薩哈(雅庫特)共和國凍土水文地質條件分析

魯道夫·弗拉基米羅維奇·張 著；戴長雷，李卉玉 譯

(1. 俄羅斯科學院西伯利亞分院麥爾尼科夫凍土研究所，薩哈共和國 雅庫茨克 677010； 2.黑龍江大學寒區地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080；4.黑龍江省寒地建筑科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

薩哈(雅庫特)共和國凍土水文地質條件分析

魯道夫·弗拉基米羅維奇·張1著；戴長雷2,3，李卉玉2,4譯

(1. 俄羅斯科學院西伯利亞分院麥爾尼科夫凍土研究所，薩哈共和國 雅庫茨克 677010； 2.黑龍江大學寒區地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080；4.黑龍江省寒地建筑科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

水文地質與永久凍土在薩哈(雅庫特)十分復雜和多樣,所以對薩哈(雅庫特)凍土、水文、地質的分析就具有十分重要的意義。通過對雅庫特地區地質構造、巖石組成、水文特性、地下冰等的研究分析，指出:(1)雅庫特地帶分成兩種結構，即東部西伯利亞平原的極端結構(雅庫特西部)和維科揚斯克-楚科奇褶皺區(雅庫特東部)。(2)雅庫特有三大水文地質系統。東西伯利亞系統自流盆地水文地質系統，上揚斯克-科雷姆斯卡亞系統水文地質地塊、低溫和自流盆地水文地質系統，帕塔莫-威提斯凱水文地質系統。(3)雅庫特永凍層通過自然現象的多樣性呈現出的特點主要表現在深度范圍和溫度變化兩方面。

凍土；水文；地質；薩哈(雅庫特)共和國

1 區域地質

地理、水文地質學與永久凍土在雅庫特流域十分復雜和多樣。從地理上講，這個地帶被分成兩種結構，即東部西伯利亞平原的極端結構(雅庫特西部)和維科揚斯克-楚科奇褶皺區(雅庫特東部)[1]。

1.1 雅庫特西部地質結構

根據雅庫特西部地理構成的具體特征，可以將其結構分成如下幾個大類：阿爾丹臺和阿納巴爾臺背斜，通古斯卡和維柳伊臺向斜[2]。

阿爾丹臺背斜是由地基晶質巖構成。阿爾丹盾由巖漿巖、花崗巖、花崗片麻巖和強花崗巖化的太古宙巖石構成。阿爾丹盾的邊緣及其北坡是由石英和石英長石沙石、石灰石和白云石組成的沉積物構成。烏丘羅-邁斯卡亞沉降地帶中的沉積物層的厚度超過2800 m。這個盾形地帶的南部是一系列沉降構造，內有侏羅紀時期的石炭層沉積，達4000 m。

阿納巴爾臺背斜大部分是從其西北部開始，這一地帶的地基是晶質巖，上面的邊緣處覆蓋有新元古代巖石和早、中寒武世時期的沉積物。寒武紀時期的沉積物含有碳化巖和瀝青化頁巖，其厚度達1500 m。巖漿巖中含有白云母花崗巖和淡色花崗巖。

通古斯卡向斜是西伯利亞平原最大的地質構造，它的東部邊緣在雅庫特地域。博圖奧賓斯卡亞山口將其與維柳伊臺向斜分隔開來；它在西北部與阿納巴爾臺背斜相鄰，相鄰地區沿著維柳伊-科圖伊裂縫區，它在南部與涅亞殘留隆起相鄰。通古斯卡向斜的結構碳化巖和早古生代寒武紀時期、奧陶紀和志留紀的陸源碳化巖沉積物， 主要是石膏和含鹽的石灰石；另外還有三疊紀時期的沉積物，其中含有沙石、硅質黏土巖、含有層間礫巖透鏡體的沙泥巖以及厚度達250 m的炭床。除此以外，晚二疊世與早三疊世廣泛分布著侵入板塊，其東部的厚度可達600 m。

