Види вод в породах і мінералах

Підземні води, що знаходяться в гірських породах, великих підземних порожнинах і магматичних осередках, утворюють підземну гідросферу. Всі підземні води пов'язані між собою, хоча цей зв'язок здійснюється в геологічному часу. На відміну від наземної гідросфери підземна гідросфера неоднорідна і будова її досить складне. У земній корі води і водні розчини знаходяться в гірських породах в різній формі, при різних умовах, у зв'язку з чим виділяються води різних видів.

Води літосфери майже повністю зосереджені в осадочнопородних басейнах. Обсяг води, укладеної в осадових породах, оцінюється В.Ф. Дерпгольц і іншими дослідниками приблизно в 200 млн км 3. а в кристалічних породах - 800 млн м 3. Вода і водні розчини, перебуваючи в гірських породах, є складовою частиною водної оболонки земної кулі, у вигляді пари вода міститься в повітрі і ґрунті, в складі живих організмів, бере участь в різноманітних геологічних процесах, в утворенні деяких мінералів, осадових і багатьох вивержених порід і корисних копалин.

Відомо, що нафту, газ і супроводжуючі їх води залягають в надрах, насичуючи пори, порожнечі, каверни, тріщини гірських порід. Гірські породи, здатні утримувати флюїди називають породамі- колекторами. Породи, які не здатні пропускати через себе флюїди, називають флюідоупорамі або водоупорами. Добрими колекторами для підземних вод є пухкі четвертинні відкладення - алювіальні і флювіогляціальние галечники і піски, пісковики, тріщинуваті вапняки і вивержені породи. Водоупорами служать глини, аргіліти, щільні вапняки, доломіт.

Пустотное простір гірських порід характеризується двома основними параметрами:

пористістю - часткою пустотного простору в загальному обсязі породи, яка виражається в% або частках одиниці;
проникністю - здатністю породи пропускати через себе рідини і гази при наявності перепаду тиску. Одиниця виміру проникності 1 дарсі = 1 мкм 2 або КГ 12 м 2.

За ступенем водопроникності гірські породи поділяються на шість груп:

Дуже високопроніцаемие - галька, гравій, пісок, інтенсивно закарстованниє породи;
Високопроніцаемие - грубозернисті і грубозернисті піски, тріщинуваті породи;
Проникні - разнозерністие глинисті піски, пісковики, мергелі, слабозакарстованние породи;
Слабопроницаемих - валунні суглинки, піщанисті глини, аргіліти, незакарстованние вапняки;
Вельми слабопроницаемих - глини, щільні нетріщинуватих, масивні породи вивержені і осадові;
Практично непроникні - щільні глини, гіпсоангідритові товщі, сіль.

Вода, що міститься в порах і пустотах порід, існує в різних агрегатних станах - рідкому, твердому (лід), пароподібному і надкритичному. За характером зв'язності рідка вода поділяється на вільну здатну до самостійних форм руху, різним залежно від конкретного виду води і пов'язану, нездатну до самостійних форм руху без переходу у вільний стан.

За новітніми класифікаційними схемами серед вільних вод виділяються: вода у вигляді пари (пароподібна), вільна гравітаційна вода (рідка), капілярна (вільна або слабо зв'язаної рідка), вода в надкритичному стані, сорбційно-замкнута вода (по А.А. Карцеву) ( малюнок нижче), вода в твердому стані.

Схема видів води в зоні аерації

Зони: I - аерації; II - капілярної облямівки; III - насичення; 1 - частка породи; 2 - молекули води у вигляді пари; 3 - частинки з неповною гігроскопічністю; 4 - частинки з гігроскопічної (а), пухко пов'язаної або плівкової (б) і гравітаційної (в) водою; 5 - частинки з адсорбированной (а), плівковою (б), капілярної стикового (в) водою; 6 - інфільтруючих вода; 7 - контур вирівнювання товщини плівки при русі води від частки А до частинки В з більш тонкою плівкою; 8- капілярна вода.

