萨哈(雅库特)共和国冻土水文地质条件分析

鲁道夫·弗拉基米罗维奇·张 著；戴长雷，李卉玉 译

(1. 俄罗斯科学院西伯利亚分院麦尔尼科夫冻土研究所，萨哈共和国 雅库茨克 677010； 2.黑龙江大学寒区地下水研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；3.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080；4.黑龙江省寒地建筑科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

萨哈(雅库特)共和国冻土水文地质条件分析

鲁道夫·弗拉基米罗维奇·张1著；戴长雷2,3，李卉玉2,4译

(1. 俄罗斯科学院西伯利亚分院麦尔尼科夫冻土研究所，萨哈共和国 雅库茨克 677010； 2.黑龙江大学寒区地下水研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；3.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080；4.黑龙江省寒地建筑科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

水文地质与永久冻土在萨哈(雅库特)十分复杂和多样,所以对萨哈(雅库特)冻土、水文、地质的分析就具有十分重要的意义。通过对雅库特地区地质构造、岩石组成、水文特性、地下冰等的研究分析，指出:(1)雅库特地带分成两种结构，即东部西伯利亚平原的极端结构(雅库特西部)和维科扬斯克-楚科奇褶皱区(雅库特东部)。(2)雅库特有三大水文地质系统。东西伯利亚系统自流盆地水文地质系统，上扬斯克-科雷姆斯卡亚系统水文地质地块、低温和自流盆地水文地质系统，帕塔莫-威提斯凯水文地质系统。(3)雅库特永冻层通过自然现象的多样性呈现出的特点主要表现在深度范围和温度变化两方面。

冻土；水文；地质；萨哈(雅库特)共和国

1 区域地质

地理、水文地质学与永久冻土在雅库特流域十分复杂和多样。从地理上讲，这个地带被分成两种结构，即东部西伯利亚平原的极端结构(雅库特西部)和维科扬斯克-楚科奇褶皱区(雅库特东部)[1]。

1.1 雅库特西部地质结构

根据雅库特西部地理构成的具体特征，可以将其结构分成如下几个大类：阿尔丹台和阿纳巴尔台背斜，通古斯卡和维柳伊台向斜[2]。

阿尔丹台背斜是由地基晶质岩构成。阿尔丹盾由岩浆岩、花岗岩、花岗片麻岩和强花岗岩化的太古宙岩石构成。阿尔丹盾的边缘及其北坡是由石英和石英长石沙石、石灰石和白云石组成的沉积物构成。乌丘罗-迈斯卡亚沉降地带中的沉积物层的厚度超过2800 m。这个盾形地带的南部是一系列沉降构造，内有侏罗纪时期的石炭层沉积，达4000 m。

阿纳巴尔台背斜大部分是从其西北部开始，这一地带的地基是晶质岩，上面的边缘处覆盖有新元古代岩石和早、中寒武世时期的沉积物。寒武纪时期的沉积物含有碳化岩和沥青化页岩，其厚度达1500 m。岩浆岩中含有白云母花岗岩和淡色花岗岩。

通古斯卡向斜是西伯利亚平原最大的地质构造，它的东部边缘在雅库特地域。博图奥宾斯卡亚山口将其与维柳伊台向斜分隔开来；它在西北部与阿纳巴尔台背斜相邻，相邻地区沿着维柳伊-科图伊裂缝区，它在南部与涅亚残留隆起相邻。通古斯卡向斜的结构碳化岩和早古生代寒武纪时期、奥陶纪和志留纪的陆源碳化岩沉积物， 主要是石膏和含盐的石灰石；另外还有三叠纪时期的沉积物，其中含有沙石、硅质黏土岩、含有层间砾岩透镜体的沙泥岩以及厚度达250 m的炭床。除此以外，晚二叠世与早三叠世广泛分布着侵入板块，其东部的厚度可达600 m。

维柳伊台向斜是西伯利亚平原东部最大的沉降构造，构造内充满了陆源沉积岩，厚度达数千米。在这个台向斜内部有几处隆起和沉降，其中一些从中生代开始形成。在这些隆起和沉降之间，克姆片佳沉降和伊佳特京斯卡亚沉降(在西南部)，由孙塔尔隆起分隔；林坚斯卡亚沉降和伦欣斯卡亚沉降(在东部)，由中-维柳伊隆起分隔。维柳伊台向斜的沉积物是冲积第四纪的沉积物。这些沉积物的下方是晚白垩世时期形成的，含有黏土层和粉沙的沙土，厚度在150～1100 m之间。再下方是晚侏罗世时期的煤层，厚度在500～6000 m之间。再往下是晚古生代时期、早寒武世时期和早古生代时期的沉积。维柳伊台向斜早寒武世时期和早古生代时期的沉积还没有被研究过[2]。

