Парадоксы Арктики: незамерзающая вода в мерзлоте

Вода – основа жизни на нашей планете. Это все мы усвоили ещё в школе. Вода – самое распространённое на Земле химическое соединение. Около 95% её приходится на моря и океаны, менее 2% существует в виде льдов и снега Арктики, Антарктики и высокогорных ледников, примерно столько же составляют грунтовые воды, несколько меньше воды находится в реках и озёрах и лишь совсем небольшая часть – это водяные пары в атмосфере (облака, тучи и туманы). Но очень редко люди вспоминают о том, что ещё некоторая часть воды (в основном, в виде льда) присутствует в вечной мерзлоте. Да, количество её несущественно, по сравнению с водой в форме ледников, однако вполне сопоставимо с общим количеством воды в реках и озёрах нашей планеты.

Что ещё мы хорошо помним о воде из школьного курса, так это то, что пресная вода переходит в лёд при 0^оС. А если в воде растворить какие-нибудь соли, то замерзать она будет уже в спектре отрицательных температур. И чем выше минерализация этого раствора, тем ниже будет его температура замерзания. Поэтому логично предположить, что в мерзлоте, характеризующейся отрицательной температурой, не вся вода будет находиться в виде ледяных кристаллов. И это действительно так. В ней всегда существует незамёрзшая вода. Только увидеть эту незамёрзшую воду невооружённым глазом можно далеко не всегда, потому что она существует не только на макро-, но и на микроуровне.

Температура замерзания воды в природных условиях зависит от соотношения и количества растворённых в ней веществ. Замерзание морской воды с солёностью, равной средней солёности Мирового океана (35‰), происходит при температуре около −1,8°C. Морская вода солёностью 10‰ замерзает при температуре 0,5°C, а солёностью 40‰ уже при температуре –2,2°C.

Большие объёмы незамерзающей воды в мёрзлых толщах обычно приурочены к водонасыщенным грунтовым линзам и прослоям и имеют общее название – криопэги. И хотя существуют они столько же, сколько и вся мерзлота, специальное их исследование началось относительно недавно, в середине XX века; тогда же появился и термин «криопэги». В ту пору среди геокриологов (называвшихся в те времена мерзлотоведами) шла бурная дискуссия по вопросам терминологических определений всего, что связано с вечной мерзлотой. Именно в этот период в научный обиход вошли определения «многолетне- и сезонномёрзлых» горных пород, как содержащих лёд. Породы же, не содержащие воды и льда, но имеющие отрицательную температуру, стали называть «морозными». А горные породы с температурой ниже 0°С, насыщенные незамёрзшими солёными водами и рассолами, получили название «охлаждённых». Но вот такие названия, как «мокроморозные породы» или «жидкая мерзлота», не прижились и оказались за бортом научной терминологии. Хотя по мнению некоторых учёных, например, Владимира Романовича Алексеева, доктора географических наук, профессора, работающего в Институте мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН, термин «жидкая мерзлота» отражает самое главное – тепловое состояние вещества и его «консистенцию» -- и вполне мог бы стать российским аналогом термина «криопэги».

Криопэги – природные засолённые воды (рассолы), имеющие отрицательную температуру, но находящиеся в жидком состоянии. Чаще всего этот термин применяется к подземным природным водам, но может использовaться и в более широком смысле.

Первую развёрнутую классификацию отрицательно-температурных природных вод (криопэгов) ещё в 70-х годах прошлого века предложил выдающийся гидрогеолог и мерзлотовед Нестор Иванович Толстихин. Им были выделены три главные категории криопэгов – озёрные, морские и подземные. Каждая из этих категорий подразделялась на более дробные единицы, что в совокупности давало представление о масштабности распространения криопэгов и их разнообразии на земном шаре. В последующие годы учёные продолжили работы над классификацией криопэгов, учитывающей основные идеи Н.И. Толстихина, разделяя их по времени существования и температуре, а также по положению относительно вмещающей среды (горных пород, льдов и воды).

