Виды воды в горных породах


Первые классификационные построения с выделением различных видов воды в горных породах были разработаны О. Мейнцером (1935) и в наиболее полном виде А.Ф. Лебедевым (1922, 1936). Дальнейшее развитие и уточнение этой классификации выполнено в работах Б.В. Дерягина, Е.В. Пиннекера, А.А. Роде, А.И. Силина-Бекчурина, Е.М. Сергеева, Н.И. Толс- тихина и др. С учетом разработок и построений этих авторов в подземной части гидросферы планеты могут быть выделены две принципиально различные группы подземных вод: воды в свободном состоянии, способные к самостоятельным формам движения, различным в зависимости от конкретного вида воды; воды в связанном состоянии, не способные к самостоятельным формам движения, без перехода в свободное состояние (в другие виды воды).
Вода в свободном состоянии существует: в виде пара (парообразная); в виде гравитационной воды (просачивающаяся капельно-жидкая, подземных потоков); в надкритическом состоянии.
Вода в парообразном состоянии (водяной пар) существует в виде молекул Н2О (комплексов типа п • Н2О) в воздухе, заполняющем пустоты в горных породах при их неполном насыщении жидкостью, или в виде пароводяной смеси (парогидротермы), образующейся из перегретых (t gt; 100 °С) подземных растворов при резких уменьшениях давления («вскипание») (рис. 3).

Рис. 3. Диаграммы фазового состояния воды в зависимости от температуры и давления (по К. Краускопфу)


Гравитационной водой называются подземные воды, движение которых происходит под действием силы тяжести и (или) градиента гидростатического давления. Данный вид воды является главным объектом гидрогеологии. Просачивающаяся подземная вода формируется в ненасыщенной зоне и передвигается преимущественно в капельно-жидкой форме под действием силы тяжести. В ряде случаев для характеристики подобного движения гравитационной воды условно используется термин «подземное дождевание». Вода подземного потока передвигается в условиях полного насыщения свободного пространства в минеральном скелете горных пород под действием силы тяжести и градиента гидростатического давления.
Водой в надкритическом состоянии называются подземные воды с температурой и давлением выше критических. Для чистой воды критическая температура равна 374 °С, давление - 2,2 • 104 кПа.
При высоких концентрациях растворенных веществ (подземные растворы) критическая температура возрастает до 450 °С, давление - до 3,5 • 104 кПа. При этих условиях вода характеризуется пониженными значениями вязкости, уменьшением величины рН, повышенной электропроводностью. В связи с этим вода в надкритическом состоянии приобретает свойства активного растворителя и при наличии повышенных концентраций металлов может являться одним из факторов гидротермального рудообразования (Крайнов и др., 2004).
По существующим представлениям, вода в надкритическом состоянии представляет собой газово-жидкий раствор (флюид), образование которого связано с кристаллизацией магмы.
При снижении давления «надкритическая» вода переходит в «нормальную» жидкость и пар (пароводяную смесь), что сопровождается увеличением ее объема в 1,5-2 раза (Основы гидрогеологии. Т. I. 1980).
Вода в связанном состоянии - это вода, входящая в состав породообразующих минералов и минеральных соединений или различным образом связанная с поверхностью минерального скелета (частиц) горной породы. Условно в качестве связанной (несвободной) может рассматриваться вакуольная вода и вода в твердом состоянии (лед).
Воды в связанном состоянии включают пять видов: вода, химически связанная с кристаллической структурой минералов; вода, физико-химически и физически связанная с поверхностью минеральных частиц (скелета) горных пород; вода переходного состояния от связанной к свободной, в том числе капиллярно-связанная; иммобилизованная (вакуольная) вода; вода в твердом состоянии.

Вода, химически связанная с кристаллической структурой минералов, существует в форме кристаллизационной воды, входящей в кристаллическую решетку минералов в виде молекул Н2О (гипс CaS04 • 2Н2О, мирабилит Na2S04 • 10Н2О и др.), конституционной (немолекулярная форма - Н, ОН) и координационно-связанной атомами или ионами решетки минералов. Связь с кристаллической решеткой минералов характеризуется значениями 84-840 кДж/моль. Удаляется из породы при нагревании до температуры выше 200 °С (Крайнов и др., 2004).

