Виды воды в горных породах

Как уже указывалось, вода в горных породах подразделяется на связанную и свободную (гравитационную). Вода влияет на сжимае­мость, трение, сцепление, просадку, набухание, электросопротивле­ние, тепло-, звуко- и газопроводность пород, на скорость прохожде­ния в них сейсмических волн и т. п. Часть связанной воды входит в состав минералов горных пород и образует с ними одно целое (физически связанная и вакуольная). Ее подразделяют на кристал­лизационную, входящую в кристаллическую решетку минералов в виде молекул Н₂О (например, гипс содержит 20,9% кристаллиза­ционной воды, бокситы — 26,1%, мирабиллит — 55,9), и конститу­ционную, входящую в кристаллическую решетку минералов в виде ионов (диаспор, мусковит и др.). Кристаллизационная вода выде­ляется из минералов при температуре ниже +400° С, а конституци­онная— выше +400° С, причем водород в ней способен замещать­ся металлом.

Существуют горные породы, которые при определенных усло­виях обогащаются водой или теряют ее (физически связанная). Примером могут служить известняки, содержащие окись железа, которая при выветривании образует бурый железняк 2Fe₂O• ЗН₂О, имеющий 25,2% воды. Ряд минеральных соединений (различные слюды, хлорит, тальк и др.) легко поглощают воду. Процесс обез­воживания, хотя и наблюдается _ значительно реже, все же имеет место как в. глубоких слоях Земли под действием давления и тем­пературы, так и в поверхностных слоях, в зоне избыточного увлаж­нения.

В первом случае водная окись железа Fe2O₃-3H₂O перехо­дит в безводный красный железняк — гематит, а последний — в закись железа FeO.

Связанная вода содержится в горных породах также в виде тон­ких пленок или так называемых гидратных оболочек, облекающих мельчайшие минеральные частицы породы.

В. А. Кудрявцев указывает, что характер этих связей опреде­ляется' в значительной степени кристалло-химической структурой минеральных частиц горных пород, а также размерами молекул воды и расстояниями между молекулами в самой воде. По его дан­ным, катионы солей, содержащихся в горных породах, имеют харак­тер адсорбирующей поверхности и влияют на структуру связанной воды.

И. В. Попов в 1956 г. впервые предложил рассматривать взаи­модействие воды с грунтом исходя из представлений о структуре воды и тепловом движении ее молекул.

Классификацию связанной воды, а также свободной, содержа­щейся в рыхлых песчано-глинистых породах, впервые разработал А. Ф. Лебедев. По этой классификации в рыхлых песчано-глини­стых породах выделяется парообразная, гигроскопическая, или адсорбированная, пленочная, капиллярная и гравитационная вода (рис. 24).

Ь7

Парообразная вода содержится в воздухе, заполняющем пусто­ты в горных породах. Количество ее зависит от температуры и влаж­ности породы и упругости водяных паров в воздухе. Она способна перемещаться от мест с большей упругостью пара к местам с мень­шей упругостью. При охлаждении воздуха содержащаяся в поро­дах парообразная вода конденсирует­ся, переходя в капельно-жидкое состоя­ние. Тем самым создаются условия, благоприятствующие накоплению воды в грунтах.

Гигроскопическая вода удержива­ется на поверхности породы молеку­лярными и электрическими силами сцепления и перемещается только при переходе в парообразное состояние. Количество гигроскопической воды в породе не постоянно и зависит от влаж­ности, температуры и давления воз­духа, окружающего породу. Она со­держится в значительном количестве

Рис. 24. Схема различных видов воды в породе (по А. Ф. Лебедеву):

а — гигроскопическая, б — мак­симальная гигроскопичность, в и г — пленочная, д — гравита­ционная, / — связанная вода, 2 — свободная

Рис. 25. Схема пере­движения пленочной воды (по А. Ф. Лебе­деву)

в мелкозернистых и глинистых породах (до 15—18%), и меньше ее в крупнозернистых (около 0,5%). Ниже приводятся средние коли­чества гигроскопической воды для некоторых пород в процентах по отношению к массе сухой породы.

Породы. Количество

воды, %

Песок сеноманских отложений 0,36

Пылеватый песок неогенового возраста . . 4,61

Покровный суглинок четвертичный 6,53

Лёсс эоловый 7,90

Глинистый песчаник сантонского яруса . . 10,34

Глина оксфордского яруса 13,73

Глина третичная 17,66

Для определения количества гигроскопической воды в породе свежий образец породы взвешивают, затем высушивают при тем-

58

пературе +105—110° С до постоянной массы. Разность в массе све­жего и высушенного образца дает количество гигроскопической воды. Оставшаяся в породе вода является структурной и входит в состав молекулярных или кристаллических гидратов.

