Как горные породы взаимодействуют с водой

Свойства горных пород по отношению к воде

Водные свойства горных пород зависят от их минерального и гранулометрического состава, строения (структуры), сложения (текстуры), трещиноватости (скважности) и пористости.

Влажность пород в естественных условиях W_Q характеризуется количеством воды, содержащейся в их порах и трещинах в данный момент. Влажность пород изменяется во времени и в пространстве. Она определяется отношением количества воды (массы или объема) к массе или объему содержащей ее породы (измеряется в %). Влаж­ность является важной характеристикой пород, определяющей их прочность и поведение под действием инженерных сооружений. Используется она и при водно-балансовых расчетах. Влажность пород определяют в лаборатории (метод высушивания) и полевых условиях (нейтронный каротаж, тензиометрический и другие ме­тоды).

Влагоемкостъ — это способность горных пород вмещать и удер­живать в своих пустотах определенное количество воды при воз­можности ее свободного стекания. Она определяется лабораторным путем, выражается в процентах (по массе или объемных), исполь­зуется при гидрогеологических расчетах для определения других параметров (пористости, водоотдачи и т.п.).

Различают следующие виды влагоемкости: полную — макси­мальное количество воды, удерживаемой породой при полном на­сыщении всех пустот водой; капиллярную — максимальное коли­чество воды, удерживаемое в капиллярных порах; пленочную (или максимальную молекулярную) — максимальное количество физи­чески связанной воды, удерживаемой частицами породы; гигроско­пическую, соответствующую количеству прочно связанной (адсор­бированной) воды.

По степени влагоемкости горные породы подразделяются на следующие виды: очень влагоемкие (торф, ил, глина, суглинки); слабо влагоемкие (мел, мергель, лёссовые породы, супеси, мелко­зернистые пески); невлагоемкие (скальные породы, галечники, гравий, крупнозернистые пески).

Водоотдача — это способность водонасыщенных горных пород отдавать гравитационную воду при возможности ее свободного сте­кания. Численно водоотдача характеризуется коэффициентом во­доотдачи [х, представляющим собой отношение объема свободно отдаваемой воды к объему всей породы (величина безразмерная). Водоотдача зависит от размеров и структуры пор и трещин.

Наилучшей водоотдачей обладают породы с крупными порами и пустотами (гравий, галечник, крупнозернистые пески), у которых коэффициент водоотдачи близок по величине к коэффициенту по­ристости или полной влагоемкости и изменяется в пределах от 0,15 до 0,4. Более мелкозернистые песчаные и суглинистые породы об­ладают незначительной водоотдачей (0,15—0,005), которая опреде­ляется по разности между полной и максимальной молекулярной влагоемкостью.

Водоотдача является важным гидрогеологическим параметром, широко используемым при решении задач водоснабжения, осу­шения, прогноза подпора и др. Определяется она лабораторными и полевыми методами, а также по данным наблюдений за режимом подземных вод. Близким к водоотдаче параметром является коэф­фициент недостатка насыщения , характеризующий способность горных пород принимать гравитационную воду при их насыщении. Численно коэффициенты водоотдачи и недостатка насыщения близки между собой, однако недостаток насыщения может быть больше водоотдачи. Обычно его определяют по разности между полной влагоемкостью и естественной влажностью. Оба показателя широко используют при гидрогеологических расчетах.

Коэффициент фильтрации, как это следует из формулы закона Дарси, представляет собой скорость фильтрации при напорном гра­диенте, равном единице. Размерность его: м/сут, м/ч, см/с. Опре­деляется коэффициент фильтрации с помощью лабораторных ме­тодов, полевых опытно-фильтрационных работ, геофизических исследований и эмпирических формул с использованием данных о гранулометрическом составе, пористости и других свойствах гор­ных пород.

Водопроницаемость — это способность горных пород пропускать через себя (фильтровать) воду. Водопроницаемость зависит от гра­нулометрического состава пород, размеров пустот и трещин, свойств фильтрующейся жидкости и других факторов. Количе­ственно она характеризуется коэффициентом фильтрации, явля­ющимся одним из основных гидрогеологических параметров, ши­роко используемым при различных геофильтрационных расчетах и гидродинамических прогнозах.

Выше уже отмечалось, что чем больше зернистость и крупнее обломки слагающих породу частиц, тем больше ее водопроницае­мость. Для ориентировочного определения коэффициента филь­трации зернистых пород нередко используют эмпирические фор­мулы, учитывающие зависимость водопроницаемости от грануло­метрического состава, пористости и других показателей.

