- •Основы геологии и грунтоведения
- •Isbn 5-06-003690-1
- •Оглавление
- •Глава 1. Основные сведения о геологии 7
- •Глава 2. Земная кора и её состав 26
- •Глава 3. Грунтоведение 80
- •Глава 1. Основные сведения о геологии
- •1.1. Планета Земля
- •1.1.1. Происхождение планеты Земля
- •1.1.2. Форма Земли
- •1.1.3. Строение Земли
- •1.2. Геологическая хронология
- •1.2.1. Абсолютный возраст
- •1.2.2. Относительный возраст
- •1.2.3. Общая геохронологическая шкала
- •Глава 2. Земная кора и её состав
- •2.1. Земная кора
- •2.2. Тепловой режим земной коры
- •2.2.1. Температурные зоны
- •2.2.2. Геотермика
- •2.2.3. Многолетнемёрзлые грунты
- •2.3. Состав земной коры
- •2.3.1. Природные минералы
- •2.3.1.1. Общие сведения
- •2.3.1.2. Генезис и свойства минералов
- •2.3.1.3. Кристаллохимическая классификация минералов
- •2.3.2. Горные породы
- •2.3.2.1. Магматические породы
- •2.3.2.2. Осадочные породы
- •2.3.2.3. Метаморфические породы
- •2.3.3. Антропогенные образования
- •2.4. Расход продуктов земной коры
- •Глава 3. Грунтоведение
- •3.1. Концепция грунтоведения
- •3.2. Общие сведения о составе грунтов
- •3.3. Твёрдые компоненты грунтов
- •3.3.1. Силикаты природные (первичные)
- •3.3.2. Соли простые
- •3.3.3. Сульфиды природные
- •3.3.4. Минералы глинистые
- •3.3.4.2. Связи между минералами
- •3.3.4.3. Виды минералов
- •3.3.5 Вещества органо-минеральные
- •3.3.6. Лёд в поровом пространстве
- •3.3.6.1. Строение, виды и свойства льда
- •3.3.6.2. Мельтинг льда и режеляция воды
- •3.4. Жидкие компоненты грунтов
- •3.4.1. Вода – основная составляющая жидкого компонента
- •3.4.2. Классификация воды, пара и льда в поровом пространстве грунтов
- •3.4.2.1. Вода связанная (аномальная)
- •3.4.2.2. Вода переходного типа (от связанной к свободной)
- •3.4.2.3. Свободная вода (обычная)
- •3.4.2.4. Водяной пар (газообразная вода)
- •3.4.2.5. Лёд (твёрдая модификация воды)
- •3.5. Газообразные компоненты грунтов
- •3.5.1. Газы геологические
- •3.5.2. Газы подземные
- •3.5.3. Газы биогенные
- •3.5.4. Газы техногенные
- •3.5.5. Влияние газов на свойства грунтов
3.4.2.1. Вода связанная (аномальная)
Свойства связанной воды (табл. 13, колонка 1, шифр 1), находящейся в грунтах в непосредственной близи минеральной поверхности, существенно отличаются от свойств обычной свободной воды. Аномальные свойства объясняются искажением и перестройкой структуры связанной воды, искажением сетки межмолекулярных водородных связей.
Связанная вода первого класса удерживается в породе за счёт химических и физических сил связи (с энергией 0,1…800 кДж/моль), действующих со стороны поверхности минералов и изменяющих структуру и свойства воды. Она бывает двух видов (колонки 3 и 4). К первому виду (шифр 1.1) относится вода, входящая в состав кристаллических решёток различных минералов и имеющая три разновидности (колонки 5 и 6): конституционная (шифр 1.1.1), кристаллизационная в кристаллогидратах (1.1.2) и координационно-ненасыщенная атомами и ионами (1.1.3).
Второй вид связанной воды (шифр 1.2) – адсорбционная. Она образуется за счёт адсорбционного электростатического «притяжения» молекул воды к активным адсорбционным центрам поверхности минералов (рис. 3.10). Эта вода подразделяется на три разновидности по энергии притяжения к поверхности. При энергии в 40…120 кДж/моль проявляются пятнисто-локальная и(или) мономолекулярная разновидности воды.