1.2 雅库特东部地质结构

从地质上来讲，在雅库特东部有以下几种构造：维科扬斯克背斜带、亚纳-因迪吉尔卡向斜带, 科雷马中间地块和滨海沉降。

维科扬斯克背斜带是维科扬斯克山脉，被分成两个部分：较低的部分包括新元古代和早古生代直到旧石器时代的沉积物；而较高部分包括古生代和中生代早期的沉积物。该构造的较低部分的南边是谢捷-达坂山脉，北边是哈拉乌拉赫；岩层是陆源碳酸盐岩类，包括石灰岩、白云石、白云石化泥灰岩、沙岩、片岩、粉砂岩等等。该构造的较高部分岩层种类相同，而且分布紧密，构造结实。

莫莫-波洛乌斯纳亚背斜带和维科扬斯克背斜带属于维科扬斯克-科雷马层叠体系，由各种成分和各种时代的岩石构成。早寒武世时期有角闪岩、片麻岩、片岩等等；中生代早期有陆源沙岩页岩和碳酸盐岩。

亚纳-因迪吉尔卡向斜带在莫莫-波洛乌斯纳亚背斜带和维科扬斯克背斜带之间。其地理构造由早古生代、三叠纪和侏罗纪时期的沉积构成。在这个区域有被向斜分隔的几个隆起构造：孙塔尔-拉本克尔、 阿德恰、 库拉尔斯科耶、 南-维科扬斯克和波洛乌斯诺耶隆起。亚纳-因迪吉尔卡向斜带构造的沉积厚度有数千米。

科雷马中间地块属于维科扬斯克-楚科奇褶皱区，其东部边缘沿着科雷马深断裂带分布；其西南边缘与塔斯-哈伊的东北部分相接。西部和南部有条件地沿着波罗斯尼山脉山脚勾勒出其轮廓。上部新生代岩层和新生代沉积物使地块本身被分为数个海拔和凹地。在地块的东部有阿拉泽伊高原和同名的台地。尚未对地块的地质剖面进行很好的研究。已得知在地块地台地幔的地基上，存在奥陶纪沉积物，其以大理石石灰岩和高达1700 m厚的硅质黏土页岩呈现。地质剖面中部和上部由古生代中期和中生代沉积物构成，以侏罗纪和白垩纪时期的沉积火山岩和石炭纪岩层呈现。科雷马河轴地火山沉积地幔的总厚度平均在4000～5000 m。

普里莫斯卡亚凹地(滨海沉降)属于东北雅库特的北部。其南部与波罗斯尼和乌拉可汗-塔斯山脉交界，东部与科雷马河轴地相交，北部在东部西伯利亚海的水平面下。早古生代，早第三纪和晚第三纪的沉淀物构成了凹地。

2 水文地质

雅库特的水文地质由众多自然因素定义。水文地质学的最完整的摘要可以在书籍中找到：“苏联水文地质”。大量事实材料可在许多文章和专著中找到[3-14]。这些研究使我们定义了雅库特三大水文地质系统：

(1)东西伯利亚系统自流盆地水文地质系统。

(2)上扬斯克-科雷姆斯卡亚系统水文地质地块、低温和自流盆地。

(3)帕塔莫-威提斯凯水文地质地块[2]。

2.1 东西伯利亚系统自流盆地水文地质系统

东西伯利亚系统自流盆地和水文地质地块包括雅库茨克、卡唐斯基、拉普捷夫海、通古斯卡和安吉拉乐斯基自流盆地、欧勒内科斯基、安纳巴斯基、阿尔丹斯基水文地质地块。

雅库茨克自流盆地占据几乎所有的西雅库特，其中心在勒拿 -维利斯卡娅河间地。该盆地的主要流域水脉是勒拿河和比留唯河的山谷。该盆地的特点是其大型中生代陆源沉积岩含水层，其在中部达到数千米大小；下面有含水古生代复合体。

在第四纪沉积物和侏罗纪、新生代和白垩纪沉积物的顶部岩层，含水岩层是基于不同来源的区间不冻层。马尔哈地区内负温度区总面积达1300 m。然而，永冻层的厚度不超过200 m，下面为含有冷却盐水的含水岩层。这种盐水被“米尔”、“尤达克纳亚”管道勘探及威鲁夷斯卡娅水力发电站-3的基坑发现。