Источник

Водные свойства горных пород

Наличие в горных породах той или иной природы действующих сил определяет и их водные свойства: влагоемкость, естественную влажность, водоотдачу, недостаток насыщения и водопроницаемость.

Влагоемкость — способность горных пород вмещать и удержи­вать определенное количество воды. По степени влагоемкости все породы можно подразделить на весьма влагоемкие (торф, ил, суг­линок, глина), слабо влагоемкие (мергели, мел, рыхлые песчаники, лёсс, мелкие пески) и невлагоемкие (массивные изверженные и осадочные породы, галечник, гравий, песок и т.д.).

Количество воды, соответствующее полному насыщению породы, определяет ее полную влагоемкость.

Все виды влагоемкости выражаются обычно в % массы соответствующего вида воды к массе сухой породы.

Различают также естественную влажность We, которая харак­теризует горные породы в естественном их залегании, и дефицит насыщения породы D_п — разность между полной влагоемкостью и естественной влажностью породы.

Определение естественной влажности имеет большое практичес­кое значение, особенно при оценке физико-химических свойств горных пород.

Водоотдача — способность водонасыщенных пород отдавать гравитационную воду путем ее свободного вытекания.

Водопроницаемость — способность горных пород пропускать через себя воду при наличии перепада давления. Водопроницаемость не зависит от пористости, а зависит от размера пор..

2.2.5. Понятие о водоносных пластах и горизонтах, комплексах и бассейнах подземных вод

Различные пористость и трещиноватость горных пород приводят к неравномерному распределению воды не только в зоне аэрации, но и в зоне насыщения. Поры и трещины небольшого размера хотя и позволяют породе содержать значительные количества воды, но затрудняют ее движение, что делает породу слабо проницаемой, и, наоборот, большие поры и трещины способствуют свободному перемещению подземных вод. Поэтому в гидрогеологическом отно­шении все породы делятся на три группы:

1) водопроницаемые — галечники, гравий, песок, рыхлые песча­ники и все сильно трещиноватые породы;

2) полупроницаемые — глинистые пески, лёсс, известняки, пес­чаники и слабо трещиноватые метаморфические и магматические породы;

3) практически непроницаемые — глины, суглинки и все мас­сивные кристаллические и осадочные породы, если они не трещи­новатые.

2.2.5.1. Водопроницаемые и полупроницаемые породы образуют в земной коре систему водоносных горизонтов. Водоносным горизонтом на­зывается водопроницаемый пласт, насыщенный водой, находящей­ся в постоянном движении благодаря гидравлической связи и перепаду давления, существующих во всем пласте, и ограничен­ный водонепроницаемыми породами снизу и сверху или только снизу. Пласт, подстилающий водоносный горизонт, называется подошвой, а пласт, перекрывающий его, — почвой водоносного горизонта. Поверхность, образованная подземными водами, носит название зеркала подземных вод. Для первого от поверхности водоносного горизонта, воды которого называются грунтовыми, зеркало является границей, разделяющей зону аэрации и зону полного насыщения.

Различают напорные и безнапорные водоносные горизонты.

Без­напорные водоносные горизонты не имеют перекрывающих проница­емых горных пород, вследствие чего питание атмосферными осадка­ми происходит по всей площади их распространения и подземные воды испытывают только атмосферное давление.

Напорные водоносные горизонты, наоборот, перекрыты трудно проницаемыми горными породами и поэтому характеризуются давлениями, превышающими атмосферное. Питание этих горизонтов атмосферными осадками мо­жет осуществляться только на отдельных участках, где отсутствуют перекрывающие слабо проницаемые породы. Часто напорные водо­носные горизонты могут переходить в безнапорные и наоборот.

Для напорных водоносных горизонтов, кроме реально существу­ющей поверхности подземных вод, различают еще пьезометрическую поверхность.

На картах зеркало подземных вод изображается с помощью гидроизогипс, а пьезометрическая поверхность — гидроизопьез.Следовательно, первые представляют собой линии равных отметок реально существующей поверхности, водоносного горизонта, а вто­рые — линии равных напоров или отметок пьезометрической по­верхности.