維柳伊臺向斜是西伯利亞平原東部最大的沉降構造，構造內充滿了陸源沉積巖，厚度達數千米。在這個臺向斜內部有幾處隆起和沉降，其中一些從中生代開始形成。在這些隆起和沉降之間，克姆片佳沉降和伊佳特京斯卡亞沉降(在西南部)，由孫塔爾隆起分隔；林堅斯卡亞沉降和倫欣斯卡亞沉降(在東部)，由中-維柳伊隆起分隔。維柳伊臺向斜的沉積物是沖積第四紀的沉積物。這些沉積物的下方是晚白堊世時期形成的，含有黏土層和粉沙的沙土，厚度在150～1100 m之間。再下方是晚侏羅世時期的煤層，厚度在500～6000 m之間。再往下是晚古生代時期、早寒武世時期和早古生代時期的沉積。維柳伊臺向斜早寒武世時期和早古生代時期的沉積還沒有被研究過[2]。

1.2 雅庫特東部地質結構

從地質上來講，在雅庫特東部有以下幾種構造：維科揚斯克背斜帶、亞納-因迪吉爾卡向斜帶, 科雷馬中間地塊和濱海沉降。

維科揚斯克背斜帶是維科揚斯克山脈，被分成兩個部分：較低的部分包括新元古代和早古生代直到舊石器時代的沉積物；而較高部分包括古生代和中生代早期的沉積物。該構造的較低部分的南邊是謝捷-達坂山脈，北邊是哈拉烏拉赫；巖層是陸源碳酸鹽巖類，包括石灰巖、白云石、白云石化泥灰巖、沙巖、片巖、粉砂巖等等。該構造的較高部分巖層種類相同，而且分布緊密，構造結實。

莫莫-波洛烏斯納亞背斜帶和維科揚斯克背斜帶屬于維科揚斯克-科雷馬層疊體系，由各種成分和各種時代的巖石構成。早寒武世時期有角閃巖、片麻巖、片巖等等；中生代早期有陸源沙巖頁巖和碳酸鹽巖。

亞納-因迪吉爾卡向斜帶在莫莫-波洛烏斯納亞背斜帶和維科揚斯克背斜帶之間。其地理構造由早古生代、三疊紀和侏羅紀時期的沉積構成。在這個區域有被向斜分隔的幾個隆起構造：孫塔爾-拉本克爾、 阿德恰、 庫拉爾斯科耶、 南-維科揚斯克和波洛烏斯諾耶隆起。亞納-因迪吉爾卡向斜帶構造的沉積厚度有數千米。

科雷馬中間地塊屬于維科揚斯克-楚科奇褶皺區，其東部邊緣沿著科雷馬深斷裂帶分布；其西南邊緣與塔斯-哈伊的東北部分相接。西部和南部有條件地沿著波羅斯尼山脈山腳勾勒出其輪廓。上部新生代巖層和新生代沉積物使地塊本身被分為數個海拔和凹地。在地塊的東部有阿拉澤伊高原和同名的臺地。尚未對地塊的地質剖面進行很好的研究。已得知在地塊地臺地幔的地基上，存在奧陶紀沉積物，其以大理石石灰巖和高達1700 m厚的硅質黏土頁巖呈現。地質剖面中部和上部由古生代中期和中生代沉積物構成，以侏羅紀和白堊紀時期的沉積火山巖和石炭紀巖層呈現。科雷馬河軸地火山沉積地幔的總厚度平均在4000～5000 m。

普里莫斯卡亞凹地(濱海沉降)屬于東北雅庫特的北部。其南部與波羅斯尼和烏拉可汗-塔斯山脈交界，東部與科雷馬河軸地相交，北部在東部西伯利亞海的水平面下。早古生代，早第三紀和晚第三紀的沉淀物構成了凹地。

2 水文地質

雅庫特的水文地質由眾多自然因素定義。水文地質學的最完整的摘要可以在書籍中找到：“蘇聯水文地質”。大量事實材料可在許多文章和專著中找到[3-14]。這些研究使我們定義了雅庫特三大水文地質系統：

(1)東西伯利亞系統自流盆地水文地質系統。

(2)上揚斯克-科雷姆斯卡亞系統水文地質地塊、低溫和自流盆地。

(3)帕塔莫-威提斯凱水文地質地塊[2]。

2.1 東西伯利亞系統自流盆地水文地質系統

東西伯利亞系統自流盆地和水文地質地塊包括雅庫茨克、卡唐斯基、拉普捷夫海、通古斯卡和安吉拉樂斯基自流盆地、歐勒內科斯基、安納巴斯基、阿爾丹斯基水文地質地塊。

雅庫茨克自流盆地占據幾乎所有的西雅庫特，其中心在勒拿 -維利斯卡婭河間地。該盆地的主要流域水脈是勒拿河和比留唯河的山谷。該盆地的特點是其大型中生代陸源沉積巖含水層，其在中部達到數千米大小；下面有含水古生代復合體。