^леночная вода, как и гигроскопическая, облекает частицы по­роды, но не в виде отдельных частичек воды, а в виде пленки. Тол­щина пленки исчисляется долями микрона. Пленочная вода удер­живается на поверхности частиц породы под влиянием сил молеку­лярного притяжения и перемещается от одной частицы к другой, как жидкость, в результате выравнивания толщины пленки.

По А. Ф. Лебедеву, перемещение пленочной воды в породе мо­жет быть представлено следующим образом (рис. 25). Если два соприкасающихся зерна породы Л и Б одинакового радиуса окру­жены пленками воды различной толщины, то на частицу воды х, находящуюся от центра притяжения зерна Б на меньшем расстоя­нии, чем от центра зерна А, большее влияние будет оказывать центр Б. Вследствие ьтого частица воды х переместится в сторону зерна Б. Такое передвижение частиц будет продолжаться до тех пор, пока толщина водной пленки на обоих зернах породы не станет одинаковой.

Пленочная вода не может перемещаться под действием силы тяжести, так как сила молекулярного притяжения, удерживающая пленочную воду на частицах грунта, превосходит силу тяжести. Не заполняя полностью поры, пленочная вода не передает гидростати­ческого давления.

Для определения количества пленочной воды в грунте А. Ф. Ле­бедев предлагает смачивать образец при условии свободного стека-ния воды, не удерживаемой капиллярными силами, и определять влажность выше капиллярного подъема в образце.

Содержание пленочной воды в породе можно определить и на центрифуге, развивающей скорость до 5 тыс. об/мин, а также спо­собом «влагоемких сред»: избыток воды (сверх пленочной влаги) отсасывают из породы с помощью листков бумаги, прижимаемых к поверхности породы; количество оставшейся в породе пленочной влаги определяют затем как обычно, высушивая образец (с предва­рительным и последующим взвешиванием).

Содержание пленочной воды в породах различно, причем в гли­нистых породах оно больше, чем в песчаных, а в мелкозернистых больше, чем в крупнозернистых. Ниже приводятся средние вели­чины количества пленочной воды, содержащейся в различных рых­лых породах, полученные экспериментальным путем (в процентах к массе сухой породы):

Породы Количество

воды, %

Песок крупнозернистый 1,57

Песок среднезернистый 1,60

Песок мелкозернистый 2,73

Песчаная пыль 4,75

Ил 10,18

Глина 44,85

59

Гравитационная вода, в отличие от предыдущих видов, обладает свойствами жидкой воды и способна передвигаться под действием силы тяжести. Она может быть подразделена на капиллярную и свободную. Свободная вода заполняет все имеющиеся промежутки в горной породе. Часть пласта между зоной свободных вод и атмос­ферой А. Ф. Лебедев назвал зоной аэрации. Капиллярная вода заполняет тонкие поры в породах и удерживается в них силой по­верхностного натяжения. В зоне насыщения, непосредственно над уровнем грунтовых вод, образуется слой так называемой капилляр­но-поднятой воды.

А. Ф. Лебедев в зоне аэрации выделяет, кроме того, капилляр­ную воду, которая снизу не имеет сплошного водного слоя. Воды такого типа, названные Ф. П. Саваренским капиллярно-подвешен­ными, особенно часто встречаются в степных районах, где подзем­ные воды залегают на большой глубине.

Высота и скорость капиллярного поднятия зависят от механиче­ского состава пород и диаметра пор. Установлено, что чем мельче зерна, слагающие породу, тем больше в ней высота капиллярного поднятия. Скорость капиллярного поднятия больше в крупнозерни­стых песках и меньше в мелкозернистых. Ниже приведены резуль­таты лабораторных и полевых исследований по определению высо­ты капиллярного поднятия в различных категориях рыхлых пород.

Породы Высота

капиллярного поднятия, см

Песок крупнозернистый . . 12—15

Песок среднезернистый . . 40—50 Песок мелкозернистый . . 90—ПО

Супесь 175—200

суглинок легкий 225—250

Высота и скорость капиллярного поднятия в породах являются важными характеристиками, которые необходимо учитывать при искусственном понижении уровня грунтовых вод в целях борьбы с заболачиванием и засолением сельскохозяйственных территорий, а также при осушении площадок промышленных и гражданских со­оружений, полотна шоссейных и железных дорог и т .д. Если капил­лярная зона понижается ниже корней растений или злаков, начи­нается процесс их увядания из-за недостатка влаги. Влажность в каждой точке капиллярной зоны зависит от ее высоты над зерка­лом подземных вод.

