3.3 Влагоемкость и влагоотдача горных пород

3.3.1 Виды влагоемкости

Полная влагоемкость – свойство пород удерживать раз­ный максимально возможный объем V_в воды на определенный объем V_с сухой породы. Характеризуется коэффициентом полной влагоемкости _п:

.

(3.3)

При этой влагоемкости у ненабухаю­щих пород 10–20 % порового объема может быть занято за­щемленным воздухом. У набухающих пород объем воды превы­шает V_пор сухой породы. Это объясняется проникновением воды (межслоевая вода) между пакетами кристаллической решетки некоторых минералов породы: монтмориллонита, вермикулита, гидратных форм галлуазита и др.

Свободная вода вместе со связанной или практически наце­ло связанная вода находится в резервуарах подземных вод, представляющих обособленное геологическое тело, содержащее воду (например, пласт).

Гидрогеологическими резервуарами более высокого порядка являются артезианские бассейны. Здесь мощная толща осадоч­ных пород сложена чередующимися коллекторами и водоупорами.

В фундаменте содержатся резервуары трещинной и жильно-трещинной структуры. К сложным резервуарам фундамента от­носятся гидрогеологические массивы – выходы на поверхность или горные поднятия обычно кристаллических пород, в которых обнаруживаются водоносные «зоны» трещиноватости и трещин. Есть и другие резервуары подземных вод.

В пределах континентальных платформ преобладают круп­ные артезианские бассейны и меньше гидрогеологических массивов, в складчатых регионах наблюдается обратная картина.

В бассейнах пластовых вод сверху вниз изменяются ионно-солевой состав и минерализация подземных вод. Здесь выделя­ются гидрохимические зоны: А – пресных вод с минерализацией до 1 г/кг (1 г/л), имеющая подзоны весьма пресных, нормально пресных и жестких пресных вод; Б – соленых вод с минерали­зацией от 1 до 35 г/кг (36 г/л), которая делится на подзоны со­лоноватых, слабосоленых и сильно соленых вод; В – рассолов с минерализацией от 35 г/кг (36 г/л) до >420 г/кг (>500 г/л), содержащая подзоны весьма слабых, слабых, крепких, весьма крепких и предельно насыщенных рассолов.

Гидрохимические зоны и подзоны в вертикальном разрезе бассейнов пластовых вод располагаются в разной последова­тельности. То или иное их сочетание, отражающее гидрохимиче­ский разрез на всю мощность осадочного чехла бассейнов, на­зывается гидрохимическим поясом.

Пояса могут быть однозональными (А), двухзональными (АБ) и трехзональными (АБВ). Однозональный пояс, как правило, окружает краевые части артезианских бассейнов, двухзональный находится во внутреннем поле, а в центральной части обнаруживаются все три зоны. Мощность зон различных вод изменяется в разных и широких пределах. Минерализация подземных вод нередко хорошо соответствует их ионно-солевому составу. Пресные воды обычно являются гидрокарбонатными, соленые – сульфатными, а рассолы – хлоридными.

К нормальному гидрохимическому разрезу относят такой, у которого сверху вниз возрастает минерализация и имеется следующая тенденция в изменении зон АБВ или ионно-солевого состава: . Нередко наблюдается и иная последовательность в распределении гидрохимических зон, называемая гидрохимической инверсией. Уменьшение минерализации вод с глубиной встречено в молодых артезианских бассейнах Закавказья, Предкавказья, Средней Азии и на некоторых месторождениях Западной Сибири.

Полную влагоемкость породы имеют ниже уровня грунтовых вод. Выше этого уровня обычно находится зона неполного насыщения пород водой, разделяющаяся на подзоны капиллярной, подвешенной, максимально гигроскопической и гигроскопической влагоемкости. Зона неполного насыщения пород водой может отсутствовать в районах с влажным климатом, где уровень грунтовых вод в толщах глинистых пород часто совпадает с земной поверхностью. Ширина этой зоны в других районах непостоянна, так как положение уровня грунтовых вод колеблется в зависимости от климатических условий и свойств пород.

Капиллярная влагоемкость – свойство пород удерживать разный объем V_вк воды связанной и капиллярно-подпертой на определенный объем V_c сухой породы.

Характеризуется коэффициентом капиллярной влагоемкости _к:

.

(3.4)

Капиллярно-подпертой называют воду, находящуюся в капиллярных порах, сообщающихся с уровнем грунтовых вод.

Высота капиллярной подзоны у крупно- и среднезернистых песчаных пород достигает 0,30,6 м; у менее отсортированных их разностей с преобладанием алевритовой фракции 1 м и у сильно глинистых пород до 23 м.

Подвешенная влагоемкость – свойство пород удерживать различный объем связанной V_в.св или капиллярно-подвешенной V_в.под воды на определенный объем V_c сухой породы.

Характеризуется коэффициентом подвешенной влагоемкости _под:

.

(3.5)

Подвешенная влагоемкость обнаруживается в толщах обломочных пород на меньшей глубине, чем капиллярная, где про­цесс испарения влаги интенсивнее процесса ее капиллярного подъема и в порах этих толщ меньше воды и больше воздуха, чем в подзоне капиллярной влагоемкости.

В подзоне максимальной гигроскопической влагоемкости тех же отложений, следующей за подзоной подвешенной влагоемкости, еще меньше воды и больше влажного воздуха, вода находится совсем близко от земной поверхности, и процессы ее испарения в атмосферу здесь еще интенсивнее.

Максимальная гигроскопическая влагоемкость – это свойство пород поглощать из воздуха при его относительной влажности >94% и удерживать различный объем V_в.мг прочносвязанной и стыковой воды на определенный объем V_c сухой породы.

Максимальная адсорбционная влагоемкость – это свойство пород поглощать из воздуха при его относительной влажности около 55% и удерживать объем влаги, необходимой для создания максимального количества прочносвязанной воды.

Гигроскопическая влагоемкость наблюдается в дневное время у иссушенных солнцем пород верхней части зон аэрации пустынь и полупустынь.