Виды и категории воды в горных породах
РЕФЕРАТ
«Виды и категории воды в Горных породах»
Введение
Вода - одно из самых распространенных веществ на Земле. Почти 70,8% площади земной поверхности покрыто водой. Содержание воды в морях, океанах и поверхностных водоемах (включая мировые запасы льдов) равно примерно 1,4 млрд. км3, а в горных породах в пределах литосферы (так называемые подземные воды) составляет по современным оценкам разных авторов около 0,73 - 0,84 млрд. км3, то есть примерно всего лишь вдвое меньше. Таким образом, «под землей» в земной коре запасено гигантское количество воды.
Вода находится в горных породах благодаря наличию в них всевозможных пустот (трещин, пор, каналов и т.д.). Абсолютно сплошных пород, не содержащих сколь-нибудь малое количество пор, в природе не существует. Эти пустоты, как правило, и занимает вода благодаря своей высокой подвижности (мобильности, текучести) наряду с другими мобильными компонентами, например такими, как газы, углеводородные флюиды и др. Установлено, что ниже уровня грунтовых вод до глубин около 4 - 5 км и более практически все пустоты горных пород (за исключением углеводородных залежей) заполнены водой, образующей в пределах литосферы региональные неразрывные макроскопические системы гидросферы. Они - предмет исследования гидрогеологии, науки, изучающей условия формирования, динамику и распространение запасов подземных вод на Земле. Мы же остановимся на некоторых интересных и важных особенностях воды в горных породах, проявляющихся в основном не на макроскопическом, а на микроскопическом уровне.
Очевидно, не многие знают, что вода в горных породах находится либо в свободном, либо в связанном состоянии. Поэтому выделяют две категории воды в горных породах - свободную и связанную. Свободная вода - это та, с которой все мы обычно привыкли иметь дело: она свободно может перемещаться в породах по крупным порам, трещинам путем фильтрации под действием силы тяжести или напора, она образует горизонты подземных вод и обладает обычными для воды физическими свойствами. Именно эта вода добывается и эксплуатируется человеком для различных нужд. В отличие от нее связанная вода находится и удерживается в наиболее мелких порах и трещинах горных пород и испытывает со стороны поверхности твердой фазы минералов «связывающее» влияние разной природы и интенсивности, изменяющее ее структуру и придающее ей аномальные свойства, то есть не такие, как у обычной, свободной воды. Суммарное содержание связанной воды в литосфере Земли составляет от 0,31 до 0,35 млрд. км3, то есть около 42% от общего количества воды в земной коре (по данным Ф.А. Макаренко). Однако связанную воду не так просто извлечь из породы, в которой она находится. Под действием поверхностных сил разной природы она относительно прочно удерживается на поверхности минералов, не подчиняется силам гравитации и ее передвижение в породах может происходить лишь под влиянием сил иной природы. Настоящая статья знакомит с новыми фактами и современными взглядами на проблему формирования аномальных особенностей связанной воды и ее влияния на свойства горных пород.
1. Категории воды в горных породах
Связанная вода в горных породах неоднородна. В ней может быть выделен ряд категорий, отличающихся по природе и условиям образования, по свойствам и многим другим особенностям. С середины 30-х годов вплоть до нашего времени было предложено много различных классификаций воды в горных породах, но наиболее обоснованной является классификация Р.И. Злочевской (1988), согласно которой вода в горных породах может относиться к трем категориям: связанной, переходного типа и свободной.
Согласно этой классификации, связанная вода удерживается в породе за счет 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. К первому относится вода, входящая в состав кристаллических решеток различных минералов. Это так называемая конституционная, немолекулярная форма воды типа ОН-групп, кристаллизационная вода различных кристаллогидратов (если они есть в данной горной породе), а также вода, «связанная» координационно-ненасыщенными атомами и ионами кристаллической решетки минералов. Ко второму виду относится адсорбционная вода, образующаяся за счет адсорбционного «притяжения» молекул воды к активным адсорбционным центрам поверхности минералов. Среди нее выделяются две разновидности:
а) с наибольшей энергией притяжения к поверхности (около 40 - 120 кДж/моль) - вода мономолекулярной адсорбции.
