Что делает вода с горными породами

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.

Источник

Виды вод в породах и минералах

Подземные воды, находящиеся в горных породах, крупных под­земных пустотах и магматических очагах, образуют подземную гидросферу. Все подземные воды связаны между собой, хотя эта связь осуществляется в геологическом времени. В отличие от наземной гидросферы подземная гидросфера неоднородна и строение ее весьма сложное. В земной коре воды и водные растворы находятся в горных породах в различной форме, при различных условиях, в связи с чем выделяются воды различных видов.

Воды литосферы почти полностью сосредоточены в осадочно­породных бассейнах. Объем воды, заключенной в осадочных по­родах, оценивается В.Ф. Дерпгольцем и другими исследователями примерно в 200 млн км 3 , а в кристаллических породах — 800 млн м 3 . Вода и водные растворы, находясь в горных породах, являются со­ставной частью водной оболочки земного шара, в виде пара вода содержится в воздухе и почве, в составе живых организмов, участвует в разнообразных геологических процессах, в образовании некоторых минералов, осадочных и многих изверженных пород и полезных ис­копаемых.

Известно, что нефть, газ и сопровождающие их воды залегают в недрах, насыщая поры, пустоты, каверны, трещины горных пород. Горные породы, способные содержать флюиды называют породами- коллекторами. Породы, не способные пропускать через себя флюиды, называют флюидоупорами или водоупорами. Хорошими кол­лекторами для подземных вод являются рыхлые четвертичные отло­жения — аллювиальные и флювиогляциальные галечники и пески, песчаники, трещиноватые известняки и изверженные породы. Во­доупорами служат глины, аргиллиты, плотные известняки, доло­миты.

Пустотное пространство горных пород характеризуется двумя основными параметрами:

• пористостью — долей пустотного пространства в общем объеме породы, выражаемой в % или долях единицы;
• проницаемостью — способностью породы пропускать через себя жидкости и газы при наличии перепада давления. Единица изме­рения проницаемости 1 дарси = 1 мкм 2 или КГ 12 м 2 .

По степени во­допроницаемости горные породы подразделяются на шесть групп:

1. Очень высокопроницаемые — галька, гравий, песок, интен­сивно закарстованные породы;
2. Высокопроницаемые — крупнозернистые и грубозернистые пески, трещиноватые породы;
3. Проницаемые — разнозернистые глинистые пески, песчаники, мергели, слабозакарстованные породы;
4. Слабопроницаемые — валунные суглинки, песчанистые глины, аргиллиты, незакарстованные известняки;
5. Весьма слабопроницаемые — глины, плотные нетрещино­ватые, массивные породы изверженные и осадочные;
6. Практически непроницаемые — плотные глины, гипсоанги­дритовые толщи, соль.

Вода, содержащаяся в порах и пустотах пород, существует в раз­личных агрегатных состояниях — жидком, твердом (лед), парообразном и надкритическом. По характеру связности жидкая вода подразделяется на свободную способную к самостоятельным формам движения, различным в зависимости от конкретного вида воды и связанную, не способную к самостоятельным формам движения без перехода в свободное состояние.

По новейшим классификационным схемам среди свободных вод выделяются: вода в виде пара (парообразная), свободная гравитационная вода (жидкая), капиллярная (свободная или слабосвязанная жидкая), вода в надкритическом состоянии, сорбционно-замкнутая вода (по А.А. Карцеву) (рисунок ниже), вода в твердом состоянии.

Схема видов воды в зоне аэрации

Зоны: I — аэрации; II — капиллярной каймы; III — насыщения; 1 — частица породы; 2 — молекулы воды в виде пара; 3 — частицы с неполной гигроскопичностью; 4 — частицы с гигроскопической (а), рыхло связанной или пленочной (б) и гравитационной (в) водой; 5 — частицы с адсорбированной (а), пленочной (б), капиллярной стыковой (в) водой; 6 — инфильтрирующаяся вода; 7 — контур выравнивания толщины пленки при движении воды от частицы А к частице В с более тонкой пленкой; 8— капиллярная вода.