Вода в пароподібному стані поряд з іншими компонентами входить до складу грунтової атмосфери, існує у вигляді молекул Н2 О (комплексів Н2 О) в повітрі, що заповнює порожнечі в гірських породах при неповному їх насиченні рідиною, або у вигляді пароводяної суміші (парогідротерми), що утворюється з перегрітих (понад 100 ° С) підземних розчинів при різкому зменшенні тиску. У верхню частину літосфери водяна пара потрапляє з атмосферного повітря або формується при випаровуванні підземних вод (внутрігрунтового випаровування). Вільний рух молекул водяної пари здійснюється відповідно до зміни пружності водяної пари: від ділянок з більшою пружністю до ділянок з меншою пружністю (в зоні повного насичення) або в напрямку зміни температури при 100% відносній вологості повітря в зоні неповного насичення. При певних умовах внаслідок конденсації водяної пари на поверхні частинок гірських порід утворюється вода. До цього типу води можна віднести гигроскопическую воду - пари води, поглиненої з повітря. Вона не підпорядковується силі тяжіння, що не передає гідростатичний тиск, не володіє розчинюючої здатністю, замерзає при температурі -78 ° С, вона недоступна рослинам і при нагріванні до 100-105 ° С повністю видаляється.

Вільна гравітаційна вода - вода в крапельно-рідкому стані, в проникних породах сверхкапіллярних порах, передає гідростатичний тиск, містить розчинені солі і гази, завжди знаходиться в русі під дією сили гравітації або градієнта гідростатичного тиску. Мінералізація від декількох грамів до 35 г / дм 3. При температурах нижче нуля гравітаційна вода замерзає і міститься в породах, пустотах у вигляді льоду, кристалів льоду, прошарку, граючи роль цементу.

Капілтрная вільна або слабо зв'язаної вода заповнює капілярні пори і при повному їх заповненні передає гідростатичний тиск і знаходиться під дією сили гравітації, а при неповному заповненні підпорядковується лише силам поверхневого натягу води (меніскові сили).

Вода в надкритичному стані - це вода з температурою і тиском вище критичних. Для чистої води критична температура дорівнює 374 ° С, тиск - 2,2 * 10 4 кПа. При високих концентраціях розчинених речовин критична температура зростає до 450 ° С, а тиск до 3,5 * 10 4 кПа. При температурі і тиску вище критичних швидкість руху молекул Н2 Про наближається до швидкості руху молекул газу, тобто можна вважати, що тут відсутні відмінності між рідиною і газом. При зниженні тиску надкрітіческіх вода переходить в рідину або пар, збільшуючись в обсязі в 1,5-2 рази (Основи гідрогеології. Т. I. 1980).

Сорбційно-замкнута вода - крапельно-рідка вода (заповнює в основному глини), ізольована від основної маси води, що насичує породу, шарами пов'язаної, або стикового, води (по А.А. Карцеву, 1972). За фізичними властивостями капілярна, сорбційно-замкнута і вільна гравітаційна вода практично не розрізняються.

Пов'язаної називається вода, різним чином пов'язана з поверхнею мінерального скелета (часток) породи або входить до складу породоутворюючих мінералів і становить понад 40% всієї води в породі. Пов'язані води утримуються на поверхні мінеральних зерен силами молекулярного зчеплення або водневими зв'язками, утворюючи шар в кілька сотень діаметрів молекули води під дією електростатичних сил і сил поверхневого натягу, і називаються фізично пов'язаними водами. Пов'язані води цілком заповнюють деякі субкапіллярние пори і знаходяться під стінами порових каналів великого діаметру. Щільність води становить 1,2-1,4 г / см 3. вона відрізняється за своїми властивостями від вільної води. Рух зв'язаної води відбувається в бік падіння електричного потенціалу. Вона замерзає при температурі, близькій до -4 ° С. Пов'язана вода ділиться на прочносвязанная і слабо зв'язаної (рихлосвязанной), фізично і хімічно пов'язану.

Серед фізично зв'язаної води виділяють: прочносвязанная або адсорбовану; рихлосвязанной або ліосорбірованную; капілярну, осмотичну і стикового води (Е.М. Сергєєв і ін.).

Рихлосвязанная (ліосорбірованная) вода підпорядковується впливу сил ліосорбціі, утворює плівку на стінках порожнин (плівкова вода утримується молекулярними силами), пересувається в рідкому вигляді в межах плівки, в напрямку меншої концентрації і не передає гідростатичного тиску. Її щільність близька до щільності вільної води (рисунок нижче).

