирования температурного поля горных пород Ш.1. Основные факторы, формирующие температурное поле верхней части криолитозоны

Температура поверхности Земли формируется под общим воздействием климатических факторов и в то же время имеет прямую связь с температурой глубоких горизонтов. Данный параметр, определяющий существование ЫЫП, главным образом зависит от физико-географических условий района. Одним из основных факторов этого ранга является средняя годовая температура воздуха. Другие климатические факторы, радиационные процессы, характер циркуляции атмосферных масс и др. температурному режиму НМЛ, как правило, придают зональные признаки.

В условиях Якутской алмазоносной провинции температура поверхности Земли формируется под превалирующим влиянием геоморфологических факторов. В этом плане другие названные факторы, будучи зависимыми от геоморфологических, являются второстепенными. Значительную роль в формировании температурного режима горных пород играют увлажненность поверхности и характер напочвенного покрова. В замшелых лиственнично-еловых лесах температура на 1,0-1,5°С ниже, чем на прилегащих возвышенных более сухих частях склонов. С ней связана приуроченность низкотемпературных горных пород к пространствам, занятым маревыми ландшафтами, где существуют благоприятные условия для скопления и испарения влаги. Снежный покров, вследствие его равномерного распределения, на пространственную дифференциацию температуры существенного влияния не оказывает. С другой стороны, температурное поле горных пород формируется под воздействием внутреннего теплового потока, состава и

строения промерзающего геологического массива. Они составляют группу эндогенных факторов.

Одним из важных свойств геотермического поля, как и других физических полей, является его непрерывность, кото -рая развивается в определенной геологической среде, обладающей характерной дискретностью. В пространственном представления геотермическое поле состоит из изотермических поверх -ностей, примерно повторяющих морфологию дневной поверхности. Поэтому один из основных параметров геотермического поля -геотермический градиент - в большинстве случаев считается направленным перпендикулярно к дневной поверхности и указывает основное направление движения теплового потока.

Результаты наших геотермических исследований позволили выявить сложный характер формирования температурного поля. В частности, изотермические поверхности в зависимости от геоморфологических и ландшафтных условий, а также характера геологического строения, могут довольно резко менять направление в пространстве (глава Ш). Поэтому на разрезах изотермы образуют своеобразные "мешки", которые вцделяют либо "теплые", либо "холодные" температурные аномалии с довольно глубокими заложениями. Следовательно, поведение изотермических поверхностей температурного поля делает некорректным использование в расчетах мощности криолитозоны значение геотермического градиента температуры, полученное при замерах в одной скважине. В этом плане безградиентные температурные кривые по скважинам скорее всего, являются показателем наличия деформированного температурного поля. В естественных условиях они могут фиксироваться тогда, когда ствол скважины совпадает с основным направлением изотермической поверхности. В связи с этим, в верхней части криогенной толщи предлагается выделить особую со сложной температурной дифференциацией "зону переменных гео -термических градиентов". Мощность ее принимается равной 200250 м. Нижняя граница выделяемой зоны, с одной стороны, примерно совпадает с наиболее часто* встречаемой глубиной фиксирования подошвы безградиентной зоны, с другой - она, в какой-то степени, лимитируется уровнем залегания криопэгов. В пре -делах Сибирской платформы в зависимости от наличия воды или

льда в порах и трещинах пород обычно выделяют три яруса (Фотиев, 1978). Поэтому выделяемая нами зона в основном состоит из двух первых ярусов: многолетнемерзлых и морозных горных пород.