Удаление кристаллизационной воды в большинстве случаев приводит к разрушению кристаллической решетки минералов и формированию безводных модификаций этих соединений. У ряда минералов удаление молекул воды происходит без разрушения кристаллической решетки, в ряде случаев даже без нагревания до высоких температур, и ее содержание может восстанавливаться при изменении термодинамических условий. Подобная вода в отличие от кристаллизационной называется цеолитной. К цеолитам относятся, например, анальцим Na2Al2S4O12 • H2O и нонтролит Na2Al2Si3O10 • H2O.
Вода, физико-химически и физически связанная с поверхностью минералов, называется адсорбционно-связанной или прочносвязанной (гигроскопической). Она образует на поверхности минералов слои мономолекулярной и полимолекулярной адсорбции с общей толщиной пленки h = 0,001- 0,002 мкм (рис. 4).
Вода переходного состояния от связанной к свободной подразделяется на следующие подвиды (Крайнов и др.):
• вода осмотически поглощенная (осмотическая), формирующаяся в области двойного электрического слоя за счет поверхностно-осмотических сил (рыхлосвязанная (пленочная) вода). Толщина пленки hw = 0,001-0,01 мкм, возможно до 0,1 мкм;
1 2 а
Рис. 4. Различные виды воды на частицах грунта (по А.Ф. Лебедеву):
а - гигроскопическая вода при неполной (1) и максимальной (2) гигроскопичности; б -
пленочная вода, движущаяся от частицы с более толстой (3) к частице с более тонкой (4)
пленкой; в - свободная (гравитационная) вода
вода капиллярно-конденсированная из молекул водяного пара и капиллярно-осмотическая, формирующаяся в порах с диаметром 0,001-0,1 мкм (капиллярно-«неподвижная» вода); вода собственно капиллярная в сквозных порах с диаметром 1-100 мкм, обладающая способностью к капиллярному поднятию над свободным уровнем воды, и капиллярно-гравитационная в порах с диаметром 102-103 мкм, способная передвигаться при небольших изменениях давления.
Специфическими видами связанной (несвободной) воды являются иммобилизованная (вакуольная) вода и вода в твердом состоянии (лед).
Иммобилизованной (вакуольной) называется вода, которая содержится в изолированных пустотах минерального скелета горных пород (вакуолях). Состав иммобилизованной воды в той или иной мере всегда отражает термодинамическую и минералого-геохимическую обстановку на момент образования и «запечатывания» вакуолей и может быть существенно различным (газоводяные смеси, различный комплекс и концентрация растворенных веществ и др.). Иммобилизованная вода может переходить в свободную (или другие виды воды) главным образом в результате механического разрушения горных пород и минералов («раскрытие» изолированных пустот).
Вода в твердом состоянии (лед) широко распространена в подземной гидросфере в области развития многолетнемерзлых пород и вне этой области - в приповерхностном слое сезонного промерзания. Подземный лед образует мелкие кристаллы в поровом пространстве дисперсных осадочных пород (промороженных в водонасыщенном состоянии) или залегает в виде жил и прослоев мощностью в отдельных случаях до нескольких десятков метров. 
<< | >>
Источник: Ю.А. Гледко. Гидрогеология. 2012

Еще по теме Виды воды в горных породах:

  1.   § 1. СОСТОЯНИЕ И ВИДЫ ВОДЫ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ
  2. § 2. МЕТАМОРФИЗМ ГОРНЫХ ПОРОД, ЕГО ВИДЫ И СВЯЗАННЫЕ С НИМ ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ
  3. Г л а в а 1 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД
  4. Свойства горных породи их роль в рельефообразовании
  5. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПНОГО ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД
  6. § 1. ФОРМЫ ЗАЛЕГАНИЯ МАГМАТИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД
  7. § 2. ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ И ДРУГИЕ СВЯЗАННЫЕ С НЕЙ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
  8. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД
  9. СВЕДЕНИЯ О ГОРНЫХ ПОРОДАХ (ПЕТРОГРАФИЯ)
  10. Кузьмин Ю.О., Жуков В.С.. Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород. — 2-е изд., стер., 2012
  11.   § 1. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД И ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ МИНУВШИХ ЭПОХ
  12. ФОРМЫ ЗАЛЕГАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД (ЭЛЕМЕНТЫ ТЕКТОНИКИ)
  13. § 3. ФОРМЫ И ЭЛЕМЕНТЫ ЗАЛЕГАНИЯ ОСАДОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД