Наледи подземных вод (ключевые)

Наледями подземных вод, или ключевыми, называют массивы льда, сформировавшиеся при послойном намораживании подземных вод глубинных источников, излившихся На поверхность земли или льда.

Ключевые наледи (тарыны) образуются всегда в одном месте — у выхода источников (ключей подземных вод) на поверхность. Ключи могут питаться в зоне многолетней мерзлоты подмерзлотными или межмерзлотными водами, а в районах, где многолетняя мерзлота отсутствует, — подземными глубинными источниками. Глубинные источники обычно приурочены к разломам, трещинам и дайкам в горных породах или к сквозным водовыводящим таликам. Наибольшее их количество наблюдается в верховьях горных рек, где больше тектонических нарушений.

В научной литературе к ключевым часто относят также наледи, образуемые небольшими ключами и родничками, питающимися надмерзлотными водами. Такие наледи развиваются в начале и первой половине зимы, имеют малые размеры и после истощения или промерзания водоносного слоя прекращают свое действие. По характеру развития, связи с атмосферными осадками и ограниченному периоду действия они более сходны с грунтовыми наледями, поэтому по классификации отнесены к подтипу наледей подземных вод рыхлой толщи (грунтовым).

Источники подмерзлотных вод, образующие ключевые наледи, отличаются от источников надмерзлотных вод рыхлой толщи более высокой температурой, относительно устойчивым режимом и в большинстве случаев более значительным дебитом. Создаваемые ими наледи развиваются в течение всей зимы, что является одним из основных признаков, позволяющих отличать ключевые наледи (тарыны).

Выход подземных вод может происходить непосредственно на поверхность земли или субаквально. При выходе на поверхность земли ключевые воды обычно стекают по небольшому ложу неглубоким потоком, который часто разделяется на несколько ручейков. Ручейки сначала текут извилистыми руслами среди камней, коряг и растительности. Имея малую глубину и большую поверхность охлаждения, на некотором расстоянии от источника вода замерзает. Затем слои льда наслаиваются и формируется наледное тело.

Если на пути ключевых вод встречается мощный слой аллювия, то ключевые воды уходят в аллювий и фильтруют по нему без наледеобразования до тех пор, пока не встретят место выклинивания водоупора или мерзлотную перемычку, здесь ключевые воды снова выходят на поверхность, растекаются и образуют наледь. Вблизи коренного выхода подземного источника, как правило, в ручье распространены сине-зеленые и темно-зеленые водоросли, тянущиеся плетями по течению и покрывающие дно ручья.

Характерным примером является ключевая наледь в верховьях р. Татынгычан на 171—174-м км автомобильной дороги Магадан—Усть-Нера. В верховьях долина р. Татынгычан узкая, с обеих сторон имеет крутые склоны высоких гор. Дно долины сложено небольшим слоем гравийно- галечниковых отложений с песком и валунами, под которыми залегают скальные породы. Выходы коренных пород наблюдаются во многих местах на склонах и в русле реки. Продольный уклон долины — 0,011. На этом участке реки в летнее время при сухой погоде поверхностный сток бывает незначительным. Основной сток проходит по гравийно-галечниковому аллювию. Только после дождей на реке возникает бурный поверхностный поток с размывами русла и бортов долины.

Наледь образуется ежегодно в непосредственной близости от истока реки. Питание ее происходит источником подмерзлотных вод, вытекающим из трещин коренных пород. Вода выходит у подножия крутого левого склона и открытым потоком по каменистому ложу течет в долину реки (рис. 9). На расстоянии 50—60 м от источника открытый поток полностью уходит в аллювиальные отложения дна долины и на протяжении 200—300 м фильтрует в галечно-гравийном грунте. Затем мощность аллювия резко уменьшается, и поток снова выходит на поверхность, растекается и образует наледь длиной около 3 км (рис. 10).

Рис. 9. Выход на поверхность источника подмерзлотных вод, питающего наледь р. Тытынгычан (приток р. Олы) в Магаданской области. Декабрь 1977

Рис. 10. Ключевая наледь на р. Татынгычан в Магаданской области. Декабрь 1977

Наледь заполняет всю ширину долины, ее площадь достигает 296 500 м², а объем - около 741 600 м³. На поверхности наледи ежегодно образуются наледные бугры высотой до 1,5 м и диаметром до 20 м. Образование наледи начинается в половине ноября и заканчивается в конце апреля — начале мая.