Ш.2. Температура горных пород в долинах рек

Температурное поле горных пород в долинах рек отличается существенной пространственной неоднородностью и в большинстве своем формируется под воздействием характера растительного покрова и литологии рыхлых отложений

Особенности формирования температурного режима горных пород в среднем течении р.Вилюй детально рассмотрены в дис -сертации А.Н.Калинина (1981). Результаты проведенных нами исследований на других участках, расположенных в разных частях Якутской алмазоносной провинции, подтверждают правомерность его выводов для всей рассматриваемой территории. Так, основными факторами, определяющими температурный режим ЫШ на склонах долин крупных рек, следует считать расчлененность рельефа, крутизну склонов, литологию поверхностных и подстилающих пород. В узких каньонообразных участках крупных рек ведущим фактором температурной дифференциации горных пород является экспонированность склона. В днищах долин мелких водотоков более низкие значения температур горных пород наблюдаются на участках с условиями, благоприятными для формирования льдистых покровных органогенных отложений и на площадях с застойным режимом поверхностных вод, начиная от мочахинных понижений до обширных марей. В Ыало-Ботуобинском алмазоносном районе долинные ландшафтные комплексы оконтуриваются изотермой -2,0...-2,5°С, а в Далдыно-Алакитском - изотермой -5,5... -6,0°С. В случаях, когда долины небольших водотоков заложены в отложениях песчаного состава, температура горных пород в их днищах может быть и выше, чем на прилегающих разноориенти-рованных склонах и водоразделах.

Ш.З. Температура горных пород водораздельных пространств

Водораздельные увалы, отличающиеся хорошей дренирован-ностью, характеризуются более высокими значениями температур горных пород, чем прилегающие долинные комплексы. В Ыало-Бо -

туобинском алмазоносной районе средняя температура горных пород на таких водоразделах изменяется от -0,6 до -2,0°С, а в Далдыно-Алакитском - от -1,4 до -3,8°С. К вогнутым частям водораздельных пространств, как правило, приурочены "холодные" аномалии, где температура горных пород примерно на 1,5-2,5°С ниже, чем на прилегающих более приподнятых участках. На водоразделах чаще фиксируются кривые с безградиентным распределением температур. В пространственном развитии температурного поля водораздельных участков ведущими темпе-ратуроформирупцими факторами становятся мощность и льдис -тость чехла рыхлых отложений. Водоразделы, представляя собой области пассивной денудации и малоактивного сноса тонкодисперсных продуктов разрушения, имеют, как правило, слой покровных суглинков значительно меньшей мощности и соответственно льдистости, чем на окружающих пониженных участках (распадки, деллевые ложбины, долины мелких ручьев и маревые депрессии). В связи с этим, повышенные значения температур горных пород под водоразделами могут быть объяснены приземными инверсиями температуры воздуха и относительно малой мощностью покрова элювиально-делювиальных суглинков, кото -рые, как известно, играют определяющую роль в формировании температуры поверхности Земли. Кроме того, в условиях Западной Якутии под водоразделами в верхней части криогенной тол>-щи установлено наличие горизонтов морозных пород (Оловин, 1983). Это обстоятельство, сказываясь на теплопроводных свойствах массива, несомненно влияет на характер прохождения теплового потока через них.

Таким образом, приуроченность повышенных значений температур к водоразделам - одна из главных особенностей формирования температурного режима горных пород провинции.

Ш.4. Температура горных пород кимберлитовых трубок и прилегающих территорий

Трубки взрыва - наиболее характерная форма проявления кимберлитового магматизма. В работе анализируются результаты геотермических исследований, проведенных на кимберлитовых трубках "Амакинская", "Таежная", "Удачная", и привлекаются данные других исследователей по геотермическим условиям киы-

берлитовых месторождений "Пир", "Юбилейное", "Сытыкэнское" (Ефимов, 1958; Девяткин, Шамшурин, 1979, 1960).

В большинстве случаев температурное поле верхней части кимберлитовых пород характеризуется более низкими значениями, чем вмещающие их породы. Разница в температурах на подошве слоя годовых колебаний может достигать 1,5 - 2,0°С. Трубки, расположенные на водоразделах или в приводораздель-ной части склонов, в сравнении с трубками, выходящими на дневную поверхность в долинах или днищах логов, имеют относительно высокие температуры. В Мало-Ботуобинском районе горные породы водораздельных трубок на 0,5-0,б°С теплее кимбердитовых тел, приуроченных к логам и распадкам. В Дал-дыно-Алакитском районе эта разница значительно больше и может составлять 2,5-3,0°С. Крайние значения температур в кимберлитах в Далдыно-Алакитском алмазоносном районе укладыва -ются в диапазоне -2,6...-7,5°С, в Мало-Ботуобинском - они изменяются всего на -2,4...-3,6°С. Приуроченность низкотемпературных аномалий к кимберлитовым трубкам связана с наличием сильнотрещиноватой и льдистой зоны в их верхней части.

