8. Виды воды в горных породах, свойства этих видов. Водные свойства горных пород.

Основные виды воды в г.п: парообразная, гигроскопическая, пленочная, гравитационная, капиллярная, химически связанная и вода в твердом состоянии. Парообразная вода заполняет вместе с воздухом все не занятые водой поры и тещины в г.п. Пары воды, заключенные в воздухе, находятся в состоянии, близком к насыщению, за исключением верхних слоев, подверженных периодическому иссушению. Кол-во паров в г.п. обычно не превышает и неск-их тысячных долей процента от массы пород. В определенных условиях пары воды могут конденсироваться и переходить в жидкое состояние. Гигроскопическая в. Образуется на поверхности частиц г.п. путем конденсации и адсорбции парообразной почвенной воды. Эта вода прочно удерживается на поверхности частиц молекулярными и электрическими силами и может быть удалена только при темпер. 105-110С. Передвижение гигроскоп. в. Возможно лишь при ее предварительном переходе в парообразное состояние. В зависимости от кол-ва удерживаемой на частицах г.п. гигроскоп. в. Различают гигроскоп неполную. Наличие гигроскоп в. в породе незаметно для глаз. Пленочная вода образуется на частицах г.п. при влажности, превышающей максимальную гигроскопичность. Поверхность частиц как бы обволакивается пленкой воды толщиной в неск-ко молекулярных слоев покрывающей гигроскоп-ую влагу. Пленочная вода удерживается на частицах породы силами молекулярного сцепления, причем наиболее прочно связывается самый тонкий слой воды, непосредственно прилегающий к частице. По мере увеличения толщины пленки действие удерживающих сил заметно уменьшается, на поверхности пленки оно незначительно. Влажность пород, отвечающая мах толщине пленки, соответствует мах молекулярной влагоемкости. Наличие пленочной в. в породах заметно для глаза, т.к. породы приобретают при этом более темную окраску. Плен.в. способна передвигаться как жидкость от более толстых пленок к более тонким. Она не подчиняется действию силы тяжести и не передает гидростатического давления, обладает пониженной способностью к растворению солей и малой подвижностью. При увеличении толщины пленки до размеров, не обеспечивающих удержание ее внешних слоев, плен в. переходит в свободную, к-ая под действием силы тяжести будет стекать с частиц породы, являясь источником пополнения гравитационных подземных вод. Гравитационная в.- свободная вода , не подверженная действию сил притяжения к поверхности частиц г.п. Она подчиняется действию силы тяжести и способна передавать гидростатического давления. Свободная гравитационная вода передвигается ч-з пористое пространство и трещины в г.п., как в ненасыщенных водой (в зоне аэрации), так и в зоне насыщения. В зоне аэрации гавит-ая в. образуется путем проникновения атмосферных осадков и поверх-ых вод, а также путем перехода в капельно- жидкое состояние других видов воды (парообр, пленоч, капилляр, твердой). В зоне насыщения гравит-ая в. образует водоносные горизонты, харак-ся определенными гидродинамическими особенностями. Капиллярная в. заполняет капиллярные поры, стыки и тонкие, трещины в г.п. и удерживается силами поверхностного напряжения. В зависимости от расположения и связи кпил-ой в. с гравит-ой в. зоны насыщения выделяют следующие три их вида: подвешенные, стыковые и капиллярной каймой. Подвешенные к.в.- это воды, удерживаемые в капиллярных породахи трещинах силами поверхностного натяжения и не имеющие связи с уровнем грунтовых вод зоны насыщения. Стыковые к.в. образуются в углах пор и в стыках минеральных частиц под влиянием капиллярных сил. Воды капиллярной каймы образуются при наличии грунтовых вод в зоне насыщения путем капиллярного поднятия в зону аэрации. Химически связанная в. принимает участие в строении кристаллической решетки минералов. Она бывает цеолитной, кристаллизационной и конституционной. Цеолитная в входит в виде молекул в состав минералов и может быть удалена при незначительном нагревании без их разрушения. Кристалл-ая конст-ая в. входит в состав кристаллической решетки минералов в строго опеделенном кол-ве и может быть выделена из них при высокой темпер.(300С). Вода в твердом состоянии- в виде кристаллов, прослоек и линз льда- широко распространена в зоне многолетней мерзлоты.