В лабораторных условиях высоту капиллярного поднятия в пес­чаных грунтах можно определить с помощью стеклянной трубки диаметром 2—3 см и высотой 100—150 см, в которую помещают испытуемый грунт. О высоте поднятия капиллярной воды судят по окраске породы; часть породы, смоченная капиллярной водой, имеет более темную окраску. Высоту капиллярного поднятия считают установившейся, если в течение суток не отмечается изменений уровня воды.

60

Описанный способ определения высоты капиллярного поднятия занимает много времени и неудобен, поэтому в практике чаще пользуются капилляриметром конструкции Г. Н. Каменского (рис. 26). Прибор состоит из стеклянного цилиндра 2 высотой 10 см, укрепленного на рейке /, снабженной шкалой с миллиметро­выми делениями. В нижней части цилиндра имеется металлическая сетка. Посредством резиновой трубки цилиндр снизу соединен со-стеклянной трубкой 5, последняя с помощью изогнутой резиновой трубки и тройника соединяется с другой стеклянной трубкой 4, рас­положенной рядом. Третий отвод тройника соединяется с резер­вуаром 5, наполненным водой, и вы­пускной трубкой 6. Под сетку в ци­линдре подведена трубка 7 с зажи­мом для выпуска воздуха.

Рис. 26. Капилляриметр- системы Г. Н. Каменского

Определение высоты капилляр­ного поднятия производится в сле­дующем порядке. В цилиндр, запол­ненный песком, подводят воду из резервуара или из сети, открыв за­жимы трубки 6 и 8 для выпуска воз­духа. По мере вытеснения воздуха вода начинает поступать в песок; после прекращения поступления в цилиндр воды последняя некоторое время еще будет всасываться в пе­сок (это будет заметно по постелен ному понижению уровня воды в со­седней трубке 4). После того как грунт будет насыщен водой, ее на­чинают понемногу выпускать из трубки, открыв зажим на выпуск­ной трубке 6. При этом уровень во­ды в трубке 4 начинает понижаться; разность уровней в этой трубке и трубке 3, поскольку они соединены между собой резиновым шлангом, может быть объяснена наличием капиллярных сил. Уровень в труб­ке 4 будет понижаться, пока масса воды не превысит капиллярных сил в породе, после чего произойдет отрыв воды в трубке 3 от воды в породе, содержащейся в цилиндре.

При выполнении опыта требуется точно установить моменты на­чала отрыва воды от породы (видно по пузырькам воздуха, про­никающим в трубку 3) и успеть отсчитать по шкале разность уров­ней воды Я в трубках 3 и 4 в момент отрыва. Эта разность и будет представлять высоту капиллярного поднятия воды в исследуемом грунте.

Свободная вода, подчиняющаяся силе тяжести, заполняет в по­роде трещины, крупные пустоты и капиллярные промежутки. Она передает гидростатическое давление, подобно воде в сообщающих-

'61

ся сосудах. Различают свободную воду, просачивающуюся с поверх­ности через почву в зону аэрации, и свободную воду в зоне насы­щения, ниже уровня грунтовых вод.

В зоне аэрации, как указывает Н. А. Огильви (1963), происхо­дят разнообразные процессы — химические, биохимические, тепло­вые, электрические и электромагнитные, переход воды в различные фазовые состояния и др. Без изучения термического режима в зоне аэрации невозможно судить о процессах конденсации и перемеще­ния водяных паров в ней и за ее пределами.

Между свободной водой и водой капиллярной зоны существует тесная связь; при понижении уровня свободной воды понижается и уровень воды в капиллярной зоне, и наоборот.

Кроме перечисленных видов воды, находящихся в парообразном и капельно-жидком состоянии-, А. Ф. Лебедев выделяет также воду в твердом состоянии, т. е. лед. Н. И. Толстихин (1971) указывает, что подземная вода находится в твердой фазе в зоне многолетней мерзлоты. В мерзлых породах подземная вода может находиться и в других фазовых состояниях. Изменение температур в зоне много­летней мерзлоты нарушает подвижное фазовое равновесие лед— вода — пар. В зоне многолетней мерзлоты часто встречаются круп­ные линзы и пласты «чистого» льда, а также подземная вода с отри­цательной температурой, залегающие среди мерзлых пород различ­ного литологического состава.

Вне области развития многолетней мерзлоты вода переходит в лед только в зимнее ьремя и при этом лишь в небольшой поверх­ностной толще пород — слое зимнего промерзания.

Все виды воды взаимосвязаны и взаимозависимы.