И здесь мы хотели бы, обращаясь к названию нашей статьи, начать говорить о парадоксах. Первым из них, и наиболее очевидным для человека, изучавшего основы физики в средней школе, является наличие солёных вод во льдах. Мы знаем, что природный лёд обычно значительно чище, чем вода, из которой он образуется, так как при кристаллизации воды в первую очередь в ажурную решётку выстраиваются молекулы воды, поэтому одиночные кристаллы льда должны быть ультрапресными, а из растаявшего льда получается самая чистая вода, лишённая примесей. Но что же происходит с механическими примесями и растворёнными в замерзающей воде солями? Они отжимаются вовне растущими кристаллами льда. Так в формирующихся массивах ледяных покровов появляются прослои воды с повышенной минерализацией вплоть до рассолов в сотни граммов на один литр – криопэги, которые иногда образуют настоящие «залежи» солёных вод среди многометровых ледяных толщ.

Морские криопэги существуют далеко за пределами границы распространения плавучих льдов (фото из открытых источников).

Ещё один парадокс – существование криопэгов в водной среде: солёные воды с температурой ниже 0^оС. Морские криопэги по общему объёму составляют значительную часть мирового океана и существуют далеко за пределами границ распространения плавучих льдов. К районам с морскими криопэгами относится практически весь Северный Ледовитый океан, северные части Тихого и Атлантического океанов и, конечно, океанические воды вокруг Антарктиды. Вероятно, более плотные солёные воды с температурой до –1,5° С стекают по материковому склону на дно Мирового океана на глубину более 3 км и распространяются далеко от места своего формирования в сторону экватора. Учёные не исключают, что именно с этими морскими криопэгами генетически связана перестройка течений в экваториальной части Тихого океана, влияющая на климат нашей планеты. Общая масса отрицательно-температурных морских вод не подсчитана, недостаточно изучены законы их существования во времени и пространстве. Тем не менее, с уверенностью можно утверждать, что океаническая «жидкая мерзлота» по объёму в несколько раз превышает свой континентальный аналог.

Подземные криопэги в толщах мёрзлых горных пород не столь грандиозны по объёму, как морские отрицательно-температурные воды, но вполне могут конкурировать с криопэгами в поверхностных морских льдах. И именно о них нам хотелось бы поговорить более подробно в связи с их широким распространением в российской Арктике.

Распространение подземных криопэгов по площади совпадает с границами криолитозоны, а происхождение связано со следующими процессами:

- проникновением морских вод в толщу прибрежных горных пород;

- растворением солей, содержащихся в составе вмещающих подземную воду горных пород;

- криогенным концентрированием (вымораживанием) веществ, растворённых в подземных водах вследствие процессов их промерзания.

Морской тип засоления грунтов распространён по всему побережью Северного Ледовитого океана, как на арктических островах, так и на территории плейстоценовых морских трансгрессий на евразийском и северно-американском континентах. Здесь криопэги формировались при насыщении осадков морскими водами. При промерзании осадков часть солей из их поровых растворов отжималась вниз по разрезу по мере движения фронта промерзания горных пород и концентрировалась там, подвергаясь в последующем неоднократным криогенным преобразованиям (метаморфизации). Глубина залегания криопэгов в соответствии с мощностью криолитозоны сегодня может достигать нескольких сотен метров. Минерализация их непостоянна как по площади, так и по глубине, и может изменяется в широких пределах. Так, на полуострове Ямал она варьируется от 5 до 150 г/л. Местоположение криопэгов также непостоянно – они могут мигрировать в толщах мёрзлых пород. А температура начала их замерзания может опускаться на несколько десятков градусов ниже 0°C. Характерной особенностью криопэгов является их способность охлаждать вмещающие горные породы в процессе просачивании в нижние горизонты и тем самым понижать общую температуру массива, увеличивая мощность криолитозоны.

По температуре криопэги в природе могут разделяться на несколько категорий, от умеренно холодных (с температурой от 0 до -2^оС) до сверх-холодных (с температурой ниже -36^оС). Криопэги не замерзают даже при низких температурах в результате высокой минерализации (до 200 - 300 г/л).

Целенаправленное изучение подземных криопэгов началось сравнительно недавно, в последние 40-50 лет. Выяснилось, что они оказывают негативное влияние на фундаменты инженерных сооружений, построенных на мерзлоте, и создают различные осложнения при разработке полезных ископаемых в арктическом регионе. Оказалось, что арктическая мерзлота изобилует солёными водами, которые могут встречаются в различных частях разреза криолитозоны: в верхнем сезоннопротаивающем слое (надмерзлотные криопэги), в нижележащей многолетнемерзлой толще (внутри- или межмерзлотные криопэги), в подмерзлотных водоносных горизонтах (подмерзлотные криопэги).