б) с меньшей энергией связи (<40 кДж/моль) - вода полимолекулярной адсорбции.
Связанная вода образует адсорбционные пленки толщиной в один или несколько молекулярных слоев и в горных породах содержится в порах или микротрещинах размером менее 0,001 мкм. У этого типа воды физические свойства в наибольшей степени отличаются от свободной.
Вода переходного типа (от связанной к свободной) в меньшей степени подвергается действию поверхностных сил, она удерживается вблизи поверхности минералов за счет более слабых связей. Поэтому ее структура менее искажена, а отличия в физических свойствах по сравнению со свободной водой менее значительны или почти не существенны. В пределах этого типа выделяется два вида воды: осмотически-поглощенная и капиллярная. Первый вид образуется в горных породах за счет процессов избирательной диффузии молекул воды в направлении к минеральной поверхности, обусловленной наличием у последней «ионной атмосферы» - так называемого двойного электрического слоя, состоящего обычно из катионов порового раствора, «компенсирующих» отрицательный заряд минеральных частиц. Двойной электрический слой имеет две части: внутреннюю, называемую адсорбционным слоем (с), и внешнюю - диффузный слой (d). Концентрация катионов экспоненциально увеличивается по нормали к минеральной поверхности и это обусловливает наличие градиента концентрации, вызывающего «осмотическое» передвижение молекул воды из объема свободного порового раствора (е) в пределы двойного электрического слоя (d). Образующаяся таким образом осмотическая вода занимает внешнюю часть двойного электрического слоя - диффузный слой (d). «Осмотической» эту воду назвали потому, что ее образование связано с явлением микроскопического поверхностного осмоса, напоминающего обычный макроскопический осмос. Движение воды через полупроницаемую мембрану (то есть пропускающую относительно малые по размеру молекулы воды, но не пропускающую более крупные катионы) под действием градиента концентрации (хорошо известна роль подобных «мембран» в клетках многих животных организмов, тоже содержащих «осмотическую воду»). В горных породах роль этой «полупроницаемой мембраны» выполняет внешняя граница двойного электрического слоя. С этой категорией воды тесно связана способность многих глинистых пород набухать, то есть увеличивать свой объем при впитывании влаги.
Второй вид воды переходного состояния - это капиллярная вода. Она образуется в порах капиллярного размера (диаметром от 10- 3 до 103 мкм) за счет капиллярного давления и удерживается в горной породе капиллярными силами водных менисков (силами поверхностного натяжения), образующихся на границе фаз вода-воздух-твердая поверхность. Капиллярные силы практически не меняют структуры воды и поэтому капиллярная вода по основным физическим свойствам практически не отличается от свободной. Она может формироваться в горных породах двояко:
) за счет так называемого явления капиллярной конденсации, когда молекулы воды постепенно конденсируются на поверхности пленки адсорбированной влаги, обволакивающей частицы породы, и, сливаясь в местах контакта (на стыке частиц), образуют водные мениски.
) за счет капиллярного впитывания воды по сообщающимся порам, трещинам и каналам при контакте породы со свободной водой.
К третьему типу относится собственно свободная вода, обладающая физическими свойствами обычной воды. В горных породах она делится на два вида:
) вода замкнутая (иммобилизованная) в крупных порах породы и поэтому не участвующая в процессах фильтрации и движении подземных вод.
) текучая свободная вода (вода грунтового потока).