在帕塔莫-威提斯凯自流盆地地区有数个小结构。

雅库特地区内的卡唐斯基自流盆地以第二自流盆地阿纳巴罗 -欧勒内斯基呈现。主要水源是阿纳巴尔河和奥列内奥克河的排水山谷。该盆地的水文地质尚未得到充分探索。

拉普捷夫海的自流盆地向南延伸直至阿纳巴 -欧勒内科斯基复背斜。

盆地的水文地质尚未调查。通古斯卡自流盆地主要位于雅库特以外。其由奥列内奥克河和维柳伊河山谷在 200～1000 m的深度排水。该盆地与雅库茨克自流盆地的水成分接近。

安吉拉 -乐斯基盆地主要位于雅库特以外，其在相关的文献中描述过[15]。

阿纳巴冻土地质地块的特点是略微分割的地貌和缺乏大量地下水。由于恶劣的地质条件，该地区经历了深度冻结，引力水存在的可能性极低。这就是为什么这些结构被称为“冻土地质地块”。

至于阿尔丹斯基水文地质地块，其主要由结晶和变质岩组成。该地块由阿尔丹河、提姆普敦河、吉尼玛河、高纳马河、奥廖克马河的山谷排水。向该地块供水的具体特征是其流经分水岭地区。此外，该地块有大量的内部盆地。

2.2 上扬斯克-科雷姆斯卡亚系统水文地质地块、低温和自流盆地

上扬斯克-科雷姆斯卡亚系统包括雅库特的所有东北部分，并包括马加丹州地区。其包括科雷姆斯卡，茵蒂勾 -科雷马自流盆地，亚诺-茵蒂勾和普利摩斯隆斯基低温盆地，沃克蒿岩斯基，波罗斯尼-沃克勒科雷姆斯卡，普林科雷姆斯卡和阿奴斯基水文地质盆地。

科雷马河自流盆地位于波罗斯尼和切尔斯基山脊之间；东部以普林科雷斯科夷高地为界，北部通向茵蒂格罗-科雷姆斯卡盆地。其主要由科雷马河山谷及阿拉泽亚河排水，而西南部由因迪吉尔卡河排水。该连续永冻土带的厚度为 300～500 m。该盆地的水文地质学还未得到研究。

茵蒂勾-科雷姆斯卡盆地占据了普里莫斯卡亚低地，康达卡夫斯柯夷高原和波罗斯尼山脊北坡地区。该盆地由因迪吉尔卡河排水和科雷马河的山谷排水。该盆地的连续永冻土层的厚度超过500 m。在德普塔特斯柯夷矿床的侏罗纪沉积物中发现了永久冻土下位水。第四纪沉积物的含水量尚未得到很好的研究。其表面上有很多湖泊。

茵蒂勾低温供水水库位于向斜区，北部和西部以库拉拉和沃克蒿岩斯卡崖山脉的山脊为界，东部以切尔斯基山脊为界，南部以桑塔卡雅塔为界。其主要的排水渠道是亚纳河和阿尔加河的山谷。该永冻层的厚度达到400 m。

维科扬斯克水文地质地块是一个复杂的山脉，分为两个排水区——勒拿河和亚纳河。在南部，地块由因迪吉尔卡河的山谷排水。永冻层的厚度大于500 m。地块的传播和补给特性表现为是裂隙脉。