Категории воды в горных породах

Вода в горных породах находится в сложном взаимодействии с их минеральным каркасом. Различают 4 категории воды в породах, все эти категории присутствуют в породах совместно, границы и соотношения между ними условны и постоянно изменяются:

1. В форме пара

2. Химически связанная вода

2.1 Кристаллизационную CaSO4*2H2O (гипс), теряют воду при прокаливании до 200 – 600°С

2.2 Конституционную Al4Si4O10(OH)8 (каолинит), теряют воду при прокаливании до 400 – 1000°С

3. Физически связанная вода

3.1 пленочная

3.1.1 прочносвязанная

3.1.2 рыхлосвязанная

3.2 Капиллярно-удержанная

4. Свободная вода

В порах горных пород содержится ничтожное количество пара. Однако его значение для процессов образования различных форм влаги чрезвычайно велико. Фазовые превращения водяного пара, результатом которых является термическая или молекулярная конденсация (происходящая вследствие молекулярного взаимодействия частиц грунта и паров), ведут к образованию на поверхности частиц прочносвязанной воды.

Химически связанная вода подразделяется на кристаллизационную воду, которая присутствует в минералах горных пород в виде молекул Н2O, входящих в кристаллы, и на конституционную, в виде ионов кристаллической решетки минералов алюмосиликатного состава, в первую очередь глинистых минералов.

К физически связанной воде относят ту часть воды в поровом пространстве породы, которая остается в нем благодаря взаимодействию молекул воды с поверхностью минерального скелета породы, а также в результате влияния капиллярных сил. Физически связанную воду можно удалить полностью путем высушивания и экстрагирования образца, частично — центрифугированием, капиллярным вытеснением или капиллярным впитыванием. Физически связанную воду подразделяют на пленочную и капиллярно-удержанную.

Пленочная вода представлена полислоями ориентированных молекул воды, расположенных вдоль поверхности твердой фазы частиц минерального скелета породы. Физические свойства пленочной воды отличны от свойств свободной воды — плотность и вязкость пленочной воды выше, чем свободной, температура замерзания и растворимость солей ниже, удельная электропроводность пленочной и свободной воды также различны. В основании пленочной воды на поверхности твердой фазы находится монослой адсорбированных молекул воды и обменных катионов.

Молекулы монослоя строго ориентированы и малоподвижны. Следующий слой образован также ориентированными молекулами воды, однако строгость ихориентации и энергия связи с поверхностью меньше, чем молекул первого монослоя. Считают, что по мере удаления от границы раздела твердая фаза — жидкость, свойства пленочной воды плавно изменяются, приближаясь к свойствам свободной воды. Однако доказано, что при переходе от первых двух-трех слоев к последующим свойства воды меняются резко, что позволяет выделить слой прочносвязанной воды (2—3 монослоя) с наиболее аномальными по отношению к свободной воде свойствами.

К прочносвязанной воде относят молекулы воды и гидратные оболочки катионов, поглощаемые межслоевым пространством кристаллов монтмориллонита и других смешанно-слойных глинистых минералов. Прочносвязанная вода имеет плотность 1,3—1,5 г/см3, характеризуется температурой замерзания -74°С, практически не растворяет соли. Удаление прочносвязанной воды, в том числе и межслоевой, происходит при температуре 105 — 160 °С.

Рыхлосвязанная вода имеет плотность не более 1,1— 1,2 г/см3. Температура замерзания ее составляет -4 °С, она обладает способностью к растворению солей, но более низкой, чем свободная вода. При сушке рыхлосвязанная вода удаляется при Т = 105оС