К.г.-м.н. Макаренко Г.Л.

Тверской государственный технический университет, Россия

К вопросу о геологической природе

торфяных месторождений

Общеизвестно, что грунтовые воды образуют три зоны: аэрации, капиллярной каймы и полного водонасыщения. В зоне капиллярной каймы по мере приближения её отдельных слоев к уровню грунтовой воды наблюдается повышение капиллярной влажности, снижается подвижность горизонта капиллярной каймы. При полной влажности, равной 100%, грунтовые воды выходят на поверхность. Одним из условий заболачивания суши и установления режима торфонакопления является избыточное увлажнение суши, которое проявляется при наличии подвижного горизонта капиллярной каймы (ПГКК) на уровне или вблизи поверхности суши и глубине залегания грунтовой воды, соответствующей физическому состоянию, фракционному составу и пористости обломочной или трещиноватой водопроницаемой минеральной геологической среды независимо от ее генезиса с обязательным присутствием капиллярных пор [1].

В строении торфяного месторождения сверху вниз предлагается выделять (рис. 1): многоярусный растительный покров, динамическую часть залежи (ДЧЗ), собственно залежный торфяной слой (СЗС), подстилающая материнская горная порода в виде естественных минеральных образований, преобразованных в процессе проявления природных геологических процессов и явлений (озерные, водно-ледниковые, озерно-ледниковые, ледниковые и лессовидные образования, скальные трещинные обломочные породы коры выветривания, аллювиальные отложения, мерзлотная геологическая среда и т.д.). ДЧЗ и СЗС образуют залежный слой болота (ЗС). ДЧЗ вместе с живым растительным покровом представляет собой пограничный горизонт с подземными органами живых болотных растений и отмершей растительной массой, интенсивными процессами влаго- и теплообмена между атмосферой и собственно залежным постоянно водонасыщенным торфяным слоем (или водонасыщенными минеральными отложениями).

Здесь наблюдается быстрое изменение во времени содержания влаги, количества тепла и воздуха, обусловленные гидрометеорологическим режимом (ходом осадков, интенсивностью солнечной радиации, суммарного испарения и стока). Строение ДЧЗ (ботанический состав и структура отложений) полностью определяется составом живой растительности и отмершей активно разлагающейся растительной массой. По мере углубления подземные органы живых болотных растений постепенно сменяются отмершими растениями, их остатками и продуктами разложения. Преимущественное вертикальное направление элементов растений в моховом покрове болот с глубиной постепенно сменяется на горизонтальное, в основном, совпадающее с направлением движения болотной воды в транспирационно-фильтрационной зоне ДЧЗ. При преобладающем травяном растительном покрове для ДЧЗ характерна дернина, сложенная остатками отмершей растительной массы и продуктами ее разложения, переплетенных корнями и корневищами живых болотных растений. В этих условиях мелкие поры дернины обеспечивают проявление капиллярных сил. Механизм и направление передвижения болотной воды в зонах ДЧЗ обусловлены степенью их водонасыщения, размерами и преимущественным направлением пор, степенью неоднородности отложений, проявлением капиллярных сил, размерами и степенью дифференцированности поверхности горизонта капиллярной каймы, степенью действия процесса транспирации болотной растительностью в вегетационный период. ДЧЗ в зависимости от положения уровня болотной воды (УБВ) по вертикали предложено разбивать на две зоны: верхнюю – транспирационно-инфильтрационную периодического водонасыщения, и нижнюю – транспирационно-фильтрационную полного водонасыщения. В транспирационно-инфильтрационной зоне существует среда и условия произрастания болотной растительности с преобладающим вертикальным нисходящим передвижением воды при частичном заполнении порового пространства и активного неполного разложения отмершей растительной массы.

В транспирационно-фильтрационной пористой полностью водонасыщенной зоне при горизонтальном передвижении воды по неровной поверхности СЗС существуют условия и среда для произрастания болотной растительности и для ее отмирания, неполного разложения и превращения в торф.

СЗС образован генетическими слоями торфяных отложений (растительные остатки и продукты их разложения) различного ботанического состава и природными свойствами, отражающими специфику и особенности торфообразовательного процесса. В естественном состоянии (в условиях естественного залегания) он представляет собой водонасыщенную полидисперсную высококапиллярнопористую среду растительного происхождения с медленно меняющимися во времени физико-химическими, гидрогеологическими и гидродинамическими свойствами.