Свободная гравитационная вода — вода в капельно-жидком со­стоянии, в проницаемых породах сверхкапиллярных порах, передает гидростатическое давление, содержит растворенные соли и газы, всегда находится в движении под действием силы гравитации или градиента гидростатического давления. Минерализация от не­скольких граммов до 35 г/дм 3 . При температурах ниже нуля гравитационная вода замерзает и содержится в породах, пустотах в виде льда, кристаллов льда, прослоев, играя роль цемента.

Капилтрная свободная или слабосвязанная вода заполняет капил­лярные поры и при полном их заполнении передает гидростатическое давление и находится под действием силы гравитации, а при неполном заполнении подчиняется лишь силам поверхностного на­тяжения воды (менисковые силы).

Вода в надкритическом состоянии — это вода с температурой и дав­лением выше критических. Для чистой воды критическая температура равна 374 °С, давление — 2,2 * 10 4 кПа. При высоких концентрациях растворенных веществ критическая температура возрастает до 450 °С, а давление до 3,5 * 10 4 кПа. При температуре и давлении выше крити­ческих скорость движения молекул Н₂О приближается к скорости движения молекул газа, т.е. можно считать, что здесь отсутствуют раз­личия между жидкостью и газом. При снижении давления надкрити­ческая вода переходит в жидкость или пар, увеличиваясь в объеме в 1,5-2 раза (Основы гидрогеологии. Т. I. 1980).

Сорбционно-замкнутая вода — капельно-жидкая вода (заполня­ющая в основном глины), изолированная от основной массы воды, насыщающей породу, слоями связанной, или стыковой, воды (по А.А. Карцеву, 1972). По физическим свойствам капиллярная, сорбционно-замкнутая и свободная гравитационная вода практи­чески не различаются.

Связанной называется вода, различным образом связанная с по­верхностью минерального скелета (частиц) породы или входящая в состав породообразующих минералов и составляющая более 40% всей воды в породе. Связанные воды удерживаются на поверхности минеральных зерен силами молекулярного сцепления или водород­ными связями, образуя слой в несколько сотен диаметров молекулы воды под действием электростатических сил и сил поверхностного натяжения, и называются физически связанными водами. Связанные воды целиком заполняют некоторые субкапиллярные поры и находятся у стенок поровых каналов большого диаметра. Плот­ность воды составляет 1,2—1,4 г/см 3 , она отличается по своим свой­ствам от свободной воды. Движение связанной воды происходит в сторону падения электрического потенциала. Она замерзает при температуре, близкой к -4 °С. Связанная вода делится на прочносвя­занную и слабосвязанную (рыхлосвязанную), физически и хими­чески связанную.

Среди физически связанной воды выделяют: прочносвязанную или адсорбированную; рыхлосвязанную или лиосорбированную; капил­лярную, осмотическую и стыковую воды (Е.М. Сергеев и др.).

Прочносвязанной (адсорбированной) называется вода, образую­щаяся на поверхности зерен в результате процессов адсорбции мо­лекул воды. Содержание прочносвязанной воды в зависимости от комплекса факторов составляет от 0,2 до 30% в монтмориллонитовых глинах. Она имеет упорядоченную структуру, плотность может достигать теоретически 1,84 г/см 3 . Свойства ее меняются по мере удаления от поверхности минеральной частицы и отличаются от свойств свободной воды: ее движение не происходит под дей­ствием силы тяжести, она не передает гидростатического давления, не замерзает при температурах ниже 0 °С, обладает другими диэлек­трическими свойствами, и теплопроводность, обладает меньшей растворяющей способностью, температура плавления 78 °С, удержи­вается давлением 1100 МПа, ее движение происходит только в паро­образном состоянии.

Рыхлосвязанная (лиосорбированная) вода подчиняется влиянию сил лиосорбции, образует пленку на стенках пустот (пленочная вода удер­живается молекулярными силами), передвигается в жидком виде в пределах пленки, в направлении меньшей концентрации и не пе­редает гидростатического давления. Ее плотность близка к плотности свободной воды (рисунок ниже).

Нахождение воды в породах

1 — молекулы воды; 2 — пленочная вода; 3 — свободная вода; 4 — частицы пород

Осмотическая вода формируется на внешней границе пленки прочносвязанной воды в результате проникновения молекул воды из грунтовых растворов с относительно более высокой концен­трацией катионов вблизи поверхности частиц и подчиняется осмо­тическим силам. Растворяющая ее способность низкая, подвижность близка к подвижности свободной воды, по свойствам и структуре она не отличается от свободной воды, слабо связана с частицами породы.