Глава 1У. Пространственная изменчивость геотермических условий 1У.1. Районирование Якутской алмазоносной провинции по геотермическим условиям

Температура ШП является количественной характеристикой степени охлаздения горных пород. Она отражает особенности современного развития криогенной толщи в пространстве. Для составления региональной картины развития температурного поля горных пород, т.е. его картирования, обычно принимаются какие-либо осредненные температурные параметры.

В работе произведено геотермическое районирование осваиваемой части провинции с использованием специально введен -ного для этой цели понятия "средняя региональная температура горных пород" (СРТ). Она принималась равной среднеарифметическому значению средних температур долин и водоразделов, допуская рельеф, состоящим из их сочетания в равной пропорции. Проведенные проверочные расчеты показали, что данный параметр примерно соответствует региональной средневзвешен-

ной температуре горных пород (Балобаев, 1991) и по своей доступности может быть с успехом использован для темпера -турного районирования территорий с равномерным полого-увалистым типом рельефа.

Статистическая обработка результатов геотермических исследований по тем участкам, где было измерено значительное количество скважин с достаточно полным набором типов местности, позволила рассчитать СРТ для десяти участков (таблица I) и легла в основу выделения в пределах провинции трех подрайонов и двух секторов.

Приленский полого-увалистый подрайон с преобладанием терригенно-континентальных отложений мезозоя. Границы в целом соответствуют тектоническим границам Ангаро-Вилюйского наложенного прогиба. СРТ горных пород -1...-2°С. Мощность криолитозоны изменяется в пределах 100-400 м. По мере продвижения к югу, кроме таликовых зон под озерами и руслами рек, талики появляются и на водоразделах.

Вилюй-Мархинский эрозионно-денудационный подрайон состоит из двух секторов. Заладный_ отличается широким разви -тием изверженных пород. СРТ изменяется от -I до -3°С. Мощ -ность криолитозоны 400-800 м. Восточный сектор_ характеризуется преобладанием карбонатных пород нижнего палеозоя. СРТ изменяется от -2 до -4°С. Мощность криолитозоны составляет 400-800 м, но возможны участки с большими мощностями.

Оленекско-Мархинский эрозионно-структурный подрайон на карбонатных породах нижнего палеозоя. СРТ изменяется от -3 до -5°С. Мощность криолитозоны 800-1000 м и более. Характерным -является широкое развитие высокольдистых деллевых отло -жений.

1У.2. Морфология криолитозоны и особенности ее распространения

Подавляющая часть территории провинции входит в область сплошного распространения ЬШП. В ее пределах, как и по всему Ленскому сектору Сибирской платформы (Кондратьева, Хруцкий, 1989), начало формирования криолитозоны было связано с глобальными изменениями условий теплообмена в системе "атмосфера-литосфера" при общем похолодании климата, начав -

Таблица I

СРТ горных пород на участках проведения детальных геотермических исследований, °С

: Температура :

Участки : водоразделы : долины : СРТ

: от...до :средн:от...до :среди:

