Особенности гидрогеохимических процессов при промерзании земной коры.

Промерзание и охлаждение горных пород, содержащих подземные воды, приводит к изменению минерализации и хи­мического состава последних. Кристаллизация льда из грави­тационных подземных вод в зависимости от степени их мине­рализации и химического состава происходит в широком диа­пазоне температур от 0 до —55°.

Замерзание природных вод сопровождается криогенной метаморфизацией химического состава. При этом в процессе кристаллизации воды часть солей выпадает в осадок и включается в лед в виде твердых примесей, дру­гая — входит в его состав в истинно растворенной форме, третья — отжимается растущими кристаллами льда в нижеле­жащие слои, где происходит криогенное концентрирование при­родного раствора.

Подземные конжеляционные льды всегда имеют меньшую минерализацию, чем исходные подземные воды. В процессе таяния Подземных льдов при оттаивании мерзлых пород только часть солей, выпавших при промерзании в осадок, переходит в раствор. Следствием этих процессов является криогенное опреснение подземных вод. Протаивание подземных льдов, претер­певших криогенную метаморфизацию, в закрытых гидрогеоло­гических структурах приводит к образованию ниже подошвы деградирующей снизу мерзлой толщи вертикальной зоны оп­реснения, ниже которой фиксируется зона концентрирования.

Различия в минерализации и составе пресных и соленых вод предопределяют особенности их криогенной метаморфизации при понижении температуры ниже 0°.

Криогенный метаморфизм пресных вод. Пресные подзем­ные воды с минерализацией менее 1 г/л имеют преимуществен­но гидрокарбонатный кальциевый или кальциево-магниевый состав и формируются в зоне свободного водообмена. Крио­генный метаморфизм пресных вод протекает в узком интервале температур от 0 до —0, 2° С. Сохраняться в жидком состоянии они могут только в условиях значительного гидростатического давления. Выпадение в осадок СаС0₃ при промерзании пресных вод обусловливает кальцитизацию мерзлых пород. Состав напорных подмерзлотных вод в за­крытых вследствие глубокого сплошного промерзания гидро­геологических структурах зависит от динамики мерзлых толщ.

1) с температуры начала замерзания —1, 7—1, 8°С и ниже в лед переходит только часть воды, в то время как другая часть остается в виде раствора, концентрация солей в котором повышается по мере понижения температуры;

2) кристаллизация и выпадение в осадок различных видов солей начинаются при определенных температурах и происхо­дят в определенных диапазонах температур. Это позволяет вы­делить стадии криогенного метаморфизма вод морского состава на этапе их криогенной концентрации

3) определенным температурам соответствуют достаточно постоянные величины минерализации и состав раствора, под­вергшегося криогенной концентрации.

При увеличении мощности ММП в подземных водах пре­обладает процесс криогенной концентрации, что ведет к уве­личению минерализации вод и преобладанию в них катионов Na+ и Mg²⁺. В случае уменьшения мощности мерзлых толщ при их оттаивании снизу преобладает процесс криогенного опреснения, а в их составе — Na+.

Криогенный метаморфизм соленых вод. Соленые подзем­ные воды и рассолы, минерализация которых изменяется от 10 до 300 г/л и более, имеют преимущественно хлоридный натри­евый или кальциевый состав и формируются в недрах артези­анских бассейнов в пределах гидродинамических зон затруднен­ного и крайне затрудненного водообмена. Криогенный метаморфизм соленых вод протекает в широком диапазоне температур примерно от —1 до 36—55° С. Температуры начала замерзания вод и их криогенной метамор­физации определяются в первую очередь исходной минерали­зацией подземных вод. Криогенная метаморфизация соленых вод, состав которых обусловлен выщелачиванием галита, происходит в две стадии и протекает в интервале температур от 0 до —36° без изме­нения химического состава раствора. Первая стадия происходит в интервале температур от 0 до —22, 6°. При этом происходит процесс льдообразования и последователь­ной криогенной концентрации раствора до 175 г/л. Для второй стадии, находящейся в диапазоне температур от —22, 6 до —36°, характерно выпадение в осадок гидрогалита (NaCl * 2Н₂0) и уменьшение концентрации раствора до 30—35 г/л.

Обобщения данных по соленым подземным водам и рас­солам криолитозоны как современным, так и древним показывают, что большая их часть имеет изначально морской генезис, но находится на различной стадии криогенной мета­морфизации, что в целом подтверждает применимость изло­женного выше подхода к проблеме криогенного метаморфизма подземных вод.

Криогенный метаморфизм солоноватых вод. С олоноватые воды с минерализацией от 1 до 10 г/л обладают обычно весьма пестрым составом. В связи с этим их охлаждение и промерзание будет приводить к обра­зованию весьма разнообразных по составу солей и остаточных рассолов.