2. Виды воды в горных породах
Вода в форме пара содержится в воздухе, заполняющем пустоты и трещины горных пород, свободные от жидкой воды. Парообразная вода находится в динамическом равновесии с другими видами воды и с парами атмосферы. Прочносвязанная вода образуется непосредственно на поверхности частиц горных пород в результате процессов адсорбции молекул воды из паров и прочно удерживается под влиянием электрокинетических и межмолекулярных сил. Вследствие этого она и получила название прочносвязанной или гигроскопической. Содержание прочносвязанной воды зависит от состава, структуры и степени дисперсности минеральных частиц. Особенно много физически связанной воды содержится в тонкодисперсных глинистых породах. Слабосвязанная вода имеет меньший уровень энергетической связи. Она образует на поверхности частиц как бы вторую пленку поверх прочносвязанной и может передвигаться от участков с большей толщиной пленки к участкам, где толщина меньше. Пленка удерживается молекулярными силами, возникающими между молекулами прочносвязанной воды и молекулами воды вновь образующейся пленки. По мере роста толщины пленки действие молекулярных связей уменьшается. Внешние слои слабосвязанной воды доступны для питания растений и могут служить средой развития микроорганизмов. Суммарное содержание прочно- и слабосвязанной воды образует максимальную молекулярную влагоемкость, которая изменяется в зависимости от состава пород (в%): для песков 5-7; супесей - 9-19; суглинков - 15-23; глин - 25-40.
Капиллярная вода частично или полностью заполняет тонкие капиллярные поры и трещинки горных пород и удерживается в них силами поверхностного натяжения (капиллярных менисков). Она подразделяется на капиллярно-разобщенную, капиллярно-подвешенную и капиллярно-поднятую. Капиллярно-разобщенная вода называется также водой углов пор или стыковой водой. Она обычно образуется преимущественно в местах сопряжения частиц породы и суженных угловых участков пор, где прочно удерживается капиллярными силами (капиллярно-неподвижное состояние). Другие виды капиллярной воды способны передвигаться и передавать гидростатическое давление. Капиллярно-подвешенная вода образуется в верхней части зоны аэрации, в тонких порах и трещинках почв и песчано-глинистых пород за счет инфильтрации атмосферных осадков при влажности пород выше максимальной молекулярной влагоемкоемкости. Капиллярно-подвешенная вода не доходит до уровня подземных вод. Она доступна для растений, но в засушливые годы при длительном испарении может расходоваться почти до полного исчезновения. Капиллярно-поднятая вода располагается над уровнем первого от поверхности водоносного горизонта (грунтовых вод), где она образует так называемую капиллярную кайму. Мощность ее различна и зависит от состава горных пород; она минимальна в крупнообломочных породах (до 2-30-35 см), максимальна в суглинках и глинах (до первых метров). Количество воды в породе, соответствующее полному насыщению всех капиллярных пор, называют капиллярной влагоемкостью.
Гравитационная (свободная) вода образуется в породах при полном насыщении всех пор и трещин водой, что соответствует полной влагоемкости. В этих условиях вода движется под воздействием силы тяжести и напорного градиента в направлении к рекам, морям и другим областям разгрузки. К гравитационной воде относят также инфильтрационную воду зоны аэрации, появляющуюся периодически во время снеготаяния, после выпадения дождей и идущую на пополнение подземных вод.
Вода в твердом состоянии находится в горных породах или в виде отдельных кристаллов, или в виде линз и прослоев чистого льда. Она образуется при сезонном промерзании водонасыщенных горных пород, но особенно широко развита в областях распространения многолетнемерзлых горных пород (в Сибири, Канаде и других районах).
Кристаллизационная вода свойственна ряду минералов, где она входит в их кристаллическую решетку. Из таких минералов можно назвать мирабилит Na2SO4.10H2O с содержанием кристаллизационной воды до 55,9%, бишофит MgCl2.6Н2О - до 53,2%, гипс CaSO4.2Н2O - до 20,9% и др. Кристаллизационная вода в ряде случаев может быть выделена при высоких температурах.