Среднеботуобинский -0,64-2,0 -1,3 -2,24-2,8 -2,5 -1,9

Верхнеиреляхский -0,7+-2,0 -1,3 -1,24-3,8 -2,5 -1,9

Билляхский -0,74-2,0 -1,3 -1,74-3,7 -2,7 -2,0

Аннях -0,84-2,3 -1,5 -2,44-2,9 -2,6 -2,1

Сюльдюкарский -1,44-1,7 -1,5 -2,14-2,3 -2,2 -1,9

Дикунах -1,24-2,4 -1,8 -4,64-5,4 -5,0 -3,4

Чиркуо -1,24-1,9 -1,5 -1,64—4,4 -3,0 -2,2

Перекатный -3,24-4,1 -3,6 -5,64-6,2 -5,9 -4,8

Марха-Алакитский -1,44-4,0 -2,7 -4,24-7,2 -5,7 -4,2

Сытыкан-Далдынский -1,84-3,8 -2,8 -3,24-7,6 -5,4 -4,2

шемся в конце неогена. Большие мощности криогенной толщи ' могли сформироваться лишь при определенных условиях, способствовавших значительному охлаждении территории района: достаточно низкие среднегодовые температуры воздуха, малая влажность и высокая теплопроводность промерзали их горных пород, сравнительно небольшая величина внутриземного теплового потока. Она включает собственно ШШ (со льдом), морозные и охлажденные ниже 0°С породы с криопэгами. Соотношение этих составляющих в вертикальном разрезе различное.

Геотермия глубоких скважин (Балобаев и др., 1981) показала, что мощность горных пород с отрицательной температурой на ВилюЙ-Ботуобинском водоразделе меняется от 600 до 800 м.

В пределах Далдыно-Алакитского алмазоносного района мощность криолитозоны колеблется в пределах 700-1000 м. Вблизи трубки "Удачная" происходит резкое изменение температурного поля, сопровождающееся увеличением мощности зоны отрицательных температур до 1000-1050 м. Севернее р.Далдын по-

ложение нижней границы мерзлой толщи оценено по осредленным данным ВЭЗ по региональным профилям пос.Удачный - р.Молодо и Оленек - г.Жиганск (Якупов и др.,1984; Калинин, Якупов, 1989). По этим профилям мощность криолитозоны испытывает резкие колебания (600-1500 м) с амплитудой до нескольких сотен метров.

Глава У. Температурное поле мерзлой толщи и его динамика на участках горнопромышленного освоения

УЛ. Температурное поле горных пород в зоне деятельности Удачнинского ГОКа

На основании данных геотермических наблюдений в разведочных, поисковых и гидрогеологических скважинах, более или менее равномерно рассредоточенных на Сытыкан-Далдынском междуречье, составлена карта температурного поля зоны деятельности Удачнинского ГОКа в масштабе 1:50 ООО. Общий анализ карты показывает, что днища долин ручьев и распадки, как правило, оконтуриваются изотермой -5,0...-6,0°С. На склонах северной экспозиции изотерма -5,0°С поднимается до отметок 350-375 м, а гипсогеотермический градиент составляет 1,5 -2,0°С на 100 м подъема. В естественных условиях с разными поверхностными условиями этот показатель может быть и больше, например, на участках переходов склонов к террасовым уровням, а также в увлажненных относительно густо залесенных ложбинах временных водотоков и распадках. На карте это выражается в виде сгущенных изотер«.

Статистическая обработка результатов температурных наблюдений показывает, что наиболее часто встречаемые значения температур горных пород на водоразделах располагаются в диапазоне -2...-3°С. Более широким диапазоном значений температур характеризуются склоновые типы местности. Температурный режим горных пород на склонах зависит от экспонированности и крутизны. Характер рисунка изотерм, примерно повторяющих линии изогипс, позволяет говорить о ведущей роли геоморфологических факторов в пространственном развитии температурного поля.

У .2. Изменение температуры горных пород на техногенных объектах

По результатам геотермических наблюдений в скважинах, расположенных на разных уровнях карьера, установлено, что в верхней прибортовой части карьера происходит понижение температуры горных пород за счет бокового охлаждения. Интенсивность охлаждения составляет примерно 0,2°С в год и с глубиной постепенно уменьшается. В горизонтах, лежащих ниже регионального уровня высокоминералиэованных вод, подобное охлаждение не наблюдается; чаще, наоборот, отмечается тенденция некоторого повышения температур горных пород. Предположи -тельно такое явление можно связать с процессами инфильтрации атмосферных осадков по забою карьера с привносом дополнительного тепла и осушительными мероприятиями.

