Види і категорії води в гірських породах

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань в своє навчання і роботи, будуть вам дуже вдячні.

Вода знаходиться в гірських породах завдяки наявності в них всіляких пустот (тріщин, пор, каналів і т.д.). Абсолютно суцільних порід, що не містять скільки-небудь мала кількість часу, в природі не існує. Ці порожнечі, як правило, і займає вода завдяки своїй високій рухливості (мобільності, плинності) поряд з іншими мобільними компонентами, наприклад такими, як гази, вуглеводневі флюїди і ін. Встановлено, що нижче рівня грунтових вод до глибин близько 4 - 5 км і більш практично всі порожнечі гірських порід (за винятком вуглеводневих покладів) заповнені водою, що утворює в межах літосфери регіональні нерозривні макроскопічні системи гідросфери. Вони - предмет дослідження гідрогеології, науки, що вивчає умови формування, динаміку і поширення запасів підземних вод на Землі. Ми ж зупинимося на деяких цікавих і важливих особливостях води в гірських породах, що проявляються в основному не на макроскопічному, а на мікроскопічному рівні.

1. Категорії води в гірських породах

Відповідно до цієї класифікації, зв'язана вода утримується в породі за рахунок хімічних і фізичних сил зв'язку (з енергією 0,1 - 800 кДж / моль), що діють з боку поверхні мінералів і змінюють структуру і властивості води. Вона буває двох видів. До першого відноситься вода, що входить до складу кристалічних решіток різних мінералів. Це так звана конституційна, немолекулярное форма води типу ОН-груп, кристаллизационная вода різних кристалогідратів (якщо вони є в даній гірській породі), а також вода, «пов'язана» координаційно-ненасиченими атомами і іонами кристалічної решітки мінералів. До другого виду належить адсорбційна вода, що утворюється за рахунок адсорбційного «тяжіння» молекул води до активних адсорбційним центрам поверхні мінералів. Серед неї виділяються два різновиди:

а) з найбільшою енергією тяжіння до поверхні (близько 40 - 120 кДж / моль) - вода мономолекулярної адсорбції.

б) з меншою енергією зв'язку (<40 кДж/моль) - вода полимолекулярной адсорбции.

Пов'язана вода утворює адсорбційні плівки товщиною в один або кілька молекулярних шарів і в гірських породах міститься в порах або мікротріщинах розміром менше 0,001 мкм. У цього типу води фізичні властивості найбільшою мірою відрізняються від вільної.

Другий вид води перехідного стану - це капілярна вода. Вона утворюється в порах капілярного розміру (діаметром від 103 до 103 мкм) за рахунок капілярного тиску і утримується в гірській породі капілярними силами водних менісків (силами поверхневого натягу), що утворюються на кордоні фаз вода-повітря-тверда поверхня. Капілярні сили практично не змінюють структури води і тому капілярна вода по основним фізичним властивостям практично не відрізняється від вільної. Вона може формуватися в гірських породах двояко:

1) за рахунок так званого явища капілярної конденсації, коли молекули води поступово конденсуються на поверхні плівки адсорбованої вологи, що огортає частинки породи, і, зливаючись в місцях контакту (на стику частинок), утворюють водні меніски.

2) за рахунок капілярного всмоктування води по сполучених порам, тріщинах і каналах при контакті породи з вільною водою.

До третього типу належить власне вільна вода, що володіє фізичними властивостями звичайної води. У гірських породах вона ділиться на два види:

1) вода замкнута (іммобілізована) в великих порах породи і тому не бере участь в процесах фільтрації та рух підземних вод.

2) текуча вільна вода (вода грунтового потоку).

2. Види води в гірських породах

Гірські породи містять різні види води. Її стан і властивості в пухких піщаних і глинистих породах вперше були експериментально вивчені радянським вченим А.Ф. Лебедєвим, що виділив кілька видів води в гірських породах, що відрізняються фізичними властивостями. Пізніше ідеї А.Ф. Лебедєва отримали подальший розвиток у роботах В.А. Приклонских, А.А. Роде, А.М. Васильєва, В.Д. Ломтадзе, Е.М. Сергєєва та ін. В даний час запропоновано наступне підрозділ видів води в породах:

I. Вода в формі пара.

II. Фізично зв'язана вода: 1) прочносвязанная (гігроскопічна) вода; 2) слабо зв'язаної (плівкова) вода.

III. Вільна вода: 1) капілярна вода; 2) гравітаційна вода.

IV. Вода в твердому стані.

V. Кристаллизационная вода і хімічно зв'язана вода.

Капілярна вода частково або повністю заповнює тонкі капілярні пори і тріщини гірських порід і утримується в них силами поверхневого натягу (капілярних менісків). Вона поділяється на капілярно-роз'єднану, капілярно-підвішену і капілярно-підняту. Капілярно-роз'єднана вода називається також водою кутів пір або стикового водою. Вона зазвичай утворюється переважно в місцях сполучення частинок породи і звужених кутових ділянок пір, де міцно утримується капілярними силами (капілярно-нерухомий стан). Інші види капілярної води здатні пересуватися і передавати гідростатичний тиск. Капілярно-підвішена вода утворюється у верхній частині зони аерації, в тонких порах і тріщинах грунтів і піщано-глинистих порід за рахунок інфільтрації атмосферних опадів при вологості порід вище максимальної молекулярної влагоемкоемкості. Капілярно-підвішена вода не доходить до рівня підземних вод. Вона доступна для рослин, але в посушливі роки при тривалому випаровуванні може витрачатися майже до повного зникнення. Капілярно-піднята вода розташовується над рівнем першого від поверхні водоносного горизонту (грунтових вод), де вона утворює так звану капілярну облямівку. Потужність її різна і залежить від складу гірських порід; вона мінімальна у великоуламкових породах (до 2-30-35 см), максимальна в суглинках і глинах (до перших метрів). Кількість води в породі, відповідне повного насичення всіх капілярних пір, називають капілярної влагоемкостью.

Гравітаційна (вільна) вода утворюється в породах при повному насиченні всіх пір і тріщин водою, що відповідає повній вологоємкості. У цих умовах вода рухається під впливом сили тяжіння і напірного градієнта в напрямку до річок, морів і іншим областям розвантаження. До гравітаційної воді відносять також инфильтрационную воду зони аерації, що з'являється періодично під час сніготанення, після випадання дощів і йде на поповнення підземних вод.

Вода в твердому стані знаходиться в гірських породах або в вигляді окремих кристалів, або у вигляді лінз і прошарків чистого льоду. Вона утворюється при сезонному промерзанні водонасичених гірських порід, але особливо широко розвинена в областях поширення багаторічномерзлих гірських порід (в Сибіру, ​​Канаді та інших районах).

3.Вліяніе води на властивості гірських порід

вода гірський порода хімічний

Глинисті породи схильні до води і завжди містять зв'язану воду. Якщо в них присутня тільки адсорбційна вода, то вони являють собою досить міцні породи твердої консистенції. При наявності в них осмотической і капілярної води вони набувають властивість пластичності, податливості, липкості, капілярної зв'язності, легко деформуються і різко втрачають за рахунок зволоження свою міцність. При наявності в глинах вільної води вони набувають властивість плинності і поводяться як жідкообразние тіла.

Великий вплив зв'язана вода надає на процеси тепломасопереносу в породах. Оскільки вона міцно утримується в тонких порах і мікротріщинах і до того ж володіє підвищеною в'язкістю, «зрушити» цю воду надзвичайно важко, вона не підкоряється звичайним законам фільтрації, здійснюваної під дією гідродинамічного напору. Для того щоб «зрушити» цю воду, залучити до фільтраційного потік, необхідно подолати її «опір», при цьому фільтрація починається лише після перевищення напором так званого «початкового градієнта фільтрації». Тому глини і є зазвичай водоупором, що не пропускає ґрунтові води або фільтрує крізь себе воду дуже повільно. Роль зв'язаної води в подібних глинистих екранах ще до кінця не вивчена, залишається багато невирішених проблем, зокрема розкривають екологічне значення зв'язаної води в земній корі.

Аномальні теплофізичні властивості зв'язаної води впливають і на процеси теплопереносу в породах. Крім того, наявність певної кількості незамерзаючих зв'язаної води в мерзлих гірських породах обумовлює можливість її участі в масопереносу при негативних температурах, а також сильно впливає на фазові перетворення вода-лід. Важливою рисою при цьому є наявність фазового поверхні розділу між льодом і рідкої незамерзаючої прошарком, що контактує з протилежного боку з твердої мінеральної поверхнею породи. Пересування незамерзаючих води в такій породі супроводжується складними процесами перекристалізації, які можуть призводити до виникнення і зростання тиску в незамерзлих плівках води, що є однією з причин морозного здимання грунтів. Особливу складність ці процеси набувають в засолених грунтах, для яких вони поки повністю не вивчені.

Дуже сильно зв'язана вода впливає на міцність і деформованість практично будь-яких гірських порід. Вона надає «розслабляючу і розм'якшує» дію на багато гірських порід, призводить до зниження їх міцності і збільшення деформованості. Характерним прикладом її впливу в цьому відношенні є лесові породи. Ці породи, на відміну від глинистих, що не схильні до води. Вони широко поширені в сухих, аридних областях на югеУкаіни, України, Середньої Азії. У них міститься головним чином тільки адсорбційна зв'язана вода і частково капілярна, що заповнює лише найтонші мікропори і мікрокапіляри в породі. При цьому леси мають достатню міцність, так що здатні «тримати» круті, майже вертикальні стінки природних оголень висотою в десятки метрів. Але варто в леси проникнути достатній кількості води, наприклад при підтоплення масиву або в результаті витоків води, то лесових порода надзвичайно швидко переходить в пластичний стан, різко втрачає міцність і просідає в результаті доуплотненіе навіть під власною вагою.

Однак було б невірно думати, що зв'язана вода впливає лише на міцність осадових дисперсних порід. Не меншою мірою її вплив позначається на деформації і міцності магматичних, метаморфічних і зцементованих осадових гірських порід. Наявність зв'язаної води в кристалічній решітці мінералу знижує його пружність. Але в ще більшому ступені на деформованість і міцність таких порід впливає наявність в мікротріщинах, на контактах зерен або кристалів адсорбційних плівок зв'язаної води. Вони знижують поверхневу енергію мінералів гірської породи і тим самим полегшують розвиток в породі різних механічних мікронарушенності, дислокацій, мікротріщин і т.д. особливо в тому випадку, якщо порода знаходиться під напругою. Внаслідок цього порода починає «повзти», вона деформується з тією чи іншою швидкістю при тому ж самому постійній напрузі. Це одна з форм прояву так званого ефекту Ребіндера - ефекту полегшення пластичної деформації тіл різної природи і зниження їх міцності за рахунок явища адсорбції. Прискорення повзучості гірських порід в умовах дії адсорбційних середовищ зазначалося неодноразово. Цей процес широко розвинений в природі і цілеспрямовано використовується людиною. Найбільш характерно він проявляється в умовах так званої «наведеної сейсмічності» - активізації сейсмічної активності території в зоні впливу водосховища після початку його затоплення і виникнення штучних землетрусів силою до 5 - 7 балів. Те, що відбувається після заповнення водосховища просочування по тонким порах і тріщинах зв'язаної води в прилеглі масиви гірських порід викликає зниження поверхневої енергії складають їх мінералів. При цьому в напружених гірських породах інтенсивно починають розвиватися дислокації і ростуть мікротріщини. За рахунок цього відбувається релаксація напруг в масиві, їх ослаблення, що виражається макроскопически у вигляді сейсмічних коливань масиву в цілому і скидання напруг. Процес цей носить кінетичний характер, зв'язана вода дуже повільно проникає вглиб масиву, і до того ж різні мінерали в гірських породах вибірково виявляють ефект Ребіндера. З цих причин наведена сейсмічність загасає зазвичай довго, протягом 3 - 5 років. Однак цей приклад не єдиний. Практично всі гірські породи (в тому числі магматичні і метаморфічні) можна розглядати як дисперсні системи, тобто мають велику питому поверхню, утворену внутрішніми кордонами розділу між мінеральними фазами однакового або різного складу. Останнім часом вченими встановлено, що зв'язана вода може впроваджуватися в полікристалічні скельні породи за цими суцільним межзеренного і міжфазним кордонів і залишатися там невизначено довгий час. Така «межзеренного просочення» найбільш імовірна в породах, для яких спостерігається повне змочування вільної поверхні водою, а також відбувається зниження міцності породи не менше ніж удвічі. З ростом температури і напружень коло порід, в яких проявляється даний ефект, ще більше розширюється.

Наведений матеріал показує, яку велику роль грає зв'язана вода у формуванні властивостей різних гірських порід, а значить, і в розвитку багатьох геологічних процесів. В одній статті немає можливості привести все численні дані, які накопичені до цього часу про властивості зв'язаної води. Додаткові відомості Новомосковсктелі зможуть знайти в наведеній нижче літературі. Немає сумніву в тому, що найближчим часом буде досягнуто ще більший прогрес в дослідженні зв'язаної води в гірських породах.

вода гірський порода хімічний

1. Дерягин Б.В. Чураев Н.В. Овчаренко Ф.Д. та ін. Вода в дисперсних системах. М. Хімія, 1989. 288 с.

2. Злочевская Р.І. Корольов В.А. Електроповерхневі явища в глинистих породах. М. Изд-во МГУ, 1988. 177 с.

3. Поверхневі плівки води в дисперсних структурах. / Под ред. Е.Д. Щукіна. М. Изд-во МГУ, 1988. 279 с.

Розміщено на Allbest.ru