Знаходження води в породах

1 - молекули води; 2 - плівкова вода; 3 - вільна вода; 4 - частинки порід

Осмотична вода формується на зовнішньому кордоні плівки прочносвязанной води в результаті проникнення молекул води з грунтових розчинів з відносно більш високою концентрацією катіонів поблизу поверхні частинок і підпорядковується осмотическим силам. Растворяющая її здатність низька, рухливість близька до рухливості вільної води, по властивостях і структурі вона не відрізняється від вільної води, слабо пов'язана з частинками породи.

Капілярна вода утримується в капілярних порах і тріщинах мінерального скелета під дією меніскових сил (сил поверхневого натягу). При повному їх насиченні може передавати гідростатичний тиск, при частковому їх заповненні підпорядковується менісковий силам, здатна пересуватися за рахунок різниці температур (від холоду до тепла), розчиняти і переносити солі. Температура замерзання нижче 0 ° С (від -6 до -19 ° С). виділяють:

капілярно роз'єднану (стикове) воду, що утворюється на стиках мінеральних зерен;
капілярно-підвішену воду, яка формує при просочуванні через поверхню землі в капілярні порожнечі грунтового шару і тонкодисперсних порід (піски, однорідні товщі) і утримується силами поверхневого натягу в «підвішеному» стані, не досягаючи верхньої межі повного насичення;
власне-капілярну чи капілярно-підняту воду, яка утворюється в результаті підйому води під дією сил поверхневого натягу по капілярних пустотах вгору над вільним рівнем підземних вод, утворюючи під грунтовими водами капілярну облямівку. Висота підняття води визначається розмірами порожнин, структурою порового простору, дисперсністю порід. В пісках вона дорівнює в середньому 50 см, а в супісках і глинистих породах 2-3 м. Ця вода передає гідростатичний тиск, не пересувається під дією сили тяжіння, по ряду властивостей відрізняється від вільних вод. Вона не замерзає при температурі -12 ° С. Хімічно пов'язані води входять до складу мінералів на відміну від перерахованих форм фізично пов'язаних вод. Щоб видалити хімічно зв'язану воду з мінералу, його слід нагріти приблизно до 200 ° С, що може привести до розпаду мінералу. Серед цих вод виділяють: кристаллизационную, конституційну, цеолітів, оклюдованого або вакуольна воду.

Кристаллизационная (кристаллогидратной) вода входить до складу кристалічної решітки мінералів в постійній кількості, наприклад вона входить до складу гіпсу CaSО4 - 2Н2 О, гідроксидів СаО * Н2 О і ін. Вона може бути видалена з кристалічної решітки мінералу без повного руйнування мінералу, а при переході з однієї форми в іншу (гіпс → ангідрит CaSО4. монтмориллонит → Ілліт).

Конституційна вода міцно входить до складу кристалічної решітки мінералів, виділяється лише при повному руйнуванні мінералів при температурах 450-500 ° С.

Цеолітні вода міститься в мінералах в непостійних кількостях (наприклад, в цеолітах, опалі SiО2 * NН2 О), мінералах, близьких до польових шпатам, але відрізняються від них структурою кристалічної решітки (об'ємний каркас з кремнекислородних і алюмокисневі груп). До цеолітні відноситься зв'язана вода, яка перебуває в міжшарових проміжках глинистих мінералів (монтмориллонита, иллитом) і звана межслоевой (межпакетное) водою. Її кількість може досягати до 24% маси мінералу (монтморилоніт). При нагріванні або підвищенні тиску вона виділяється без зміни структури мінералів.

Особливе місце займає вода, що знаходиться в мінералах у вигляді включень в абсолютно замкнутих порожнинах (оклюдованого, або вакуольна вода).

Вакуольна (оклюдованого) вода - крапельно-рідка вода, що знаходиться в вигляді включень в абсолютно замкнутих порожнинах (вакуолях). За своїми властивостями вона близька до вільної води, так як містить і розчинені речовини.

Таким чином, вода в різних формах заповнює пори і порожнечі гірських порід, обволікає окремі мінерали і пронизує все тверде мінеральне речовину. Вона знаходиться як в проникних породах, так і в водонепроникних. Компоненти водомісткими осадової породи утворюють єдину систему, що включає підсистеми:

тверду фазу - скелет, цемент, обмінний комплекс;
рідку фазу - води, водні розчини, нафта;
газову фазу (по А.А. Карцеву).

Вільні води являють собою водні розчини, які можна розглядати як систему розчинник - розчинена речовина.