Формирование температурного режима отвалов вмещающих пород. Крупные отвалы, занимающие обширные площади, должны рассматриваться как искусственно созданные мезоформы рельефа. Рост отвалов как в вертикальном, так и во фронтальном направлениях, идет весьма неравномерно.

Режимными геотермическими наблюдениями в скважинах, пробуренных в отвалах вмещающих пород, выявлено наличие стратифицированного температурного поля, в котором высокотемпературные горизонты перемежаются с более низкотемпера -турными. В настоящее время внутри отвалов идут термодинамические процессы, направленные на стабилизацию температурного поля. При этом, темпы стабилизации температур горных пород в них по глубине неравномерны и в зависимости от первона -чальной температуры могут изменяться в пределах +0,45... -0,2°С.

Влияние закачки дренажных вод на температуру мерзлой толщи при их подземном захоронении. В 1986 году для захоронения дренажных вод карьера трубки "Удачная" была оборудована специальная система "Накопитель" в привершинной части водораздела. К началу эксплуатации системы захоронения температура горных пород на глубине 40 м была в пределах ^-2,0... -4,5°С. Повышенные значения ее отмечались лишь в наиболее приподнятой части. На склонах северной и северо-восточной

экспозиций температура пород составляла -3,0...-5,0°С. Сравнение результатов температурных замеров в ряде контрольных скважин, т.е. в скважинах, не задействованных в сбросе рассолов, показало, что за первые два года наблюдается понижение температуры горных пород, степень охлаждения по площади весьма неоднородна: от-0,2 до -2,2°С. В среднем температура понизилась на -1,2°С. При этом в рассолопоглощаю-щих горизонтах происходят сезонные колебания температур, по степени изменения которых можно не только установить поло -жение горизонтов, но и определить направление миграции рассолов в плане и разрезе. В целом, результаты шестилетних режимных наблюдений за температурным режимом в системе захоронения подтверждают принципиальную возможность использования отдельных массивов мерзлой толщи в качестве временных подземных рассолохранилищ.

Основные выводы

Обобщение результатов многолетних исследований в пределах Якутской алмазоносной провинции с привлечением фондового и оцубликованного материала позволили проследить закономерности формирования температур горных пород верхней части крио-литозоны региона. Выделены основные факторы, определяющие ее температурный режим. Результаты, полученные в процессе ис -следований по данной проблеме, позволили сформулировать следующие выводы:

1. В верхней части криолитозоны по особенностям формирования температурного режима отмечается наличие особой геотермической зоны переменных градиентов. В ее пределах темпера -турное поле формируется под влиянием сложного взаимодействия геолого-географических факторов, таких как лацдшафтно-бота-нические условия, мощность чехла рыхлых отложений, состав горных пород, их тектоническая и криогенная раздробленность, определяющие характер распределения льдистости мерзлых пород в массиве.

2. Понижение тешературы горных пород от водоразделов к долинам обусловлено, во-первых, меньшей мощностью элювиаль -но-делювиал"БЯш^одораздёлов, представляющих собой области интенсивной денудации и сноса продуктов разрушения. Во-вто -

рых, в пределах водоразделов толща ЫМП под влиянием структурно-тектонических и криолитологических факторов имеет воздухо- и водопроводящие горизонты, поэтому менее монолитна.

3. Формирование температурного режима горных пород в днищах долин происходит под превалирующим влиянием характера растительного и напочвенного покровов. При этом наиболее низкие значения температур фиксируются в пониженных участ -ках с условиями, благоприятными для формирования льдистых органогенных отложений. В пространственном развитии темпе -ратурного поля они, как правило, выступают наиболее охлажденными участками.