На рис. 2 приведена сравнительная оценка геолого-гидрогеологической обстановки поверхности суши и поверхности торфяного месторождения.

Минимальная глубина залегания грунтовой воды в среднем может достигать 0,1 м, когда минеральная геологическая среда с высокой активной пористостью сложена относительно крупным обломочным материалом и преобладающим развитием макропор размером более 1 мм. Максимальная же глубина залегания грунтовой воды может доходить до 6,0 м, в условиях тонкодисперсной минеральной геологической среды с низкой активной пористостью и преобладающим развитием капиллярных пор размером, укладывающимся в диапазоне 10^-6…1 мм.

Наиболее активный гидродинамический водный режим (влагоперенос) характерен для верхней части ПГКК при замедленном горизонтальном движении грунтовой воды в зоне полного водонасыщения. Подвижность горизонта капиллярной каймы в целом определяет вертикальная расчлененность его поверхности, обуславливая определенную величину напорного градиента. Основные геологические предпосылки избыточного увлажнения и заболачивания суши в условиях минеральных геологических сред, сформированных на основе природных геологических процессов и явлений, включают: природные объекты поверхности суши (коры выветривания, речные долины, моренные и зандровые равнины, поверхностные формы карста и суффозии, родники, тектонические нарушения, вулканические области, потухшие вулканы, области развития многолетней мерзлоты, овражно-балочная сеть и пр.); наличие ПГКК вблизи и на уровне поверхности суши, создающей ее избыточное увлажнение; глубину залегания грунтовой воды, обеспечивающей положение горизонта капиллярной каймы на соответствующем уровне; рельеф и микрорельеф водоупорного слоя горных пород, определяющие условия и основные формы залегания грунтовой воды (грунтовый поток, грунтовый бассейн, грунтовый поток с бассейном); рельеф и микрорельеф поверхности суши, влияющие на глубину залегания грунтовой воды и величину капиллярной влажности горизонта капиллярной каймы, который связан с природным объектом, сформированным на основе природных геологических процессов и явлений; фракционный состав и неоднородность пористой минеральной обломочной или трещиноватой геологической среды с обязательным наличием капиллярных пор (размером 10^-6…1 мм), которые обеспечивают величину капиллярной влажности и степень дифференцируемости поверхности горизонта капиллярной каймы; крупные природные включения (валуны, корневая древесина и др.), формирующие области местного фильтрационного стекания грунтовой воды; в пористой однородной среде с ровным рельефом поверхности величина капиллярной влажности ПГКК определяется положением УГВ; в пористой однородной среде с микрорельефом поверхности (повышения, понижения) капиллярная влажность ПГКК выше в понижении за счет местного поверхностного стекания поверхностных природных вод; в пористой разнородной среде капиллярная влажность ПГКК выше в низко капиллярной среде, чем в высоко капиллярной т.к. УГВ повышается быстрее за счет наиболее быстрого поступления природной воды. Несмотря на то, что область питания грунтовой воды совпадает с областью ее распространения, болото- и торфообразовательный процесс получает развитие только там, где действуют приведенные выше геологические предпосылки.

На рис. 3 приведена сравнительная оценка выделения торфогенного и активного (деятельного) слоя по К.Е. Иванову [4] с априорной геологической моделью строения торфяного болота [2].

В основу классификации торфяных болот многими авторами положены два показателя: степень обводненности и степень проточности [3 – 14 и др.]. Степень обводненности – количество воды, поступающей на болото. Степень проточности – условия стока воды с болота.

Для ДЧЗ болота предложена структурная модель водного режима, который определяют два основных вида: гидростатический пассивный и гидродинамический активный (рис. 4).

В итоге в условиях различной степени трофности среды болотообразования и торфонакопления они формируют групповой и видовой петрографические составы торфяных отложений. В условиях проявления различных видов водного режима ДЧЗ при местном фильтрационном стекании болотных вод на поверхности болота формируется микрорельеф, на котором получают развитие кочковые и топяные сфагновые мхи с характерными особенностями анатомического строения листьев.