在第四紀沉積物和侏羅紀、新生代和白堊紀沉積物的頂部巖層，含水巖層是基于不同來源的區間不凍層。馬爾哈地區內負溫度區總面積達1300 m。然而，永凍層的厚度不超過200 m，下面為含有冷卻鹽水的含水巖層。這種鹽水被“米爾”、“尤達克納亞”管道勘探及威魯夷斯卡婭水力發電站-3的基坑發現。

在帕塔莫-威提斯凱自流盆地地區有數個小結構。

雅庫特地區內的卡唐斯基自流盆地以第二自流盆地阿納巴羅 -歐勒內斯基呈現。主要水源是阿納巴爾河和奧列內奧克河的排水山谷。該盆地的水文地質尚未得到充分探索。

拉普捷夫海的自流盆地向南延伸直至阿納巴 -歐勒內科斯基復背斜。

盆地的水文地質尚未調查。通古斯卡自流盆地主要位于雅庫特以外。其由奧列內奧克河和維柳伊河山谷在 200～1000 m的深度排水。該盆地與雅庫茨克自流盆地的水成分接近。

安吉拉 -樂斯基盆地主要位于雅庫特以外，其在相關的文獻中描述過[15]。

阿納巴凍土地質地塊的特點是略微分割的地貌和缺乏大量地下水。由于惡劣的地質條件，該地區經歷了深度凍結，引力水存在的可能性極低。這就是為什么這些結構被稱為“凍土地質地塊”。

至于阿爾丹斯基水文地質地塊，其主要由結晶和變質巖組成。該地塊由阿爾丹河、提姆普敦河、吉尼瑪河、高納馬河、奧廖克馬河的山谷排水。向該地塊供水的具體特征是其流經分水嶺地區。此外，該地塊有大量的內部盆地。

2.2 上揚斯克-科雷姆斯卡亞系統水文地質地塊、低溫和自流盆地

上揚斯克-科雷姆斯卡亞系統包括雅庫特的所有東北部分，并包括馬加丹州地區。其包括科雷姆斯卡，茵蒂勾 -科雷馬自流盆地，亞諾-茵蒂勾和普利摩斯隆斯基低溫盆地，沃克蒿巖斯基，波羅斯尼-沃克勒科雷姆斯卡，普林科雷姆斯卡和阿奴斯基水文地質盆地。

科雷馬河自流盆地位于波羅斯尼和切爾斯基山脊之間；東部以普林科雷斯科夷高地為界，北部通向茵蒂格羅-科雷姆斯卡盆地。其主要由科雷馬河山谷及阿拉澤亞河排水，而西南部由因迪吉爾卡河排水。該連續永凍土帶的厚度為 300～500 m。該盆地的水文地質學還未得到研究。

茵蒂勾-科雷姆斯卡盆地占據了普里莫斯卡亞低地，康達卡夫斯柯夷高原和波羅斯尼山脊北坡地區。該盆地由因迪吉爾卡河排水和科雷馬河的山谷排水。該盆地的連續永凍土層的厚度超過500 m。在德普塔特斯柯夷礦床的侏羅紀沉積物中發現了永久凍土下位水。第四紀沉積物的含水量尚未得到很好的研究。其表面上有很多湖泊。

茵蒂勾低溫供水水庫位于向斜區，北部和西部以庫拉拉和沃克蒿巖斯卡崖山脈的山脊為界，東部以切爾斯基山脊為界，南部以桑塔卡雅塔為界。其主要的排水渠道是亞納河和阿爾加河的山谷。該永凍層的厚度達到400 m。

維科揚斯克水文地質地塊是一個復雜的山脈，分為兩個排水區——勒拿河和亞納河。在南部，地塊由因迪吉爾卡河的山谷排水。永凍層的厚度大于500 m。地塊的傳播和補給特性表現為是裂隙脈。