В криолитозоне различают естественные и техногенные криопэги. Естественные криопэги часто залегают ниже подошвы многолетнемёрзлых пород, но встречаются также в виде прослоев и линз внутри мерзлоты. Техногенные криопэги обычно залегают на небольших на глубинах, исчисляемых первыми десятками метров от поверхности. Их минерализация может составлять от 1 до 10 г/л.

Глубоко залегающие межмерзлотные и подмерзлотные криопэги тоже могут начать «мстить» человеку за вмешательство в жизнь вечной мерзлоты. Например, проходку карьеров, вскрывающих криопэги, невозможно осуществить без откачки солёных вод. В первоначальный период горных разработок рассолы часто сбрасывали в речную сеть, некогда славящуюся своей чистотой и ценными породами промысловых рыб, тем самым нанося невосполнимый урон природе. Позже стали строить специальные бассейны-накопители, однако из хранилища рассолов продолжались утечки сквозь плотину, а нередко случались и аварийные сбросы. Потом появилась идея закачивать дренажные рассолы в толщу вечной мерзлоты или подмерзлотные горизонты, поскольку в процессе разведочного бурения там фиксировались зоны повышенной проницаемости, которые могли служить коллекторами. Однако дренажные рассолы, закачанные в толщу горных пород, могли возвращаться обратно в горную выработку, проникая через противофильтрационную завесу, откуда их снова приходилось откачивать, а потом находить новые резервуары для захоронения, как это было, например, в Западной Якутии при разработке алмазов.

    Выход захороненных рассолов сквозь противофильтрационную завесу карьера трубки «Мир». Фото отсюда.

А вот ещё один парадокс криопэгов: несмотря на высокую минерализацию и низкую отрицательную температуру, в криопэгах, оказывается, существует жизнь! Конечно, нам сразу вспоминаются морские криопэги. Да, условия жизни в холодных водах не очень благоприятны, однако морские экосистемы Арктики и Антарктики занимают одно из ведущих мест в структуре природных комплексов земного шара. Основу жизни в морских криопэгах составляет фито- и зоопланктон. Его активность зависит от продолжительности существования ледяного покрова: зимой продуктивность затухает, весной резко увеличивается. В Арктике относительно тёплое, хотя и короткое, лето приносит оживление и изобилие. Морская вода над континентальным арктическим шельфом в это время года буквально кишит живыми существами. Они почти неразличимы человеческим глазом, но это не мешает им быть хорошей кормовой базой для рыб и птиц, китов и тюленей.

Но ещё более удивительным явлением представляется способность подземных криопэгов консервировать и длительное время сохранять жизнеспособные микроорганизмы в вечной мерзлоте! Учеными были обнаружены микробы в мёрзлых отложениях самого разного состава и происхождения, имеющих среднегодовую температуру до –18°С в Арктике и до –38°С в Антарктиде. Количество микроорганизмов в 1 г мёрзлой породы может изменяться от 100 тыс. до 100 млн., что на несколько порядков больше, чем во льду. Помимо бактерий, там могут встречаться водоросли, грибы и даже высшие растения. Примерно 20% микробных сообществ, выделенных из образцов мёрзлой породы, растут при температуре ниже –10°С, активны до –40°С, причём многие микроорганизмы выносят температуру –60°С и ниже. Видовой состав жизнеспособных существ в обособленных линзах криопэгов, а также в мёрзлых грунтах, где их сохранность при низких температурах обеспечивается во многом за счёт плёнок незамёрзшей воды, условия распределения и индикаторные свойства микроорганизмов в настоящее время активно изучают российские и зарубежные учёные. Это обусловлено тем, что сообщества микроорганизмов, адаптированных к условиям жизни в вечной мерзлоте, могут нести информацию не только о её эволюции в четвертичный период, но и пролить свет на более отдалённые эпохи, вплоть до начала возникновения жизни на Земле.