•4. Кимберлитовые трубки представляют собой участки, деформирующие пространственное развитие температурного поля. В большинстве случаев температурное поле кимберлитовых трубок характеризуется более низкими значениями, чем вме -щающие их породы. Эта разница может достигать 1,5-2,0°С. Одним из ведущих факторов, обуславливающих пониженные значения температур в пределах кимберлитовых тел, является наличие трещиноватой и льдистой зоны в их верхней части, которая может прослеживаться до глубины 30 м.

5. Анализ результатов геотермических исследований, проведенных в разных частях провинции и выявленные при этом закономерности формирования температуры горных пород позволили получить среднюю региональную температуру и привести геотермическое районирование территории Якутской алмазоносной провинции с выделением трех подрайонов и двух секторов.

6, Температурное поле горных пород на техногенных участках претерпевает значительные и неоднозначные изменения. В верхней части бортов карьера за счет бокового охлаждения идет постепенное понижение температуры. В отвалах отмечается наличие сложностратифицированного температурного поля, показывающего условия их накопления. В настоящее время в них происходит медленная стабилизация температурного поля. На участках захоронения высокоминерализованных дренажных вод в мерзлую толщу изменения температур в масси-

ве горных пород определяются объемом и температурой сбрасываемых вод. Сезонные амплитуды температурных колебаний позволяют выявить не только наличие и положение рассолопогло-щапцих горизонтов, но и направление миграции рассолов.

7. В целях улучшения общей экологической обстановки в бассейне р.Вилюй в условиях предпологаемого дополнительного промышленного освоения месторождений нефти и газа, добычи и переработки цеолитов возникает необходимость организации мерзлотно-экологического мониторинга. Основу его могут составить объекты карьерного поля Удачнинского ГОКа, на которых службами ПНО "Якуталмаз" с привлечением научных коллективов начинают организовываться режимные гидрогеологические, гидрохимические, геотермические и другие наблюдения.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Исследование льдистости скальных пород Сибирской платформы // Региональные геокриологические исследования в Восточной Азии. - Якутск, 1983. - С. 66-72.

2. О природе аномалий температуры мерзлых толщ в Западной Якутии // Региональные геокриологические исследования в Восточной Азии. - Якутск, 1983. - С.54-65 (соавтор И.В.Климовский).

3. Особенности температурного режима горных пород водоразделов среднего течения р.Вилюя // Криогенные процессы и явления в Сибири. - Якутск, 1984. - С.83-90 (соавтор И.В. Климовский).

4. Связь чувствительности мерзлотных ландшафтов с расчлененностью рельефа // Вопросы геокриологического картирования. - Якутск, 1986. - С.113-121 (соавторы И.В.Климов-ский, П.Я.Константинов).

5. Особенности гидрогеологического строения и гидрохимической зональности кимберлитовой трубки "Удачная // Комплексные мерзлотно-гидрогеояогические исследования. -Якутск, 1989. - С.146-155 (соавторы А.В.Дроздов, К.Н.Егоров, И.В.Климовский).

6. Прогноз эволюции многолетней мерзлоты при подземном захоронении высокоминерализованных вод // Рациональное

природопользование в криолитозоне. - М.: Наука, 1991. -С. 63-71 (соавторы И.В.Климовский, В.А.Михайлов, П.Л.Пермяков) .

7. Влияние закачки дренажных вод на температуру мерзлых пород // Формирование подземных вод криолитозоны. -Якутск, 1992. - С.93-108 (соавтор И.В.Климовский).

8. Особенности миграции рассолов в криолитозоне при подземном захоронении // Формирование подземных вод криолитозоны. -Якутск, 1992. - С. 31-48 (соавтор А.В.Дроздов).

9. Температура горных пород техногенных ландшафтов месторождения трубки "Удачная" // Закономерности развития мерзлотных ландшафтов. - Якутск, 1993. - С. (соавтор . И.В.Климовский).

10. "Ыпатёст у г а£ргс-тагу (¿вйре) сЦатамсС сйероз^ ¿7 -Папа? ааг/Ь*. оп регта/га&, боуслу, &93, /к (соаР-лну» МЛ К*имо&жн*).