波羅斯尼-沃克勒科雷姆斯卡水文地質地塊將第二地層的一些水文地質結構聯系起來。總體而言，對地塊的水文地質研究較差。

普林科雷姆斯卡水文地質地塊位于科雷馬河山谷的東部。該地塊的水文地質條件研究較差[2]。

2.3 帕塔莫-威提斯凱水文地質地塊

目前對帕塔莫-威提斯凱水文地質地塊的條件研究較差。在本文中不加以論述。

3 區域凍土

在雅庫特，對永凍層進行了很多研究。并得到了許多研究結果[16-38]。

雅庫特永凍層通過自然現象的多樣性表現出的的特點為：

(1)永凍層深度的寬范圍——從南部幾米至北部幾千米。

(2)多種多樣的永凍層特征——熱溶喀斯特、冰丘、水巖蓋、地下水、區間不凍層、凍裂、隆起及其他。

(3)在沒有地面溫度波動的深度，地面溫度的范圍——從十分之一度到零下十度。

(4)可變深度季節性融化。

3.1 雅庫特南部凍土

南部雅庫特的永凍層特征在于其從10～500 m的深度變化的寬范圍。最大厚度是在山的較高海拔處觀察到的。永凍層分布的特征是分散的，通常以單獨的島嶼形式觀察到。在高原和臺地年振幅為零的深度處的地面溫度在0～-4.5 ℃ 之間變化，在分水嶺，可以低至-7～ -8 ℃。其地面溫度梯度在每100 m， 1～2 ℃ 之間變化，并且依據當地的巖石學和地貌，梯度可能更高。空氣和地下水的對流傳熱極大地影響永凍層形成物，溫度場和潛在巖層。該季節性融化深度在1.0～4.5 m之間變化，且季節性凍結深度在3.0～6.0 m之間變化。低溫特征以冰丘、庫魯姆和石場為代表。其他低溫形式呈現不佳[39]。

3.2 雅庫特中部凍土

中雅庫特和普里維科揚斯克地區的永凍層的特征是連續永凍土帶，在有潛在開放融區的大河流域下面除外。從中雅庫特南部到北部，永凍層深度增加了100～150 m，最高可達500～750 m。普里維科揚斯克的永凍層深度在450～600 m之間變化。地面的年平均地面溫度從屬于緯度。其從-2～-9 ℃向北下降。很明顯，這些是地面溫度和永凍層厚度的極限值。在某些情況下，給定的參數變化很大。在中雅庫特，如在人口最多的地區，可以觀察到由于人類影響而使地面溫度顯著降低。在人口集中區，地面溫度在-2～-7 ℃ 之間變化，在其他情況下，相反，溫度升高且區間不凍層形成物增加，取決于空氣溫度，巖性，土壤水分和地區的季節性融化深度。季節性融化深度在0.4～3.0 m之間變化。當季節性凍結深度達6.0 m時，永凍層可能含有大量的含冰量。凍土中的冰既可為細小包體(分離的)，也可為單獨的大包體(冰楔、注射冰、冰床)[40]。

分離的冰可以在第四紀沉積物中找到，并且分布在任何地方。

冰楔是垂直楔形(水脈)形式的大塊冰，其形成了多邊形網。多邊形大小和冰形成深度并不一致。其厚度可達25 m，頂部寬度為3～5 m。

注射冰(霜丘)大部分可在帶有干燥的熱溶喀斯特湖的沖積平原找到并廣泛分布在勒拿-安靳斯克夷河間地。

熱熔喀斯特廣泛蔓延，形成所謂的地貌。凹陷的直徑范圍從幾米到幾百米。

冰丘是非常罕見的。有兩個大冰丘很著名：位于勒拿河 -烏拉汗塔林的冰丘和布盧斯右岸的沙地別斯佳赫領土的冰丘。它們形成的冰丘體積為8000～13 000 m3，面積為0.5～0.75 km2。冰透鏡厚度可達4.5 m。

安納巴斯基和普林安納巴斯基地區的地質條件特點是存在最深的永凍層及其最低的溫度。平均深度為600～700 m；可以高達1500 m。永凍層主要由兩層組成。在150～500 m的標記下，是由帶水的土壤組成，呈現為負溫度。水礦化通常在50～150 g/L的限度內，在一些地方，可以增加至高達400 g/L甚至更多。存在高度礦化的負溫度地下水是該地區的特征。正是由于這一點，在一些結構的限度內注意增加的永凍層厚度。