3. Влияние воды на свойства горных пород
вода горный порода химический
Различные категории воды, находящейся в горных породах, существенно влияют на многие свойства пород. Практически все свойства горных пород меняются в той или иной степени в зависимости от наличия в них связанной воды определенного вида. Но наиболее важно с практической точки зрения ее влияние на состояние пород, процессы тепломассопереноса в них, а также на их деформируемость и прочность. Влияние связанной воды на состояние пород наиболее сильно проявляется у дисперсных, состоящих из отдельных частиц, горных пород, особенно таких, как глинистые и лёссовые. Это объясняется тем, что дисперсные горные породы обладают большой величиной удельной поверхности (суммарной площадью поверхности единицы массы породы, измеряемой в квадратных метрах на 1г, достигающей в некоторых глинах 600 - 800 м2/г. А поскольку количество связанной воды в породе в первом приближении пропорционально ее удельной поверхности, то становится понятным, почему именно в глинах содержится больше всего связанной воды.
Глинистые породы предрасположены к воде и всегда содержат связанную воду. Если в них присутствует только адсорбционная вода, то они представляют собой довольно прочные породы твердой консистенции. При наличии в них осмотической и капиллярной воды они приобретают свойство пластичности, податливости, липкости, капиллярной связности, легко деформируются и резко теряют за счет увлажнения свою прочность. При наличии в глинах свободной воды они приобретают свойство текучести и ведут себя как жидкообразные тела.
Большое влияние связанная вода оказывает на процессы тепломассопереноса в породах. Поскольку она прочно удерживается в тонких порах и микротрещинах и к тому же обладает повышенной вязкостью, «сдвинуть» эту воду чрезвычайно трудно, она не подчиняется обычным законам фильтрации, осуществляемой под действием гидродинамического напора. Для того чтобы «сдвинуть» эту воду, вовлечь в фильтрационный поток, необходимо преодолеть ее «сопротивление», при этом фильтрация начинается лишь после превышения напором так называемого «начального градиента фильтрации». Поэтому глины и являются обычно водоупором, не пропускающим грунтовые воды или фильтрующим сквозь себя воду очень медленно. Роль связанной воды в подобных глинистых экранах еще до конца не изучена, остается много нерешенных проблем, в частности раскрывающих экологическое значение связанной воды в земной коре.
Аномальные теплофизические свойства связанной воды влияют и на процессы теплопереноса в породах. Кроме того, наличие определенного количества незамерзшей связанной воды в мерзлых горных породах обусловливает возможность ее участия в массопереносе при отрицательных температурах, а также сильно влияет на фазовые превращения вода-лед. Важной чертой при этом является наличие фазовой поверхности раздела между льдом и жидкой незамерзающей прослойкой, контактирующей с противоположной стороны с твердой минеральной поверхностью породы. Передвижение незамерзшей воды в такой породе сопровождается сложными процессами перекристаллизации, которые могут приводить к возникновению и росту давления в незамерзших пленках воды, являющегося одной из причин морозного пучения грунтов. Особую сложность эти процессы приобретают в засоленных грунтах, для которых они пока полностью не изучены.
Очень сильно связанная вода влияет на прочность и деформируемость практически любых горных пород. Она оказывает «расслабляющее и размягчающее» действие на многие горные породы, приводит к понижению их прочности и увеличению деформируемости. Характерным примером ее влияния в этом отношении являются лёссовые породы. Эти породы, в отличие от глинистых, не предрасположены к воде. Они широко распространены в сухих, аридных областях на юге России, Украины, Средней Азии. В них содержится главным образом только адсорбционная связанная вода и частично капиллярная, заполняющая лишь самые тонкие микропоры и микрокапилляры в породе. При этом лёссы обладают достаточной прочностью, так что способны «держать» крутые, почти вертикальные стенки естественных обнажений высотой в десятки метров. Но стоит в лёссы проникнуть достаточному количеству воды, например при подтоплении массива или в результате утечек воды, то лёссовая порода чрезвычайно быстро переходит в пластичное состояние, резко теряет прочность и проседает в результате доуплотнения даже под собственным весом.