Сфагновые мхи являются наиболее яркими представителями гидрофильных болотных растений с разными уровнями стояния болотных вод (т. е. с разным увлажнением) делятся на три группы: сильно увлажненные, умеренно увлажненные и наименее увлажненные. При этом наблюдается возрастание кислотности болотных вод местообитаний сфагновых мхов от сильно увлажненных до наименее увлажненных. Сфагновые мхи представляют собой неоднородную в экологическом отношении группу растений. Одни виды произрастают в условиях бедного минерального питания слабо минерализованными водами, преимущественно атмосферными осадками. Другие виды растут в условиях богатого минерального питания, в основном за счет грунтовых вод. Учитывая эту экологическую особенность сфагновых мхов, их можно считать показателями источников водно-минерального режима болота или отдельных его участков. Сфагновые мхи являются эдификаторами болот лесной зоны. Ими сложена преобладающая часть торфяных отложений болот. В связи с тем, что на поверхности болота всегда чередуются повышения и понижения, кочки и мочажины, гряды и озерки, вода здесь является лимитирующим фактором, определяющим распределение видов по элементам микрорельефа. Участки наиболее высокого поднятия капиллярной воды образуют локальные области разгрузки, характеризуя местное фильтрационное стекание болотных вод. В этих условиях независимо от степени трофности болотной среды формируются положительные формы микрорельефа (кочки, повышения, гряды) с характерными особенностями анатомического строения листьев кочковых сфагновых мхов, отличающихся крупными капиллярными порами. Участки небольшого поднятия капиллярной воды, напротив, образуют транзитно-аккумулятивную сеть горизонтального беспорядочного или ориентированного многопоточного передвижения болотной воды с формированием отрицательных форм микрорельефа (понижения, мочажины) и характерными особенностями анатомического строения листьев сфагновых мхов, отличающихся мелкими капиллярными порами [2].

Литература:

1. Макаренко, Г.Л. Геология торфяных месторождений: монография

/ Г.Л. Макаренко//. − Тверь: ТГТУ, 2001. − 216 с.

2. Макаренко, Г.Л. Геосистемное природно-ресурсное размещение торфяных месторождений // Основы геологической природы, закономерности стратиграфии залежей торфяных месторождений, их георесурсная оценка: монография /Г.Л. Макаренко//. − Leipzig: LAP LAMBERT Academic Publisching, 2012. - 186 с. ISBN: 978-3-8484-1310-2

3. Иванов, К. Е. Гидрология болот /К.Е. Иванов//. – Л.;, Гидрометеоиздат, 1953. 298 с.

4. Иванов, К.Е. Основы гидрологии болот лесной зоны /К.Е. Иванов//. – Л.: Гидрометеоиздат, 1957. 500 с.

5. Сукачев В.Н. Болота, их образование, развитие и свойства

/ В.Н.Сукачев//. – Л.: Ленингр. лесной ин-т, 1926. 162 с.

6. Богдановская-Гиенеф, И.Д. О некоторых основных вопросах болотоведения /И.Д. Богдановская-Гиенеф// Ботанический журнал, 1946. Т.31. Вып. 2. С. 33–34.

7. Богдановская-Гиенеф, И.Д. К вопросу о движении воды в верховых болотах /И.Д. Богдановская-Гиенеф//. – Л.: Вестник ЛГУ, 1948, №8. С. 13–28.

8. Богдановская-Гиенеф, И.Д. Закономерности формирования сфагновых болот верхового типа /И.Д. Богдановская-Гиенеф//. – Л.: Наука, 1969. 187 с.

9. Пьявченко, Н.И. Об изучении болотных биогеоценозов /Н.И. Пьявченко//. Сб. «Основные принципы изучения болотных биогеоценозов». – Л.: Наука, 1972. С. 5–13.

10. Пьявченко, Н.И. О принципах биогеоценотической классификации болот /Н.И. Пьявченко//. Проблемы биогеоценологии. – М.: Наука, 1973. С. 174–189.

11. Пьявченко, Н.И. Болотообразовательный процесс в лесной зоне / Н.И. Пьявченко//. Значение болот в биосфере. – М.: Наука, 1980. С. 7–15.

12. Пьявченко, Н.И. Торфяные болота, их природное и хозяйственное значение / Н.И. Пьявченко//. – М.: Недра, 1985. 152 с.

13. Юркевич, Е.Д. Эколого-биологические закономерности формирования болотных фитоценозов, их изменение в связи с мелиорацией и пути использования (на примере Белоруссии) /Е.Д. Юркевич, Л.П. Смолин//. Генезис и динамика болот. – М.: МГУ, 1978. Вып. II. С. 90–94.

14. World Peat Resources: Reference book / V.D. Markov, A.S. Olenin, L.A. Ospennikova//. – etc. Moscow: Nedra, 1988. 383 p.