Основными элементами водоносного горизонта являются область питания, область распространения и область разгрузки, которые представляют собой участки поверхности или части геоло­гических структур, определяющие гидродинамику водоносного горизонта (скорость, направ­ление движения, напор и т.д.).

1. Область питания — это зона, в пределах которой атмосфер­ные осадки могут проникать в гидравлическую систему. Преобла­дающими направлениями движения подземных вод в этой части водоносного горизонта могут быть нисходящее вертикальное и частично горизонтальное. Водоносный горизонт в этой зоне непосред­ственно связан с зоной аэрации, обеспечивающей его питание. Вместе с тем питание водоносных горизонтов происходит не только атмосферными осадками или поверхностными водами, но и за счет других водоносных горизонтов. В этом случае говорят о закрытой или внутренней области питания.

2. Область распространения (напора) подземных вод — про­межуточная зона между областями питания и разгрузки, которая является основной по площади развития. В пределах этой области преобладающим направлением движения подземных вод является горизонтальное. Для безнапорных водоносных горизонтов эти две первые области, как правило, совпадают.

3. Область разгрузки — зона, в пределах которой подземные воды выходят на поверхность земли или переливаются в другой водонос­ный горизонт (скрытая разгрузка). Направления движения подзем­ных вод могут быть вертикальными восходящими или нисходящими.

В местах выхода подземных вод на поверхность образуются источники или родники, представляющие собой по существу сво­еобразные природные сооружения, из которых непрерывно ведется откачка воды и около которых всегда наблюдается депрессия в водоносном горизонте.

А.М. Овчинников предлагает различать стоки разгрузку подзем­ных вод. Первое характерно для вод, имеющих свободную повер­хность, а второе — для напорных вод.

Расход, или дебит, любого родника зависит от четырех основ­ных переменных:

1) проницаемости пород;

2) площади области питания;

3) объема питания

4) геологического строения места выхода воды.

2.2.5.2. Более крупной единицей гидрогеологической стратификации является водоносный комплекс, который представляет собой группу гидравлически связанных между собой водоносных горизонтов, одинаковых или разных по литологическому составу, разделенных слабо водопроницаемыми породами относительно небольшой мощно­сти и имеющих близкие условия питания и разгрузки. В отличие от водоносных горизонтов в водоносном комплексе напоры подземных вод могут, хотя и незначительно, изменяться в вертикальном разрезе, что определяется степенью проницаемости пород отдельных горизонтов.

2.2.5.3. Система водоносных комплексов, связанная единой областью питания и разгрузки, образует бассейн подземных вод. Последние широко развиты в пределах различных геологических структур: синеклиз, мульд, краевых и предгорных прогибов, межгорных впадин, грабенах, зонах тектонических разломов и т.д. Бассейны, заполнен­ные напорными водами, называются артезианскими.

Самым крупным подразделением геологической стратификации является гидрогеологический этаж или водоносная формация(мнение исследователей в этом вопросе расходятся). В нее объеди­няются водосодержащие литологически и генетически однородные, хотя часто и разновозрастные бассейны, характеризующиеся близ­кими условиями залегания, распространения, питания и разгрузки подземных вод.

Водоносные формации часто разделяются регионально выдер­жанными водоупорами и включают несколько водоносных комплек­сов. Каждая такая формация отличается от другой историей палеогидрогеологического развития, гидродинамическими и гидрогеологи­ческими особенностями.

2.2.6. Геологический круговорот воды

Геологический круговорот воды в земной коре в отличие от климатического обусловлен непрерывным движением отдельных ее участков в вертикальном и горизонтальном направлениях в связи с общей тектонической жизнью Земли. Начало этого круговорота связано с бассейнами осадконакопления.

Свежесформированный осадок в бассейнах седиментации пред­ставляет собой в подавляющем большинстве случаев рыхлое или текучее тело, резко обводненное, богатое микроорганизмами и со­стоящее из весьма разнородного химико-минералогического матери­ала. Важ­нейшей чертой этого осадка является наличие большого количества воды. По мере того, как происходит погружение зоны осадконакопле­ния в результате давления перекрывающих слоев и уплотнения илов, ведущего к превращению их в породы, содержание воды в илах начинает уменьшаться. Уплотнению подвергаются и образую­щиеся из илов глины вплоть до превращения их в сланцы. При этом идет снижение пористости и выжимание воды. Последнее особенно характерно для глинистых осадков.