В отложениях Колымской низменности вскрыты линзы криопэгов с жизнеспособными редкими микроорганизмами, возраст которых составляет четверть миллиона лет. Справа стоит доктор геолого-минералогических наук Давид Гиличинский. Фото отсюда.

Сегодня изучением криопэгов занимаются учёные различных специальностей: геокриологи и инженеры-строители, геохимики и экологи, географы и гидрологи, биологи и почвоведы. И каждая научная дисциплина вносит свой вклад в познание этой парадоксальной «жидкой мерзлоты».

А мы, продолжая свой рассказ о незамерзающей воде, спустимся от макроуровня криопэгов на микроуровень жидкой фазы в монолитной и внешне достаточно прочной мёрзлой породе.

И здесь мы сталкиваемся с очередным парадоксом, заключающимся в том, что мёрзлая порода, имеющая температуру ниже 0^оС, кроме органо-минерального скелета и льда всегда содержит в своём составе и какое-то количество незамёрзшей воды. То есть, при достижении грунтом отрицательной температуры, не вся вода в поровом пространстве переходит в лёд – часть её остается в жидком состоянии. Это и есть так называемая незамёрзшая вода, количество которой зависит от величины отрицательной температуры и нелинейно убывает с понижением температуры. Здесь следует упомянуть известный «принцип Цытовича» о равновесном состоянии воды и льда в мёрзлых грунтах, сформулированный ещё в середине ХХ века профессором Николаем Александровичем Цытовичем, крупнейшим советским специалистом в области механики мёрзлых грунтов. Суть этого принципа состоит в том, что содержание незамёрзшей воды в конкретном мёрзлом грунте является, при фиксированной отрицательной температуре, постоянной величиной.

Количество незамёрзшей воды в грунте зависит от многих факторов и прежде всего – от состава частиц и агрегатов, которые слагают скелет породы, а также от количества растворённых в поровом растворе солей. Известно, что грунтовая вода в поровом пространстве энергетически неоднородна. Различают свободную воду, которая практически не связана со скелетом, и связанную воду, которая, в свою очередь, подразделяется на капиллярную и плёночную.

Свободная вода, которая содержится в трещиноватых скальных, крупнообломочных породах и песках, обладает обычными свойствами жидкой фазы – передвигается под действием силы тяжести, заполняет почти все крупные пустоты. Пресная свободная вода замерзает практически вся при 0^оС, однако с увеличением её минерализации температура замерзания постепенно понижается. Теоретически температура грунтовой воды может понизиться до эвтектической (например, для NaCl она будет соответствовать -21.2^оС), когда начинается выпадение солей из раствора.

Несколько сильнее связана с грунтом капиллярная вода, которая содержится в грунтах большей дисперсности (пылеватых и глинистых), передвигается и удерживается в них за счёт капиллярного натяжения и силы тяжести, начинает вымерзать в зависимости от уменьшения размеров капилляров при температурах от -1^оС до -12^оС и даже ниже. По своей природе капиллярная вода занимает промежуточное положение между свободной и связанной. Она может относиться как к той, так и к другой, в зависимости от размера (диаметра) капилляра и, соответственно, силы взаимодействия с поверхностью скелета грунта.

Расположение различных категорий поровой воды относительно поверхности грунтовой частицы: 1 – минеральная частица; 2 – прочносвязанная вода; 3 - рыхлосвязанная вода; 4 – свободная вода.

Следующая по силе взаимодействия с грунтом -- связанная вода, которая удерживается на грунтовых частицах за счёт поверхностной энергии этих частиц. Чем ближе молекула воды к частице грунта, тем сильнее она к ней притягивается за счёт водородных связей. Прочносвязанной водой являются первые несколько слоёв молекул воды на поверхности частиц или даже отдельные островки молекул. Рыхлосвязанная вода образует плёнки, которые вымерзают в спектре отрицательных температур в зависимости от их толщины.Прочносвязанная вода имеет повышенную плотность и замерзает самой последней при очень низких отрицательных температурах – около -80°С. И если в реальности такие температуры для воздуха ещё возможны, например, в Антарктиде, то столь низких значений температуры мёрзлых пород в естественной природе не существует (их можно смоделировать только в лабораторных условиях). Поэтому мы можем вполне обоснованно утверждать, что в любых мёрзлых породах в Арктике на микроуровне всегда содержится какое-то количество незамёрзшей воды!