波罗斯尼-沃克勒科雷姆斯卡水文地质地块将第二地层的一些水文地质结构联系起来。总体而言，对地块的水文地质研究较差。

普林科雷姆斯卡水文地质地块位于科雷马河山谷的东部。该地块的水文地质条件研究较差[2]。

2.3 帕塔莫-威提斯凯水文地质地块

目前对帕塔莫-威提斯凯水文地质地块的条件研究较差。在本文中不加以论述。

3 区域冻土

在雅库特，对永冻层进行了很多研究。并得到了许多研究结果[16-38]。

雅库特永冻层通过自然现象的多样性表现出的的特点为：

(1)永冻层深度的宽范围——从南部几米至北部几千米。

(2)多种多样的永冻层特征——热溶喀斯特、冰丘、水岩盖、地下水、区间不冻层、冻裂、隆起及其他。

(3)在没有地面温度波动的深度，地面温度的范围——从十分之一度到零下十度。

(4)可变深度季节性融化。

3.1 雅库特南部冻土

南部雅库特的永冻层特征在于其从10～500 m的深度变化的宽范围。最大厚度是在山的较高海拔处观察到的。永冻层分布的特征是分散的，通常以单独的岛屿形式观察到。在高原和台地年振幅为零的深度处的地面温度在0～-4.5 ℃ 之间变化，在分水岭，可以低至-7～ -8 ℃。其地面温度梯度在每100 m， 1～2 ℃ 之间变化，并且依据当地的岩石学和地貌，梯度可能更高。空气和地下水的对流传热极大地影响永冻层形成物，温度场和潜在岩层。该季节性融化深度在1.0～4.5 m之间变化，且季节性冻结深度在3.0～6.0 m之间变化。低温特征以冰丘、库鲁姆和石场为代表。其他低温形式呈现不佳[39]。

3.2 雅库特中部冻土

中雅库特和普里维科扬斯克地区的永冻层的特征是连续永冻土带，在有潜在开放融区的大河流域下面除外。从中雅库特南部到北部，永冻层深度增加了100～150 m，最高可达500～750 m。普里维科扬斯克的永冻层深度在450～600 m之间变化。地面的年平均地面温度从属于纬度。其从-2～-9 ℃向北下降。很明显，这些是地面温度和永冻层厚度的极限值。在某些情况下，给定的参数变化很大。在中雅库特，如在人口最多的地区，可以观察到由于人类影响而使地面温度显著降低。在人口集中区，地面温度在-2～-7 ℃ 之间变化，在其他情况下，相反，温度升高且区间不冻层形成物增加，取决于空气温度，岩性，土壤水分和地区的季节性融化深度。季节性融化深度在0.4～3.0 m之间变化。当季节性冻结深度达6.0 m时，永冻层可能含有大量的含冰量。冻土中的冰既可为细小包体(分离的)，也可为单独的大包体(冰楔、注射冰、冰床)[40]。

分离的冰可以在第四纪沉积物中找到，并且分布在任何地方。

冰楔是垂直楔形(水脉)形式的大块冰，其形成了多边形网。多边形大小和冰形成深度并不一致。其厚度可达25 m，顶部宽度为3～5 m。

注射冰(霜丘)大部分可在带有干燥的热溶喀斯特湖的冲积平原找到并广泛分布在勒拿-安靳斯克夷河间地。

热熔喀斯特广泛蔓延，形成所谓的地貌。凹陷的直径范围从几米到几百米。

冰丘是非常罕见的。有两个大冰丘很著名：位于勒拿河 -乌拉汗塔林的冰丘和布卢斯右岸的沙地别斯佳赫领土的冰丘。它们形成的冰丘体积为8000～13 000 m3，面积为0.5～0.75 km2。冰透镜厚度可达4.5 m。

安纳巴斯基和普林安纳巴斯基地区的地质条件特点是存在最深的永冻层及其最低的温度。平均深度为600～700 m；可以高达1500 m。永冻层主要由两层组成。在150～500 m的标记下，是由带水的土壤组成，呈现为负温度。水矿化通常在50～150 g/L的限度内，在一些地方，可以增加至高达400 g/L甚至更多。存在高度矿化的负温度地下水是该地区的特征。正是由于这一点，在一些结构的限度内注意增加的永冻层厚度。

永冻层包括地下冰的基本类型：冰水泥、山顶冰、渗入冰、升华冰。

季节融化的深度不明显，在0.4～1.0 m 的范围内变化。随着大碎片材料尺寸的增加，季节性解冻的厚度增加到1.6～2.4 m。

在低温永冻层区，其经历了相当强烈的低温土壤风化。强化低温风化区的厚度为15～25 m。

隆起的过程可能导致形成石场。

霜裂纹广泛蔓延。其结果导致形成冰楔和四-五角系统。侧面为10～15 m。在冰楔上方有开放裂缝0.5～5.0 cm宽。

由于该区域岩性结构的特殊性，热力学现象相当有限[41]。

3.3 雅库特东部冻土

3.3.1 雅库特的东北部永冻层

在雅库特的东北部，永冻层连续地扩散到300～500 m和600 m的深度，地面温度为-10 ℃。季节性解冻的深度不超过1.5 m，向南增加到2.5～3.0 m。如果存在苔藓盖，其深度可能只有0.2～0.5 m。了解山区土壤季节性融化规律相当困难，尚未完全得到研究。在区域内存在几乎所有的低温表现物：冰楔、霜丘、水岩盖、注入和渗透的隔离冰、热盐。

