2. Виды воды в горных породах с позиций задач динамики подземных вод

Вода, заполняющая поры и трещины в горных поро­дах, может быть связанной и свободной.

Связанная вода притянута силами молекулярного взаимодействия к минеральному скелету; она наиболее характерна для глинистых пород - мелкодисперсных сис­тем с огромной удельной поверхностью, в которых разви­ваются связи особого — водоно-коллоидного — типа. Согласно современным представлениям [18], вокруг от­рицательно заряженных глинистых частиц группируются свободные катионы и дипольно ориентированные моле- куля воды. Они образуют адсорбционный слой, вокруг которого располагаются катионы диффузного слоя, более удаленные от частицы и связанные с нею менее прочно. Ионы диффузного слоя, толщина которого составляет 1-10 мм, также удерживают дипольно ориентированные молекулы воды. Соответственно, вода адсорбционного слоя является прочно связанной, а вода диффузного слоя - рыхло связанной: она способна передвигаться от одной частицы к другой под воздействием молекулярных сил. С ростом температуры и давления толщина диффузного слоя и количество связанной воды убывают, причем осо­бенно резкие изменения отмечаются при температурах 60-70°С [18]. Толщина диффузного слоя убывает также при замене более активных катионов этого слоя менее активными.

Максимальное относительное количество связанной воды в единице объема горной породы определяется мак­симальной молекулярной влагоемкостью W_M. В трещино­ватых породах и в чистых песках величина W обычно составляет малую долю от общего объема влаги (не более нескольких процентов), в то время как в некоторых гли­нах почти вся вода может оказаться представленной свя­занными разностями и величина W_M практически равна полной влагоемкости породы.

Из сказанного выше понятно, что величина W_M долж­на существенно зависеть от давления, температуры и хи­мического состава воды (состава обменных катионов).

С точки зрения изучаемых нами процессов связанная вода характеризуется сильными аномальными свойства­ми: у нее повышены вязкость и плотность; в общем балан­се сил, действующих на нее, силы гравитации и гидроста­тического давления (т.е. те силы, которыми определяется в первую очередь движние свободной воды) играют отно­сительно подчиненную роль и практически не влияют на характер ее перемещения. Поэтому в дальнейшем мы будем условно относить связанную воду к минеральному скелету.

Условность такого отнесения определяется отмченной зависимо­стью объема связанной воды от температуры и состава обменных катионов. Кроме того, часть рыхло связанной воды может быть уда­лена из горной породы механическим путем — посредством сжатия породы под большим дополнительным давлением. Однако характер­ные величины давлений (порядка сотен мегапаскалей) существенно превышают те значения, с которыми приходится сталкиваться в вер­хней части земной коры. Наконец, часть связанной воды может пе­ремещаться в пределах гидратных оболочек при их деформировании под влиянием дополнительных нагрузок.

Свободная вода характеризуется практическим от- сутствим связей с минеральным скелетом и может быть подразделена на три категории: гравитационная, капил­лярная и иммобилизованная [22].

Гравитационная вода заполняет поровое и трещин­ное пространство тех горных пород в зоне насыщения, которые принято называть водоносными (заметим попут­но, что породы зоны насыщения могут содержать в порах не только воду, но и воздух, однако последний не образует самостоятельной непрерывной фазы: он «защемлен» в порах или растворен в воде). Гравитационная вода обла­дает всеми основными свойствами капельно-жидкой во­ды; в частности, она передает непрерывно гидростатиче­ское давление и приходит в движение под влиянием пере­пада гидростатических напоров.

Капиллярная вода находится в зоне действия капил­лярных сил, возникающих на контакте двух внутрипоро- вых фаз- воды и воздуха. В водонасыщенных горных породах капиллярная вода заполняет поры или мелкие трещины на участках, расположенных непосредственно над уровнем свободной поверхности подземных вод: ее существование здесь в виде так называемой капиллярной каймы обусловлено уже отмеченной в разделе 1.1 способ­ностью воды подниматься по тонким капиллярам над сво­бодным уровнем (т.е. над уровнем, где давление в жидко­сти равно атмосферному). Единственное отличие капил­лярной воды в пределах упомянутой каймы от гравитаци-

* Кроме той его части, которая занята связанной водой.

онной заключается в том, что гидростатическое давление здесь меньше атмосферного. Верхняя граница капилляр­ной каймы h_K отсекаетсяjio довольно резкому изменению степени водонасыщения (рис. 1.10): в породе появляется воздух в качестве самостоятельной непрерывной фазы, так что выше этой границы свойства капиллярной воды существенно иные (см. раздел 6.8).

ВОПРОС. Почему уровень воды в открытом пьезометре не фик­сирует капиллярной каймы?

К категории иммобилизованной воды относится та часть свободной воды, для перемещения которой недоста­точно любого (сколь-угодно малого) перепада напоров.

В целях упрощенного понимания представим себе капилляр (рис. 1.11) с местным сужением АА'. Если диаметр капилляра на участке АА' таков, чтоонвесь перекрыт связанной водой, то свободная вода выше точки А г к может оказаться «запертой»

(иммобилизованной). При приложении дополнительно­го перепада гидростатическо­го давления оболочка связан- ,

Р=0

Р<0

ной воды может деформиро- ваться, и иммобилизованная вода получит возможность пройти через участок АА'. 0

р>0

W

Очевидно, между иммобилизованной и рыхло связанной водой нет резкого перехода,

так что разница между Рис. 1.10. Характерная кривая из- НИМИ определяется ДО- менения влажности вблизи капил- вольно условно: иммо- лярной каймы билизованная вода час­тично отжимается из горной породы под сравнительно малыми дополнительными давлениями, характерными для верхней части земной коры (порядка первых атмос­фер).