Основные компоненты мёрзлой породы: 1 – минеральные частицы; 2 – лёд; 3 – незамёрзшая вода.

Тут справедливости ради надо сказать, что всё же основная часть воды в мёрзлых породах замерзает и присутствует в виде твёрдой фазы – льда, который является важнейшим породообразующим минералом в мёрзлой породе. Весь этот лёд принято называть подземным, независимо от особенностей его образования и характера залегания. Лёд может присутствовать в мёрзлой породе в виде текстурообразующего не различимого невооружённым глазом льда-цемента, в виде отдельных визуально различимых включений (линз и прослоек), а также в виде крупных и даже гигантских скоплений и пластов. Но в любом льду, как в ультрапресном, так и в засолённом, обязательно присутствует незамёрзшая вода либо в виде плёнок вокруг отдельных кристаллов, либо в виде локализованных в порах, пустотах и карманах скоплений воды, обычно имеющих повышенную засолённость – это своего рода «криопэги в миниатюре».

Обнажение залежей подземного пластового льда (фото из открытых источников)

Итак, мы убедились в том, что в любой мёрзлой породе всегда присутствует какое-то количество незамёрзшей воды. И если бы не её наличие в мёрзлой породе, пусть даже в виде тонких плёнок, то свойства и поведение мёрзлых пород были бы несколько иными, поскольку именно количество незамёрзшей воды влияет почти на все физические и механические свойства мёрзлых пород. Очевидно, что чем меньше становится количество незамёрзшей воды в мёрзлой породе, тем порода делается прочнее, что обычно происходит при понижении отрицательной температуры. Однако внешнее воздействие на мёрзлую породу, например, давление, может приводить к таянию льда, то есть переходу части молекул воды в более подвижное состояние, в результате чего плёнки незамёрзшей воды на поверхности минеральных частиц и кристаллов льда утолщаются. И мёрзлая порода начинает вести себя как более высокотемпературная и вязкая среда, приближаясь по своим механическим характеристикам к талой (немёрзлой) породе. При этом, если воздействие на мёрзлую породу, пусть даже весьма существенное, производится короткое время, она сопротивляется нагрузкам, как прочная скальная порода, поскольку плавление льда и сдвиг грунта по плёнкам незамёрзшей воды не успевают произойти. Но под действием длительной и возрастающей нагрузки в мёрзлых породах с течением времени начинают развиваться деформации и явление ползучести, когда порода проявляет пластические свойства и как бы течёт под нагрузкой, что может привести к потере прочности и полному её разрушению. Эти реологические свойства мёрзлых пород должны всегда учитываться при проектировании инженерных сооружений в Арктике и планировании хозяйственной деятельности на северных территориях. А основная причина всех этих проблем – уже знакомая нам незамёрзшая вода!

Мёрзлые грунты по своему агрегатному состоянию являются твёрдыми телами, однако наличие в них незамёрзшей воды и льда обусловливает проявление реологических свойств.

Реология - (от греческого "rheos" - течение) - наука об изменениях во времени напряжённо-деформированного состояния любой сплошной среды.

О незамерзающей воде в мёрзлых породах можно было бы рассказать ещё много интересного. Например, о том, что при вымерзании насыщенных солями водных плёнок на их месте образуются новые криогенные минералы. Или о том, как по неизолированным (сообщающимися друг с другом) рыхлым плёнкам незамёрзшей воды мигрируют ионы солей или микроорганизмы, и иногда на значительные расстояния от места своего проникновения в плёночную воду. А ещё – о том, как высокое содержание незамёрзшей воды «стирает» разницу в показателях для талых и мёрзлых пород при интерпретации данных геофизических исследований (акустических, электрических), в результате чего часто невозможно провести границу между талыми и мёрзлыми породами.

Но все это, и ещё много другое мы вынуждены оставить за рамками этой ознакомительной статьи. И мы будем рады, если то немногое, что нам удалось рассказать, сможет пробудить в читателях интерес к такому парадоксальному, на первый взгляд, явлению, присущему Арктике, как существование в мёрзлых породах незамерзающей воды.

Авторы: Чувилин Е.М., Соколова Н.С., Центр добычи углеводородов Сколтеха.