Однако было бы неверно думать, что связанная вода влияет лишь на прочность осадочных дисперсных пород. Не в меньшей мере ее влияние сказывается на деформировании и прочности магматических, метаморфических и сцементированных осадочных горных пород. Наличие связанной воды в кристаллической решетке минерала снижает его упругость. Но в еще большей степени на деформируемость и прочность таких пород влияет наличие в микротрещинах, на контактах зерен или кристаллов адсорбционных пленок связанной воды. Они понижают поверхностную энергию минералов горной породы и тем самым облегчают развитие в породе различных механических микронарушений, дислокаций, микротрещин и т.д., особенно в том случае, если порода находится под напряжением. Вследствие этого порода начинает «ползти», она деформируется с той или иной скоростью при том же самом постоянном напряжении. Это одна из форм проявления так называемого эффекта Ребиндера - эффекта облегчения пластической деформации тел различной природы и снижения их прочности за счет явления адсорбции. Ускорение ползучести горных пород в условиях действия адсорбционных сред отмечалось неоднократно. Этот процесс широко развит в природе и целенаправленно используется человеком. Наиболее характерно он проявляется в условиях так называемой «наведенной сейсмичности» - активизации сейсмической активности территории в зоне влияния водохранилища после начала его затопления и возникновения искусственных землетрясений силой до 5 - 7 баллов. Происходящее после заполнения водохранилища просачивание по тонким порам и трещинам связанной воды в прилегающие массивы горных пород вызывает понижение поверхностной энергии слагающих их минералов. При этом в напряженных горных породах интенсивно начинают развиваться дислокации и растут микротрещины. За счет этого происходит релаксация напряжений в массиве, их ослабление, что выражается макроскопически в виде сейсмических колебаний массива в целом и сброса напряжений. Процесс этот носит кинетический характер, связанная вода очень медленно проникает вглубь массива, и к тому же разные минералы в горных породах избирательно проявляют эффект Ребиндера. По этим причинам наведенная сейсмичность затухает обычно долго, в течение 3 - 5 лет. Однако этот пример не единственный. Практически все горные породы (в том числе магматические и метаморфические) можно рассматривать как дисперсные системы, то есть имеющие большую удельную поверхность, образованную внутренними границами раздела между минеральными фазами одинакового или разного состава. В последнее время учеными установлено, что связанная вода может внедряться в поликристаллические скальные породы по этим сплошным межзеренным и межфазным границам и оставаться там неопределенно долгое время. Такая «межзеренная пропитка» наиболее вероятна в породах, для которых наблюдается полное смачивание свободной поверхности водой, а также происходит снижение прочности породы не менее чем вдвое. С ростом температуры и напряжений круг пород, в которых проявляется данный эффект, еще больше расширяется.
Приведенный материал показывает, какую большую роль играет связанная вода в формировании свойств различных горных пород, а значит, и в развитии многих геологических процессов. В одной статье нет возможности привести все многочисленные данные, которые накоплены к настоящему времени о свойствах связанной воды. Дополнительные сведения читатели смогут найти в приводимой ниже литературе. Нет сомнения в том, что в ближайшее время будет достигнут еще больший прогресс в исследовании связанной воды в горных породах.
Список литературы
вода горный порода химический
1. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Овчаренко Ф.Д. и др. Вода в дисперсных системах. М.: Химия, 1989. 288 с.
. Злочевская Р.И., Королев В.А. Электроповерхностные явления в глинистых породах. М.: Изд-во МГУ, 1988. 177 с.
. Поверхностные пленки воды в дисперсных структурах. / Под ред. Е.Д. Щукина. М.: Изд-во МГУ, 1988. 279 с.
. http://www.geostandart.ru