Таблица 13 – Классификация воды, водяного пара и льда в поровом
пространстве грунтов 25
Класс (1…5) |
Вид (1…23) |
Разновидность (1…45) |
||||
Шифр |
Наимено-вание |
Шифр |
Наименование |
Шифр |
Наименование |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
1
|
Вода связанная (аномальная) |
1.1
|
Вода кристаллическая в решётках минералов |
1.1.1 |
Конституционная |
|
1.1.2
|
Кристаллизационная в кристаллогидратах |
|||||
1.1.3 |
Координационно-ненасыщенная атомами и ионами |
|||||
1.2
|
Вода адсорбционная |
1.2.4 |
Пятнисто-локальная |
|||
1.2.5 |
Мономолекулярная |
|||||
1.2.6 |
Полимолекулярная |
|||||
|
||||||
2
|
Вода переходного типа (от связанной к свободной) |
2.1
|
Осмотически поглощённая в двойном электрическом слое |
2.1.1 |
Внутренняя (адсорбционная) |
|
2.1.2
|
Внешняя (диффузная) |
|||||
2.2
|
Капиллярная в порах (конденсированная) |
2.2.3 |
Восходящая до уровня капиллярной каймы |
|||
2.2.4 |
Подвешенно-замкнутая в порах |
|||||
2.3 |
Мельтинговая |
2.3.5 |
Оттаянная при гипердавлении |
|||
|
||||||
3
|
Свободная вода (обычная) |
3.1
|
Безнапорная |
3.1.1 |
Поверхностная самотечная, гравитационная |
|
3.2
|
Условно «стоячая» замкнутая |
3.2.2 |
В водоёмах, накопителях |
|||
3.2.3 |
Защемлённая в порах, кавернах, полостях, трещинах |
|||||
3.3 |
Напорная |
3.3.4 |
Естественная артезианская |
|||
3.3.5 |
Принудительно транспортируемая |
|||||
3.4
|
Термальная подземная |
3.4.6
|
Относительно тёплая, t < 20 ○С |
|||
3.4.7 |
Тёплая, 20 ○С < t <37 ○С |
|||||
3.4.8 |
Абсолютная, t > 37 ○С |
|||||
3.5
|
Незамёрзшая в мёрзлых грунтах |
3.5.9 |
Насыщенно связанная |
|||
3.5.10 |
Дискретно связанная переменного фазового состава |
|||||
|
|
3.6
|
Тяжёлая вода |
3.6.11 |
Обычная с примесью изотопа водорода Д |
|
3.6.12 |
Послеэлектролизная из молекул Д2О |
|||||
3.7 |
Роса |
3.7.13 |
Капельно-конденсационная |
|||
|
||||||
4 |
Водяной пар (газообразная вода) |
4.1 |
В приземном слое |
4.1.1
|
Атмосферный приповерхностный |
|
4.2
|
В деятельном слое грунта |
4.2.2 |
Подземный, сообщающийся с атмосферой |
|||
4.2.3 |
Изолированный в поровом пространстве |
|||||
4.3 |
В составе геологических газов |
4.3.4 |
Вулканический |
|||
4.3.5 |
Метаморфический |
|||||
4.3.6 |
Радиогенный |
|||||
|
||||||
5 |
Лёд (твёрдая модификация воды) |
5.1 |
Иней |
5.1.1 |
Тонкоигольчатый сублимационный |
|
5.2 |
Дисперсный |
5.2.2 |
Снег, град, снег с дождём |
|||
5.3
|
Режеляционный пóровый |
5.3.3 |
Смёрзшийся кристаллический |
|||
5.4 |
Поверхностный
|
5.4.4 |
Пластинчатый, устилающий (гололёд) |
|||
5.4.5 |
Глыбовый, бугристый (наледи) |
|||||
5.5 |
Подземный |
5.5.6 |
Конституционный |
|||
5.5.7 |
Повторно-жильный |
|||||
5.5.8 |
Погребённый |
|||||
5.6
|
Цементирующий |
5.6.9 |
Контактный |
|||
5.6.10 |
Плёночный |
|||||
5.6.11 |
Пóровый |
|||||
5.6.12 |
Базальный |
|||||
5.6.13 |
Корковый |
|||||
5.7
|
Локальный |
5.7.14 |
Линзы, прожилки, прослойки толщиной до 50 см |
|||
5.8
|
Залежный |
5.8.15 |
Прослойки толщиной более 50 см |
|||
При энергии менее 40 кДж/моль имеем полимолекулярную (полислойную) разновидность связанной воды (шифры 1.2.4…1.2.6).
Связанная вода характеризуется следующими аномальными свойствами, которые не присущи обычной воде:
− повышенная плотность (в плёнках толщиной около 5 нм на 1,5 % она составляет в среднем 1,02 г/см3);
− увеличенная вязкость (по мере роста толщины плёнки до 10 нм она увеличивается в 1,1…1,6 раз);
− пониженная температура замерзания (при t = – 2 ºC толщина плёнки незамёрзшей воды на поверхности каолинита равна 3 нм, а монтмориллонита – 2 нм, что обеспечивает несмерзаемость и пластичность глинистым грунтам при слабых морозах);
− пониженная растворяющая способность солей;
− неусвояемость корнями растений и плохая испаряемость;
− огромная сопротивляемость сдвигу (до 2 кг/мм2) плёнки толщиной 9 нм между двумя пластинками из стекла;
− сниженная температуропроводность (при плёнках толщиной 3 нм);
− повышенная чувствительность и тиксотропность глин;
− неотжимаемость из глин при отсутствии в ней свободной воды под нагрузкой более 120 МПа.