永凍層包括地下冰的基本類型：冰水泥、山頂冰、滲入冰、升華冰。

季節融化的深度不明顯，在0.4～1.0 m 的范圍內變化。隨著大碎片材料尺寸的增加，季節性解凍的厚度增加到1.6～2.4 m。

在低溫永凍層區，其經歷了相當強烈的低溫土壤風化。強化低溫風化區的厚度為15～25 m。

隆起的過程可能導致形成石場。

霜裂紋廣泛蔓延。其結果導致形成冰楔和四-五角系統。側面為10～15 m。在冰楔上方有開放裂縫0.5～5.0 cm寬。

由于該區域巖性結構的特殊性，熱力學現象相當有限[41]。

3.3 雅庫特東部凍土

3.3.1 雅庫特的東北部永凍層

在雅庫特的東北部，永凍層連續地擴散到300～500 m和600 m的深度，地面溫度為-10 ℃。季節性解凍的深度不超過1.5 m，向南增加到2.5～3.0 m。如果存在苔蘚蓋，其深度可能只有0.2～0.5 m。了解山區土壤季節性融化規律相當困難，尚未完全得到研究。在區域內存在幾乎所有的低溫表現物：冰楔、霜丘、水巖蓋、注入和滲透的隔離冰、熱鹽。

3.3.2 雅庫特的水利工程

上文簡要描述了雅庫特的地質、永凍層、水文地質。工程師多次嘗試總結廣泛的雅庫特數據和開發工程—永凍層計劃和設計區域，以協助設計該廣闊地區的各類建筑。特別是有一個項目：“RSFSR共和國建筑設計共有制規范基本規定”(參照雅庫特薩哈SSR)，包括S.M.Fotiev制造的工程，帶有永凍區的地圖[42]。

A.V.Gavrilov提出了1×100萬規模的安靳斯克夷地區的永凍層工程地質圖。這個分區是初步特征，是以工業和民用建筑為目的[43]。

Y.I.Svateev和Y.A.Kronik試圖將整個冰晶石地帶劃分為水利工程建設[44-45]。根據以下參數進行區域劃分：

(1)基礎工程-永凍層條件。

(2)存在用于水壩防滲元件的黏性材料。

(3)地面調節的區域水分和條件。

除此之外，Y. I. Svateev 為每個區域推薦了一種類型的水壩(“解凍”“冷凍”和“解凍-冷凍結合”)。

自然分區是在很小的范圍內進行的。 但是，對于設計的初始階段來說，它是有用的。

顯然，對于雅庫特的低壓水處理設施，迫切需要根據建筑原理的建議進行工程地熱區域劃分。

4 結 論

(1)雅庫特地帶被分成兩種結構，即東部西伯利亞平原的極端結構(雅庫特西部)和維科揚斯克-楚科奇褶皺區(雅庫特東部)。

(2) 在雅庫特西部有以下幾種構造：阿爾丹臺和阿納巴爾臺背斜，通古斯卡和維柳伊臺向斜。

(3) 在雅庫特東部有以下幾種構造：維科揚斯克背斜帶、亞納-因迪吉爾卡向斜帶, 科雷馬中間地塊和濱海沉降。

(4) 雅庫特三大水文地質系統。東西伯利亞系統自流盆地水文地質系統，上揚斯克-科雷姆斯卡亞系統水文地質地塊、低溫和自流盆地水文地質系統，帕塔莫-威提斯凱水文地質系統。

(5) 雅庫特永凍層通過自然現象的多樣性呈現的特點是永凍層深度的寬范圍從南部幾米至北部幾千米，地面的年平均地面溫度從屬于緯度，從-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

凍土工程國家重點實驗室開放基金(SKLFSE201310)；黑龍江省水文局項目(2014230101000411)

魯道夫·弗拉基米羅維奇·張(1941-)，男，俄羅斯薩哈共和國雅庫茨克市人，教授，主要從事凍土工程和寒區水利工程相關方向的科研和教學工作。

譯者簡介：戴長雷(1978-)，男，山東鄆城人，教授，主要從事寒區地下水及國際河流方向的教學和科研工作。E-mail:daichanglei@126.com。

P642.14

A

2096-0506(2017)04-0030-07