3.3.2 雅库特的水利工程

上文简要描述了雅库特的地质、永冻层、水文地质。工程师多次尝试总结广泛的雅库特数据和开发工程—永冻层计划和设计区域，以协助设计该广阔地区的各类建筑。特别是有一个项目：“RSFSR共和国建筑设计共有制规范基本规定”(参照雅库特萨哈SSR)，包括S.M.Fotiev制造的工程，带有永冻区的地图[42]。

A.V.Gavrilov提出了1×100万规模的安靳斯克夷地区的永冻层工程地质图。这个分区是初步特征，是以工业和民用建筑为目的[43]。

Y.I.Svateev和Y.A.Kronik试图将整个冰晶石地带划分为水利工程建设[44-45]。根据以下参数进行区域划分：

(1)基础工程-永冻层条件。

(2)存在用于水坝防渗元件的黏性材料。

(3)地面调节的区域水分和条件。

除此之外，Y. I. Svateev 为每个区域推荐了一种类型的水坝(“解冻”“冷冻”和“解冻-冷冻结合”)。

自然分区是在很小的范围内进行的。 但是，对于设计的初始阶段来说，它是有用的。

显然，对于雅库特的低压水处理设施，迫切需要根据建筑原理的建议进行工程地热区域划分。

4 结 论

(1)雅库特地带被分成两种结构，即东部西伯利亚平原的极端结构(雅库特西部)和维科扬斯克-楚科奇褶皱区(雅库特东部)。

(2) 在雅库特西部有以下几种构造：阿尔丹台和阿纳巴尔台背斜，通古斯卡和维柳伊台向斜。

(3) 在雅库特东部有以下几种构造：维科扬斯克背斜带、亚纳-因迪吉尔卡向斜带, 科雷马中间地块和滨海沉降。

(4) 雅库特三大水文地质系统。东西伯利亚系统自流盆地水文地质系统，上扬斯克-科雷姆斯卡亚系统水文地质地块、低温和自流盆地水文地质系统，帕塔莫-威提斯凯水文地质系统。

(5) 雅库特永冻层通过自然现象的多样性呈现的特点是永冻层深度的宽范围从南部几米至北部几千米，地面的年平均地面温度从属于纬度，从-2～-9 ℃向北下降。

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Analysis on conditions of geology，hydrogeology andpermafrost in Sahya (Yakutia) RepublicWritten by Rudolf Vladimirovich

Zhang1； Translated by DAI Changlei2,3, LI Huiyu2,4

(1.MelnikovPermafrostInstituteSiberiaBranchoftheRussianAcademyofSciences,Yakutsk677010,Russia;2.InstituteofGroundwaterinColdRegion,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China;3.SchoolofHydraulic&Electric-power,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China;4.InstituteofArchitectureScienceinColdRegion,Heilongjiang,Harbin150080,China)

Hydrogeology and permafrost are very complex and diverse in Sahya (Yakutia), which is of great importance to the analysis of the frozen soil, hydrology and geology of Sahya (Yakutia). Based on the analysis of geological structure, rock composition, hydrological characteristics and underground ice in Yakutia area, it points: (1) Geologically the territory is divided into two structures of Yakutia, eastern extremity of the Siberian platform (Western Yakutia) And the Verchoyano-Chukotskaya folded region (Eastern Yakutia). (2) Three large hydrogeological systems of Yakutia: Eastern-Siberian system of artesian basins and hydrogeological system; Verkhoyano-Kolymskaya system of hydrogeological massifs, cryogenic and artesian basins; Patomo-Vitimsky hydrogeological massif. (3) Permafrost in Yakutia is characterized by considerable diversity of natural phenomena is mainly reflected in the depth range and temperature change.

permafrost; hydrology; geology; Sahya (Yakutia)Republic

冻土工程国家重点实验室开放基金(SKLFSE201310)；黑龙江省水文局项目(2014230101000411)

鲁道夫·弗拉基米罗维奇·张(1941-)，男，俄罗斯萨哈共和国雅库茨克市人，教授，主要从事冻土工程和寒区水利工程相关方向的科研和教学工作。

译者简介：戴长雷(1978-)，男，山东郓城人，教授，主要从事寒区地下水及国际河流方向的教学和科研工作。E-mail:daichanglei@126.com。

P642.14

A

2096-0506(2017)04-0030-07