Виды воды в годных породах и минералах
В пустотах и порах горных пород вода может находиться в различных физических состояниях, образуя водяной пар физически-связывающий воду, гравитационную (капельно-жидкую) воду, твердую воду (лед).
Парообразная вода(водяной пар) заполняет вместе с воздухом все не занятые водой поры и трещины в горных породах находится в порах и пустотах горных пород вместе с воздухом. Количество паров в горных породах обычно не превышает нескольких тысячных долей процента от массы породы. Заполняя свободные поры и пустоты, она передвигается из областей с большей упругостью водяных паров в области с меньшей упругостью.
В процессе передвижения водяных паром в порах и пустотах происходит конденсация пара и образование воды. Процесс конденсации обратим: в зависимости от упругости водяного пара и температуры может происходить или конденсация, или испарение. Пары воды, заключенные в воздухе, находятся в состоянии, близком к насыщению, за исключением верхних слоев, подверженных периодическому иссушению. Количество паров в горных породах обычно не превышает нескольких тысячных долей процента от массы пород. В определенных условиях пары воды могут конденсироваться и переходить в жидкое состояние.
Физически-связанная вода. Изучая процессы конденсации, А.Ф. Лебедев пришел к выводу, что водяные пары, содержащиеся в пустотах и порах горных пород, в процессе конденсации адсорбируются на поверхности частиц породы, образуя тончайшие пленки, толщиной в одну молекулу, т. е. но более 0,008 мкм. Этот тончайший слой воды получил название гигроскопического слоя.
Гигроскопическая (прочносвязанная) вода обладает рядом своеобразных свойств. Пленка ее притягивается к поверхности минералов с силой около 10 000 кг/см2и может быть удалена только при нагревании породы до 105-1100С.
Извлечь из породы гигроскопическую воду в жидком состоянии не удается. Такая вода не растворяет солей, не передает гидростатического давления, замерзает при температуре - 780С, не доступна корневой поверхности растений. Передвижение гигроскопической воды возможно лишь при ее предварительном переходе в парообразное состояние.
В зависимости от количества удерживаемой на частицах горных пород гигроскопической воды различают гигроскопичность неполную (рис. 1.2а) и максимальную (рис. 1.2б).
Наличие гигроскопической воды в породе незаметно для глаз. Вместе с тем максимальная гигроскопичность тонкозернистых и глинистых пород может достигать 18%, в более крупнозернистых породах она падает до 1% от массы сухого вещества.
Процесс конденсации паров не останавливается на создании слоя гигроскопической воды. При дальнейшей конденсации на поверхности минералов откладываются все новые и новые слои адсорбированной воды. Эта вода, притягиваемая к частицам породы силами электромолекулярного притяжения, получила название пленочной или молекулярной.
Рис. 1.2.Схема видов воды в горных породах (по А. Ф. Лебедеву):
1 - частицы породы; 2 -молекулы воды в виде пара; а - частицы с неполной гигроскопичностью; б - частицы с максимальной гигроскопичностью; в и г - частицы с пленочной водой; вода движется от частицы г к частице в, окруженной более тонкой пленкой; д - частицы с гравитационной водой.
Силы электромолекулярного притяжения, чрезвычайно мощные непосредственно у поверхности частиц породы, быстро уменьшаются по мере удаления от нее. Уже на расстоянии 0,25-0,50 мкм от поверхности частицы породы силы молекулярного притяжения настолько малы, что не в состоянии удерживать молекулы конденсирующейся воды. В этом случае молекулы конденсирующейся воды образуют капли жидкой воды, которые в дальнейшем передвигаются в пустотах и порах горных пород под действием сил тяжести и поверхностного натяжения.
Механизм образования притянутых пленок гигроскопической и пленочной воды может быть объяснен следующим образом. Как известно, вода состоит из полярных молекул с ионами водорода, заряженными положительно, и ионами: кислорода, заряженными отрицательно.
Диэлектрическая постоянная минеральных частиц отличается от диэлектрической постоянной воды. Поэтому при соприкосновении воды с минеральными частицами, на поверхности последних возникает электрическое поле, поддействием которого происходит поляризация молекул воды, и диполи воды получают определенную ориентировку.
Пленочная (рыхлосвязанная) вода обладает свойствами, близкими к свойствам гигроскопической воды: не растворяет солей, не передает гидростатического давления и замерзает при температурах – (5-6)0С. Пленочная вода благоприятствует деятельности микроорганизмов, способствуя почвообразованию.
По мере увеличения толщины пленки действие удерживающих сил заметно уменьшается, на поверхности пленки оно незначительно. Пленочная вода удерживается на частицах пород силами молекулярного сцепления, причем наиболее прочно связывается самый тонкий слой воды, непосредственно прилегающий к частице.