Разгрузка подмерзлотных вод чаще происходит в виде субаквальных источников в русловой части водотоков или на пойме. В горных районах Северо-Востока многолетняя мерзлота на дне речных долин по сравнению с возвышенностями имеет меньшую мощность и более высокую температуру. Поэтому в пределах дна долин условия для возникновения и существования сквозных таликов, через которые происходят питание и разгрузка подмерзлотных и межмерзлотных вод, более благоприятны. Выходы наиболее мощных источников подземных вод приурочиваются к зонам, где тектонические разломы пересекают речные долины.

Располагаясь в русловой части, субаквальные источники питают подрусловый поток и пополняют речной сток. Подземные воды смешиваются с речными и вместе с ними по мере промерзания водотока участвуют в наледном процессе. На этой стадии развития наледь питается смешанными водами. После промерзания водотока подземные воды источника прорываются на поверхность льда или земли и непосредственно формируют наледь.

Несмотря на то, что источники питания ключевых наледей имеют устойчивый дебит и эти наледи растут в течение всей зимы, процесс их формирования прерывист. Прорвавшаяся на поверхность льда вода растекается и замерзает. Наступает период, когда излияний воды не происходит. В это время вода источника заполняет внутренние полости — постепенно увеличивается гидростатический напор. Затем она снова прорывает образовавшуюся корку льда в наиболее слабом месте. Излияния воды происходят не в одном, а в разных частях наледной поляны и с разной интенсивностью.

Большая ключевая наледь ежегодно образуется в долине ручья Улахан-Тарын в Центральной Якутии, ее исследования производились Институтом мерзлотоведения СО АН СССР. Ручей Улахан-Тарын является правым притоком Лены и имеет протяженность 10 км. Наледь питается источниками, выходящими в нескольких местах у подошвы склонов долины ручья, врезанного в террасу реки Лены, сложенную песками. Суммарный осенний дебит источников, по измерениям В. М. Пигузовой, составляет 200— 250 л/с, температура воды при выходе 0,4—0,6°С. Вода источников фильтрует по песчаным отложениям поймы и питает подрусловый и речной потоки ручья Улахан-Тарын. Воды ручья, подруслового талика и сезонноталого слоя поймы связаны между собой в гидравлическую систему; движение этих вод происходит по корытообразному ложу, образованному поверхностью многолетнемерзлых пород под долиной ручья.

Механизм формирования наледи исследован Ф. Э. Арэ. Грунты в долине сильно увлажнены и заболочены, промерзание их создает водонепроницаемую корку на дне долины еще до ледостава в ручье. После ледостава напор в гидравлической системе повышается. Вода на одних участках вспучивает и взламывает тонкий лед и выходит на поверхность, на других — под действием напора ледяной покров изгибается и по оси русла появляется трещина. Затем трещины во льду возникают у берегов и по ним на поверхность льда вытекает вода, она насыщает снежный покров и замерзает. Более глубокое промерзание долины расчленяет подрусловый талик на отдельные замкнутые участки, над которыми появляются и развиваются наледные бугры высотой до 1,5 м. В феврале-марте рост наледи резко усиливается и продолжается до половины апреля, после чего прекращается и начинается постепенное стаивание наледи. На конец развития объем наледи достигает 1,6 млн. м³, площадь — 1,3 км², средняя мощность — 1,24 и максимальная — 4,58 м.

Ключевые наледи нередко бывают многолетними с огромными размерами. Примером может служить гигантская многолетняя наледь на р. Анмангынде в Магаданской области (рис. 11) . Объем ее превышает 10 млн. м³, за летний период она полностью не растаивает. Ежегодно не растаявшая за лето часть наледи (перелеток) переходит на следующий зимний сезон.

Рис. 11. Нестаявшая часть гигантской наледи на р. Анмангынде в Магаданской области. Июль 1971 г.

Бассейн р. Анмангынды расположен в сильно пересеченном Охотско-Колымском нагорье и имеет площадь водосбора выше наледи 376 км².

В верховьях река течет по узкой (300—400 м) долине, которая в районе наледи расширяется до 2—3 км. На участке наледи долина имеет трапецеидальную форму с плоским Дном шириной 1,2—2 км и пологими склонами, покрытыми лиственничным лесом на мохо-лишайниковой подстилке. Русло реки сложено мощным гравийно-галечниковым аллювием и расчленено на многочисленные рукава глубиной 0,3-0,9 и шириной 2—10 м, по которым летом происходит поверхностный сток.

