Вопрос №7. Виды воды в горной породах

Подземные воды в горных породах находятся в различных формах, поэтому вопрос о их разделении имеет исключительно важное значение. Виды воды в породах изучались преимущественно почвоведами и грунтоведами (А.Ф. Лебедев, С.И. Долгов, А.М. Васильев, А.А. Роде, И.А. Тютюнов и др.) Наиболее полно этот вопрос был разработан А.Ф. Лебедевым в результате его многочисленных и тщательно выполненных экспериментальных исследований. Он предложил следующую классификацию видов воды в породах(рис)

Рис. Схематическое изображение видов воды в горных породах:

1-частица породы; 2- молекула воды; а- порода с гигроскопической водой неполного заполнения; б- порода с гигроскопической водой полного заполнения; в,г-порода с пленочной водой разного объема: вода движется к частице с более тонкой пленки(пунктиром показана равная толщина пленки); д- порода со свободной водой.

1. Вода в форме пара – находится в свободных от жидкой воды порах пород в зоне аэрации.

2. Гигроскопическая вода - слой адсорбированных частицами породы молекул воды.

3. Пленочная вода – образует на поверхности частиц пленки капельно-жидкой воды различной толщины.

4. Гравитационная вода – свободная вода, передвигающаяся под влиянием силы тяжести, которая подразделяется на:

А) капиллярную воду, заполняющую капилляры выше уровня подземных вод;

Б) подвешенную воду, заполняющую капилляры, не с уровнем подземных вод;

В) собственно гравитационную воду .

5. Вода в твердом состоянии – лед.

6. Кристаллизационная вода – вода, входящая в кристаллическую решетку минералов.

7. Химически связанная вода.

Эта классификация видов вод в горных породах, предложенная А.Ф. Лебедевым, в последующие годы подверглась дальнейшей разработке и уточнению. Поэтому в настоящее время схема подразделения видов воды в горных породах может быть представлена в более современном виде:

1. Вода, входящая в состав кристаллической решетки минералов или химически связанная вода:

1. Конституционная вода входит в состав решетки минералов в виде отдельных ионов, ее удаление возможно только путем нагревания при высоких температурах и перестройке решетки;

2. Кристаллизационная вода входит в кристаллическую решетку минералов в виде молекул H₂O. Примером может служить гипс CaSo₄ * 2H₂O, удаление воды которого при повышении температуры ведет к перестройке его кристаллической решетки и образованию ангидрита;

3. Цеолитная вода связана с минералами весьма непрочно, она выделяется при низких температурах, и кол-во ее зависит от температуры и влажности воздуха. При нагревании она удаляется постепенно, минералы при этом сохраняют свою кристаллическую структуру, меняя лишь оптические свойтсва;

2. Физически связанная вода горными породами обладает резко отличными свой­ствами от свободной воды, на чем и основано ее выделение Средняя плотность связанной воды глин превышает плотность свободной воды и колеблется в пределах 1,2-1,4 г/см3. Диэлек­трическая постоянная связанной воды значительна меньше, чем свободной, и зависит от влажности горной породы. Температура замерзания ее существенно ниже нуля и понижается вплоть до -100* С при переходе к гигроскопической. Подвижность связанной воды и ее растворяющая способность тоже значительно меньше, чем свободной, так как ее диэлектрическая постоянная уменьшается до 2-2,2. Все эти факты объясняются особыми структурными свой­ствами связанной воды.

1. Прочно связанная или адсорбированная вода присуща главным образом глинистым породам, состоящим из частиц коллоидных размеров. На их поверхности эта вода удерживается молекулярными и электрическими силами сцепления и может перемещаться только при переходе в парообразное состояние.

2. Рыхло- или слабо связанная; вода образует пленку поверх прочносвязанной воды, когда влажность Породы становится выше ее максимальной гигроскопичности. По мере удаления от поверхности частицы силы связи грунта с моле­кулами воды ослабевают. На некотором расстоянии, Исчисляемом долями микрометра, эта связь утрачивается совсем, и вода перехо­дит в свободное состояние. Поэтому прочность связи этой катего­рии воды с породой значительно меньше, чем у гигроскопической.

Основным признаком рыхлосвязанной воды является ее способ­ность передвигаться от одной частицы к другой, независимо от влияния силы тяжести, так как она удерживается в породе силами, превосходящими ускорение свободного падения в 70 000 раз. Передвижение пленочной влаги происходит от мест, где толщина пленок большая, к местам, где пленки тоньше. Такое передвижение частиц будет продолжаться до тех пор, пока толщина водной пленки на обоих зернах породы не станет одинаковой. Передвижение рыхлосвязанной воды происходит также под действием разности осмотического давления и разной концентрации солей.

3. Свободная вода в отличие от других видов обладает свой­ствами жидкой воды и способна передвигаться под действием силы тяжести, ее количество в горной породе зависит от размера пор и трещин. В глинистых породах, где поры очень мелкие и обычно заполнены связанной водой, количество свободной воды невели­ко. Преобладает она в основном в крупнообломочных и трещи­новатых породах.

1) капиллярная;

2) гравитационная;

4. Вода в твердом состоянии – лед; образуется при отрицательных температурах и содержится в породах в виде кристаллов льда, ледяных прослоек или жил. В зоне многолетней мерзлоты, где лед особенно широко распространен, его кристаллы играют часто роль цемента, скрепляющего отдельные минеральные частицы, превращая рыхлую породу в монолитную. Вне развития многолетнемерзлых пород вода переходит в лед только в зимнее время и при этом лишь в слое зимнего промерзания.

5. Вода в состоянии пара занимает поры, свободные от жидкой воды. Она образуется из других видов воды при их испарении, а при изменении температуры или давления Вновь может конденсиро­ваться. Общее количество ее в почве при обычной температуре не превышает 0,001% от веса почвы. Тем не менее вода в форме пара имеет весьма существенное значение в тех процессах, которые протекают в породах. Передвижение водяного пара в породах происходит под влиянием изменения давления и температуры и направлено от слоя с более высокой температурой к слою с мень­шей температурой.

Характеристика видов воды, входящих в решетку минералов (по Д.С. Белянкину)

Виды воды	Характеристика	Температура выделения, оС	Пример минерала
Конституционная	Н и 0 находятся в молекуле минерального соединения в столь тесной связи, что могут быть выделены из него лишь при полном разрушении молекулы, обычно при t > 400 оС	450 — 500	Диаспор AlO(OH) Мусковит K,Al2(OH,F)2*[AlSi3O10]
Кристаллизационная	Н и О входят в минерал в виде Н20. При дегидродации остается безводное соединение, полученное как бы простым вычитанием воды из первоначального гидрата, хотя структура минерала меняется	<400	Гипс CaSo4*2H2O Моренозит Ni[So4]*7H2O
Цеолитная	Подобно предыдущей, но отношение числа малекул Н20 к числу молекул безводного вещества мо­жет изменяться непрерывно и в широких пределах без нарушения физической однородности вещества	80 — 400	Анальцим Na2[Al2Si4O12]*nH2O Опал SiO2*nH2O