Максимальное содержание пленочной воды (максимальная молекулярная влагоемкость Wмакс) составляет: для песков 1-7%, для супесей 9-13%, для суглинков 15-23% и для глин 25-45%. Влажность пород, отвечающая максимальной толщине пленки, соответствует максимальной молекулярной влагоемкости. Наличие пленочной воды в породах заметно для глаз, так как породы приобретают при этом более темную окраску.
Гигроскопическая и пленочная воды не свободны в своем передвижении, поэтому их объединяют в одну группу и называют физически связанной водой. Последняя передвигается от пленок большей мощности к пленкам меньшей мощности, пока мощность пленок не уравняется.
Очевидно, что чем мельче частицы породы, тем больше в единице ее объема сумма поверхностей этих частиц, называемая удельной поверхностью. Чем больше удельная поверхность, тем больше в этой породе может содержаться физически связанной воды, т.е. тем значительнее роль физически связанной воды в свойствах породы.
Появление пленочной воды и ее воздействие на свойства породы особенно характерно для нескальных пород. Наличие физически связанной воды позволяет объяснить свойства пластичности и связности, присущие глинистым породам. Находящаяся в порах породы жидкая вода передвигается под действием силы тяжести, и поэтому получила название гравитационной. Она в свою очередь может быть разделена на воду капиллярную и свободную.
Капиллярная вода заполняет капиллярные поры, стыки и тонкие трещины в горных породах и удерживается силами поверхностного натяжения. При достаточно малом размере пустот в породе в них возникают явления, аналогичные происходящим в тонких капиллярных трубках, и свободное передвижение воды ограничивается действием сил поверхностного натяжения. Та часть гравитационной воды, которая удерживается в порах пород силами поверхностного натяжения, называется капиллярной. Вся остальная вода, свободно стекающая под действием своего веса, называется свободной.
В зависимости от расположения и связи капиллярной воды с гравитационной водой зоны насыщения выделяют следующие три их вида: подвешенные, стыковые и воды капиллярной каймы.
Подвешенные капиллярные воды - это воды, удерживаемые в капиллярных породах и трещинах силами поверхностного натяжения и не имеющие связи с уровнем грунтовых вод зоны насыщения.
Стыковые капиллярные воды образуются в углах пор и в стыках минеральных частиц под влиянием капиллярных (менисковых) сил.
Воды капиллярной каймы образуются при наличии грунтовых вод в зоне насыщения путем капиллярного поднятия в зону аэрации. При этом верхняя поверхность капиллярных вод (бахрома) подвержена колебаниям в соответствии с изменением уровня грунтовых вод.
Гравитационная вода - вода свободная, не подверженная действию сил притяжения к поверхности частиц горных пород. Она подчиняется действию силы тяжести и способна передавать гидростатическое давление.
Свободная гравитационная вода передвигается через пористое пространство и трещины в горных породах - как в ненасыщенных водой (в зоне аэрации), так и в зоне насыщения. В зоне аэрации гравитационная вода образуется путем проникновения атмосферных осадков и поверхностных вод, а также путем перехода в капельно-жидкое состояние других видов воды (парообразной, пленочной, капиллярной, твердой). В зоне насыщения гравитационная вода образует водоносные горизонты.
Твердая вода (лед) образуется в горных породах из гравитационной; воды при понижении температуры пород ниже 0°С. Отрицательная температура горных пород может возникать периодически (сезонная мерзлота) или быть устойчивой (многолетней, «вечной»).
В соответствии с этим вода может быть в породах постоянно в виде льда или периодически замерзать и оттаивать, совершая разрушительную и созидательную работу в грунтах. Наличие в горных породах тех или иных видов воды во многом предопределяет как основные водные свойства горных пород (влажность, влагоемкость, водопроницаемость и водоотдачу), так и условия движения подземных вод.
Химически связанная вода принимает участие в строении кристаллической решетки минералов. Она бывает кристаллизационной, конституционной и цеолитной.
Кристаллизационная вода входит в состав кристаллической решетки минералов (например, гипс CaSO4∙2H2O) в виде молекул, в строго определенном количестве и может быть выделена из них при температурах ниже 400°С с частичным или полным разрушением минерального вещества.
Конституционная вода входит в состав кристаллической решетки минералов в виде гидроксильной группы ОН (например, диаспор АlО ОН) и может быть выделена из них при температуре 450-500оС.
Цеолитная вода подобна кристаллизационной входит в виде молекул в состав минералов, но количество их может непрерывно меняться в широких пределах без нарушения физической однородности вещества. Она может быть удалена из минерала при незначительном нагревании от 80 -120оС до 400оС. без его разрушения. Примером минерала с цеолитной водой является опал SiO2·nH2O.