Бассейн сложен осадочными породами верхнего триаса, юры и мела, нарушенных разрывной тектоникой. На участке наледи установлен крупный тектонический разлом, секущий долину поперек. На линии разлома обнаружен постоянно действующий подземный источник с дебитом в октябре 1,5—1,7 м^З/с и постоянной температурой +5°С. Источник расположен в русле реки и выходит из галечников на расстоянии 300—400 м выше верхнего края наледи. Летом его обнаружить не удается, так как воды источника смешиваются с поверхностным речным потоком.

Колымское управление гидрометеослужбы в течение ряда лет проводило стационарные наблюдения за режимом наледи на р. Анмангынде, результаты которых опубликованы в статьях Н. А. Букаева и В.М. Лебедева. Автор в разные годы и сезоны несколько раз обследовал указанную наледь. Образование ее начинается в конце сентября — начале октября и продолжается до конца апреля — половины мая. После образования на реке ледяного покрова поступающая подо льдом вода создает подпор и тонкий слой льда выпучивается, образуются наледные бугры, обычно вытянутые вдоль течения реки. На вершинах бугров появляются трещины, и из них изливается вода. После излива вода в буграх замерзает и наступает перерыв. Затем бугры возникают в других местах, мигрируя по наледной поляне. Иногда при разрыве бугра его купол растрескивается сразу в нескольких местах и поток наледеобразующей воды бывает настолько интенсивным, что захватывает песок, откладывая его ровным слоем по поверхности наледи. Эти отложения хорошо видны в наледном льду в период таяния наледи.

С увеличением мощности льда прорывы воды на поверхность происходят обычно не через бугры, а у покрытых растительностью и снегом берегов. Наледь развивается вширь и в длину, смыкается с перелетком, парит на морозе. В декабре-январе наледь заполняет все дно долины, скрывает перелеток. К концу января формируется около 80% площади наледи, а рост достигает максимальной интенсивности (2—2,5 млн. м в месяц) . Наибольшего развития наледь достигает в конце апреля — начале мая; ее площадь бывает 6,3 км², объем 10,2 млн.м³, средняя мощность 1,8, максимальная — 6,2 м, длина 7 км, средняя ширина 900 м.

Питается наледь водой подземного источника, дебит которого в течение зимы постепенно убывает: в октябре он составляет 1,5—1,7, а в начале мая - 0,16-0,70 м³/с. Высокая зимняя температура воды источника {+5°С) и большой дебит являются признаком его питания подмерзлотными или межмерзлотными водами. Но питание происходит, по-видимому, не столь глубокими горизонтами, так как отмечаются четкая пропорциональность изменения ежегодных объемов наледи от осадков предыдущего года и равномерное убывание дебита источника зимой.

В начале — середине мая, когда на реке начинается весенний сток, наледь разрушается. По основному руслу вода промывает наледный лед до грунта, образует ледяной коридор, по краям которого лед в виде карнизов нависает над потоком. Под воздействием тепла наледный лед тает, куски его отламываются от карнизов и размываются речной водой. В конце весеннего паводка русло реки отступает от массивов наледного льда, и в дальнейшем стаивание наледи происходит под воздействием солнечного тепла. В конце сентября — начале октября стаивание наледи прекращается. В средней ее части остается перелеток льда площадью от 7 до 40тыс,м² и объемом от 3 до 300 тыс. м³ льда.

Ключевые наледи распространены практически во всех областях с суровым и умеренным климатом, в том числе и там, где промерзание грунтов небольшое. Режим их развития и размеры всецело зависят от дебита питающего источника и продолжительности морозного периода, в течение которого происходит намораживание выходящей на поверхность воды.

Площади ключевых наледей обычно бывают от нескольких квадратных метров до 1—3 км², а мощность до 3—4 м. Но у отдельных наледей площадь достигает десятков квадратных километров, а мощность 7—8 м. Наибольшие их размеры наблюдаются в местах с мощной толщей многолетнемерзлых пород — в горных районах Якутии и Магаданской области. Огромными наледями изобилуют районы верховий Колымы, Индигирки и Яны.

Расположенная у подножия восточного склона хребта Тас-Хаяхтах, Кыра—Нехтарскзя наледь имеет площадь 26 км², мощность — до 6 м, а суммарный объем к концу зимы — 39 млн.м³. Впервые эта наледь отмечена еще Майделем, а обследована в 1939 г. П. Ф. Швецовым и В. П. Седовым.

В бассейне р. Неры насчитывается более 15 гигантских ключевых наледей. Наиболее крупные из них находятся в верховьях рек Андыгычана и Ейемю. В верхних частях большинства наледей обнаружены незамерзающие открытые потоки. По подсчетам П. Ф. Швецова объем льда в наледях бассейна реки Неры достигает 500 млн.м³.