§ 2. Виды воды в горных породах

В порах и трещинах горных пород всегда содержится вода в парообразном, жидком или твердом состоянии. Существуют различные классификации видов воды в горных породах.

В гидрогеологии и инженерной геологии принята классификация, которая была предложена А. Ф. Лебедевым (1930 г.), а затем уточнена в соответствии с новейшими представлениями о природе воды, строении ее молекулы и характере физико-химического взаимодействия воды с минеральными частицами пород:

1. Вода в состоянии пара.

2. Физически связанная вода:

1) прочно связанная, или адсорбированная, вода;

2)рыхло или слабо связанная вода.

3. Свободная вода:

1) капиллярная;

2) гравитационная.

4. Вода в твердом состоянии.

5. Вода в кристаллической решетке минералов:

1) конституционная;

2) кристаллизационная;

3) цеолитная.

Вода в состоянии пара. Эта вода заполняет свободную часть пор в зоне аэрации. Под влиянием изменения температуры и давления парообразная влага может превращаться в капельножидкое состояние — конденсироваться или, наоборот, жидкая вода превращается в парообразное состояние. Тем самым парообразная влага в порах пород находится в постоянном динамическом равновесии с другими видами воды и с парами воды в атмосфере. Физически связанная вода. Такая вода присуща преимущественно глинистым породам; в скальных и раздельнозернистых породах она практического значения не имеет. Подразделяется на прочно связанную, или адсорбированную, и рыхло или слабо связанную воду. Образование физически связанной воды обусловливается наличием у мелкодисперсных глинистых минералов, входящих в состав глинистых пород, поверхностной энергии, природа которой электростатическая. Электростатическое поле, образующееся на поверхности мелкодисперсных минералов, как правило, имеет отрицательный заряд. При взаимодействии мелкодисперсной частицы с водой молекулы воды, являясь жесткими диполями, притягиваются к поверхности частицы положительными концами. Помимо молекул воды к поверхности минеральной частицы притягиваются и катионы из поровой воды. Поровая вода — жидкая фаза, заполняющая поры породы; представляет собой водный раствор различных солей.

Молекулы воды и катионы, непосредственно ориентированные поверхностью частицы, прочно связаны с ней; эту воду нельзя отделить от частицы даже силами в несколько тысяч атмосфер, и она перемещается в порах породы только в виде пара. Ее называют прочно связанной, или адсорбированной. Наибольшее количество прочно связанной воды называется максимальной гидроскопической влагоемкостью; в песчаных грунтах она не превышает 1-2%, а в глинистых достигает 20%.

Если бы не проявлялось молекулярное тепловое (броуновское) движение, то около грунтовой частицы образовался бы неподвижный, адсорбционный слой катионов и молекул воды. Но тепловой эффект обусловливает образование около частиц слоя подвижных катионов, которые в совокупности с катионами неподвижного слоя гасят заряд частицы. Подвижный слой катионов называется диффузным; катионы диффузного слоя называются обменными, или поглощенными. Обменные катионы способны обмениваться с катионами порового раствора; этот процесс называется ионным обменом. Ионный обмен, широко распространенный и существенно влияющий на физико-механические свойства глинистых пород, имеет большое практическое значение. Общее количество ионов диффузного слоя глинистой тонкодисперсной частицы, способных к обмену с катионами порового раствора в данных условиях, называют емкостью обмена, или поглощения, породы. Количественно емкость обмена выражают в миллиграмм-эквивалентах на 100 г сухой породы.

От состава обменных катионов в значительной степени зависят физико-механические свойства глинистых пород и тем заметнее, чем больше емкость поглощения. Глины, насыщенные натрием, очень сильно набухают в воде, имеют малое сцепление, при действии внешней нагрузки сильно сжимаются; в сухом состоянии обладают значительной связностью и прочностью.

Глины, диффузный слой которых состоит из ионов кальция, слабее набухают в воде, под нагрузкой они меньше сжимаются и имеют ряд других удовлетворительных механических свойств.

Искусственно меняя состав обменных катионов, можно изменять физико-механические свойства глинистых пород в желаемом для практических целей направлении, что широко используется в практике мелиорации грунтов.

