3.1 Види води в гірських породах та умови їхнього знаходження

Завдяки унікальній розчинній здатності води, у природних умовах вона завжди містить певну кількість розчинених мінеральних і органічних речовин, тому під терміном „природні води” завжди розуміють саме такі розчини.

Серед різновидів води і водних розчинів, що знаходяться в гірських породах, виділяють вільну гравітаційну воду у рідкому стані, вільну капілярну воду у рідкому стані, сорбційно-замкнену, адсорбовану (слабко зв’язану – ліосорбовану та міцно зв’язану – пендулярну), воду у твердому стані (лід), пароподібну, цеолітну, кристалізаційну та конституційну воду мінералів.

Вільна гравітаційна вода у рідкому стані заповнює надкапілярні, розміром понад 0,50 мм пори і порожнини порід-колекторів, передає гідростатичний тиск і здатна рухатися під його дією.

Капілярна вода, вільна або слабко зв’язана, знаходиться у капілярних порах і тріщинах, розміром 0,50 –0,0002 та 0,25 – 0,0001 мм відповідно та за суцільного їх заповнення може передавати гідростатичний тиск. У капілярних порах і тріщинах рідини та гази можуть рухатися під дією капілярного тиску.

Сорбційно-замкнена вода знаходиться у рідкій фазі, вона ізольована плівками зв’язаної води від основної її маси, що насичує породу. Фізичні властивості капілярної, сорбційно-замкненої і вільної гравітаційної води суттєво не відрізняються.

Зв’язана вода утримується на поверхні мінеральних частинок породи силами молекулярного зчеплення і водневими зв’язками, утворюючи плівку, товщиною у кілька десятків чи сотень діаметрів молекули води. Зовнішня частина цієї плівки слабко зв’язана з породою і від вільної води відрізняється низкою фізичних властивостей. Зв’язані води повністю заповнюють субкапілярні пори і знаходяться також при стінках порових каналів більшого діаметра. Ці води притаманні як водопроникним так і водотривким породам – глинам, щільним вапнякам тощо.

У місцях зближення мінеральних зерен породи плівка зв’язаних вод товстішає, тому що там знаходиться стикова вода.

Міцнозв’язана адсорбована (плівкова) вода утворює на поверхні мінеральних зерен породи мономолекулярну плівку, або плівку, товщиною у декілька молекул.

На відміну від фізично зв’язаних, хімічно зв’язані води входять до складу мінералів. За ступенем міцності зв’язків з мінеральною речовиною розрізняють цеолітну, кристалізаційну і конституційну води.

Особливе положення займає вода, що знаходиться у включеннях мінералів – оклюдована або вакуольна, близька за властивостями до вільної води.

Цеолітна вода входить до складу деяких мінералів у вигляді молекул Н₂О, розташованих у порожнинах кристалічної ґратки мінерала. Кількість молекул цеолітної води відносно неводних молекул мінерала може змінюватися в широких межах без зміни кристалічної ґратки і фізичної однорідності речовини. Цеолітна вода усувається нагріванням без руйнування кристалічної ґратки і знову повертається до неї при зволоженні.

Кристалізаційна вода входить до складу кристалічної ґратки мінералів у постійній кількості у вигляді цілого числа молекул Н₂О. Кількість молекул води відносно неводних молекул для даного мінерала є постійною. Кристалізаційна вода може бути усунута нагріванням, при чому кристалічна ґратка руйнується і зневоднений мінерал перетворюється в інший, наприклад, двоводний гіпс – у безводний ангідрит.

Конституційна вода знаходиться у молекулі мінерала у вигляді іонів Н⁺ і ОН^-, які можуть бути усунуті тільки при цілковитому руйнуванні мінерала, нагрітого до температури понад 400 ^оС або хімічним шляхом. На думку частини дослідників конституційну воду не слід вважати власне водою, тому, що це фактично гідроксильні групи.

Особливе місце належить водам, що знаходяться у земній корі у вигляді льоду і пари. Підземний лід розташований у кріолітозоні (зоні багаторічної мерзлоти), а пара – у вулканічних областях та газових скупченнях у зоні насичення. На великих глибинах при високих пластових тисках у літосфері присутні також перегріті води у рідкому стані.

Таким чином, різноманітні форми води заповнюють порожнини в гірських породах, обволікають окремі мінеральні зерна порід і пронизують твердий мінеральний скелет породи. Вода знаходиться у водопроникних породах-колекторах – пісках, пісковиках, пористих, тріщинуватих і кавернозних вапняках, мергелях і доломітах, тріщинуватих магматичних і метаморфічних породах, та у практично водонепроникних породах – водотривах. Наприклад, у водонепроникних глинах може знаходитися понад 40 % за масою води – головним чином сорбційно-замкненої і зв’язаної води різних видів, що можуть переходити у вільний стан при підвищенні температури і стискуванні породи.

Головним об’єктом вивчення гідрогеології є вільні води в породах-колекторах, які з водами літогідросфери назагал становлять єдине ціле. Між окремими їхніми видами можливі взаємні переходи: вільні води можуть зв’язуватися мінеральними зернами породи, а зв’язані – переходити у вільний стан. Нафтогазова гідрогеологія тою чи іншою мірою вивчає усі види підземних вод, які можуть впливати на формування покладів вуглеводнів, процес їхнього розроблення і видобування.

Вільні та деяка частина зв’язаних вод є водними розчинами, які можна розглядати, як систему: „розчинник – розчинена речовина”, котра складається з іонів, молекул солей та їхніх агрегатів, водорозчинених газів (ВРГ) і водорозчинених органічних речовин (ВРОР).