Капиллярная вода удерживается в капиллярных порах и трещинах минерального скелета под действием менисковых сил (сил поверхностного натяжения). При полном их насыщении может передавать гидростатическое давление, при частичном их заполнении подчиня­ется менисковым силам, способна передвигаться за счет разности температур (от холода к теплу), растворять и переносить соли. Тем­пература замерзания ниже 0 °С (от -6 до -19 °С). Выделяют:

• капиллярно разобщенную (стыковую) воду, образующуюся на стыках минеральных зерен;
• капиллярно-подвешенную воду, которая формирует при просачи­вании через поверхность земли в капиллярные пустоты почвенного слоя и тонкодисперсных пород (пески, однородные толщи) и удер­живается силами поверхностного натяжения в «подвешенном» состоянии, не достигая верхней границы полного насыщения;
• собственно-капиллярную или капиллярно-поднятую воду, которая образуется в результате подъема воды под действием сил поверх­ностного натяжения по капиллярным пустотам вверх над сво­бодным уровнем подземных вод, образуя под грунтовыми водами капиллярную кайму. Высота поднятия воды определяется разме­рами пустот, структурой порового пространства, дисперсностью пород. В песках она равна в среднем 50 см, а в супесях и глинистых породах 2-3 м. Эта вода передает гидростатическое давление, не пе­редвигается под действием силы тяжести, по ряду свойств отлича­ется от свободных вод. Она не замерзает при температуре -12 °С. Химически связанные воды входят в состав минералов в отличие от перечисленных форм физически связанных вод. Чтобы удалить химически связанную воду из минерала, его следует нагреть при­мерно до 200 °С, что может привести к распаду минерала. Среди этих вод выделяют: кристаллизационную, конституционную, цеолитную, окклюдированную или вакуольную, воду.

Кристаллизационная (кристаллогидратная) вода входит в состав кристаллической решетки минералов в постоянном количестве, например она входит в состав гипса CaSО₄ — 2Н₂О, гидроксидов СаО * Н₂О и др. Она может быть удалена из кристаллической ре­шетки минерала без полного разрушения минерала, а при переходе из одной формы в другую (гипс → ангидрит CaSО₄, монтморил­лонит → иллит).

Конституционная вода прочно входит в состав кристаллической решетки минералов, выделяется лишь при полном разрушении минералов при температурах 450-500 °С.

Цеолитная вода содержится в минералах в непостоянных количествах (например, в цеолитах, опале SiО₂ * nН₂О), минералах, близких к полевым шпатам, но отличающихся от них структурой кристаллической решетки (объемный каркас из кремнекислородных и алюмокислородных групп). К цеолитным относится связанная вода, находящаяся в межслоевых промежутках глинистых мине­ралов (монтмориллонита, иллита) и называемая межслоевой (межпакетной) водой. Ее количество может достигать до 24% массы мине­рала (монтмориллонит). При нагревании или повышении давления она выделяется без изменения структуры минералов.

Особое положение занимает вода, находящаяся в минералах в виде включений в совершенно замкнутых полостях (окклюдиро­ванная, или вакуольная вода).

Вакуольная (окклюдированная) вода — капельно-жидкая вода, на­ходящаяся в виде включений в совершенно замкнутых полостях (вакуолях). По своим свойствам она близка к свободной воде, так как содержит и растворенные вещества.

Таким образом, вода в различных формах заполняет поры и пустоты горных пород, обволакивает отдельные минеральные частицы и пронизывает все твердое минеральное вещество. Она на­ходится как в проницаемых породах, так и в водонепроницаемых. Компоненты водосодержащей осадочной породы образуют единую систему, включающую подсистемы:

• твердую фазу — скелет, цемент, обменный комплекс;
• жидкую фазу — воды, водные растворы, нефть;
• газовую фазу (по А.А. Карцеву).

Свободные воды представляют собой водные растворы, которые можно рассматривать как систему растворитель — растворенное вещество.

Источник