Катионы диффузного слоя также притягивают к себе диполи воды и около них в свою очередь образуется гидратная оболочка. Вода диффузного слоя называется рыхло связанной. Энергия связи между частицей и катионами диффузного слоя, а тем самым и рыхло связанной водой интенсивно убывает по мере удаления от поверхности частицы. Рыхло связанная вода называется также пленочной; вместе с прочно связанной она, по А. Ф. Лебедеву, называется молекулярной водой. Максимальное количество молекулярной воды, удерживаемой данной породой в данных условиях, А. Ф. Лебедев назвал максимальной молекулярной влагоемкостью.

Эта влагоемкость примерно соответствует влажности нижнего предела пластичности.

Максимальное содержание связанной в глине воды, образующейся за счет различных видов взаимодействия диполей воды с поверхностью частиц, соответствует влажности верхнего предела пластичности и влажности набухания.

Характерными свойствами рыхло связанной воды являются: более медленное по сравнению со свободной водой передвижение (в основном она передвигается по породам от мест с большей толщиной пленок к местам с меньшей их толщиной); прямая зависимость скорости ее передвижения от температуры; пониженная способность растворять соли (растворенные в ней соли передвигаются независимо от передвижения самой воды); замерзание при температуре ниже нуля, причем температура замерзания понижается тем больше, чем более дисперсны частицы; гидростатического давления рыхло связанная вода не передает.

Наличие в глинистых породах рыхло связанной воды придает им ряд важных свойств: липкость, пластичность, набухание, усадку и др.; физико-механические свойства данных пород (сопротивление сжатию и сдвигу) изменяются в обратной зависимости от количества рыхло связанной воды.

Свободная вода. Капиллярная вода заполняет капиллярные пустоты в породах; она поднимается от уровня подземных вод вверх по капиллярным пустотам под действием силы поверхностного натяжения на границе раздела воды и воздуха, образуя выше уровня подземных вод зону капиллярного насыщения и отделяясь от зоны аэрации капиллярной каймой.

Гравитационная вода — подземная вода, движущаяся в порах и трещинах горных пород под действием силы тяжести. Гравитационная вода обладает всеми свойствами, присущими обычной воде: растворяющей способностью, передает гидростатическое давление, оказывает при движении механическое воздействие на породы. Гидростатическое давление воды, находящейся в порах пород, уменьшает вес скелета породы по закону Архимеда и оказывает взвешивающее давление на подошву сооружений, построенных на водопасыщенных породах. Механическое действие движущейся воды на породы проявляется в выносе мелких частиц из рыхлых несвязных пород на откосах выемок и котлованов — суффозии, что может вызвать неустойчивость откосов и последующую деформацию склонов. В зоне полного насыщения всех пустот в породе гравитационные воды образуют водоносные горизонты. Изучение гравитационных вод, их движения, физических свойств и химического состава является основной задачей гидрогеологических исследований.

Вода в твердом состоянии. При температуре пород ниже пуля гравитационная и часть связанной воды замерзает и содержится в породах в виде кристаллов льда или ледяных прослоев и жил. Кристаллы льда цементируют отдельные минеральные частицы, превращая рыхлые породы в твердые. Свойства пород, сцементированных льдом, резко отличны от свойств талых пород. Изучением свойств мерзлых пород занимается особая наука — мерзлотоведение.

Вода в кристаллической решетке минералов. Конституционная вода входит в состав кристаллической решетки минералов в виде ионов Н+ и ОН-, участвуя в их строении, например Са(ОН). При разрушении кристаллической решетки минералов выделяются водород и гидроксил, которые связываются и образуют молекулы воды. Выделение конституционной воды при нагревании каждого минерала происходит в определенном температурном интервале (обычно выше 300° С) и сопровождается поглощением тепла. Это позволяет определять некоторые минералы при помощи термического анализа, для чего употребляются специальные приборы — термографы.

Кристаллизационная вода участвует в строении кристаллической решетки некоторых минералов в виде молекул воды в строго определенных количествах (например, в гипсе СаSO2НО, в мирабилитеNаSО10НО). Эта вода, как и конституционная, выделяется из минералов при строго определенной для каждого минерала температуре (ниже 300° С) и сопровождается поглощением тепла, что и позволяет определять исследуемый минерал при помощи термического анализа. Выделение кристаллизационной воды обусловливает разрушение решетки минерала и ее перестройку (например, гипс превращается в ангидрит).

Цеолитная вода — часть кристаллизационной воды, которая может выделяться и вновь поглощаться без разрушения кристаллической решетки, входит в состав кристаллических решеток некоторых минералов — цеолитов, представляющих собой водные алюмосиликаты