Несмотря на то, что пористость горных пород с глубиной неуклонно уменьшается, но даже на значительных глубинах (6-10 км) встречаются зоны с высокой пористостью и проницаемостью.

Отжимаемая из иловых осадков вода сначала возвращается в водоем, где происходит осадконакопление. В дальнейшем она отжи­мается в коллекторские пласты, преимущественно песчаные, залега­ющие между уплотняемыми слоями глин. В песчаных пластах с самого начала их образования тоже находится седиментационная вода, но она постепенно уступает место водам, выдавливаемым из глин, так как геостатическое давление, господствующее в уплотня­ющихся слоях глин, в 2 раза и более превышает гидростатическое давление, господствующее в практически несжимаемых песчаниках. Геостатическое давление в глинах, передаваясь на заключенные в них воды, создает в них давление, превышающее давление в кол­лекторах. В дальнейшем движение вод в водоносных горизонтах происходит в соответствии с гидравлическим уклоном, направлен­ным от мест наибольшего прогибания и выжимания к местам от­носительно меньшего тектонического движения.

Основная часть свободных вод отжимается уже на первых сотнях метров погружения осадка, но на этом отжатие вод не прекраща­ется, поскольку в дальнейшем в этот процесс включаются связан­ные воды вплоть до адсорбированных и кристаллизационных.

Следовательно, первый этап геологического круговорота воды, связанный с захоронением осадков на большие глубины, может быть назван седиментационным. Его формирование происходит в услови­ях отжатая воды из захороняющихся горных пород, т.е. в условиях элизионного режима.

Геологический круговорот воды седиментационным этапом не заканчивается, так как продолжающе­еся прогибание территории приводит к дальнейшему погружению осадочных пород и связанных с ними подземных вод.

После уплотнения и полной литификации осадков оставшиеся в них поровые воды составляют еще 2-5% от их объема. Эти воды в виде свободных выделяются при попадании осадочных толщ в зону прогрессивного метаморфизма, который, сопровождаясь пере­кристаллизацией пород, приводит к выделению в свободную фазу не только поровых, но и всех их кристаллизационных и конститу­ционных разностей, входящих в состав глинистых минералов. При этом происходит не просто освобождение воды или дегидратация горных пород, но и их дегидроксилирование, т.е. выделение гидроксильной группы ОН», а также ионов водорода и кислорода, которые, соединяясь, синтезируют молекулу воды. В этих условиях формируются вновь синтезированные, или возрожденные воды. Синтез воды делает зону метаморфизма качественно новым этапом геологического круговорота, который предлагается называть метаморфогенным.

Выде­ление воды при метаморфизме происходит медленно по мере пере­кристаллизации минералов, но этот процесс характерен практически для всех его этапов. Тем самым захороненная первоначально в осадочных отложениях вода в процессе метаморфизма постепенно полностью освобождается и занимает трещины и межгранулярные пространства горных пород, а также образует восходящие потоки к поверхности земли. Таким путем свободные воды по системе сообщающихся сосудов из зоны метаморфизма оказываются выве­денными снова к дневной поверхности, тем самым замыкая геоло­гический круговорот воды и создавая флюидные потоки из коровых (15-30 км) и мантийных недр земли.

Третий этап геологического круговорота – магматический связан с тем, что расширяющиеся и углубляющиеся разломы земной коры, процес­сы магматической деятельности способствуют активной миграции захороненных вод среди различных пород и вовлечению их в сферу действия климатического круговорота. В этих условиях формиру­ются разнообразные минеральные, газоносные, гидротермальные и другие воды. Подымающиеся и раскрывающиеся структуры подвер­гаются воздействию метеорных факторов, что еще усложняет гид­рогеологические условия и способствует вовлечению глубинных вод в общий круговорот.

Геологический круговорот воды, в отличие от климатического, совершается в различных термодинамических оболочках земной коры.

С развиваемых позиций пол­ный геологический круговорот воды складывается из трех этапов: седиментационного, метаморфогенного и магматического, каждый из которых в определенном смысле носит самостоятельный характер. В то же время все они являются частью более общего круговорота, играющего важнейшую роль в земной коре.

Геологический круговорот воды не изолирован от других источников воды — экзоген­ных (вадозных) и эндогенных (ювенильных). Так, по представле­ниям многих исследователей, в земную кору поступают воды из мантии, количество которых в настоящее время точно не известно.

2.2.7. Отличие геологического круговорота воды от климатического

Источник