Водно-физические свойства горных пород и их показатели

парообразную воду – гигроскопичностью. Передвижение водяного пара в

горных породах происходит, главным образом, под влиянием разности упру-

гости пара от области, где она выше, к области, где упругость пара ниже.

Вода в виде пара находится  и в других зонах земной коры, где породы

не полностью водонасыщены. Парообразная вода в глубинных зонах земной

коры участвует в процессах  рудообразования. Это представление нашло от-

ражение в выдвинутой теории С.М. Григорьевым гипотезе о существовании в

земных недрах "дренажной оболочки" между критическими термическими

уровнями для воды (374,15оС) и для растворов (400 – 450оС), на границах ко-

торой происходят фазовые  превращения воды и пара, образующие механизм

сортировки веществ по их удельному весу.

Гигроскопичная  вода (адсорбированная) образуется благодаря свойст-

ву воды прилипать к твердым веществам, в молекулы которых входят атомы

с повышенной электроотрицательностью, активно вступающие с водородны-

ми протонами в водородную связь.

Содержание адсорбированной  воды зависит от дисперсности пород,

минерального состава, состава и содержания обменных ионов, влажности ок-

ружающей среды, степени нарушенности естественного сложения пород. Ад-

сорбированная вода трудно подвижна. Удерживается у поверхности частиц

породы силами в сотни  и тысячи атмосфер. Свойства ее отличаются от ка-

пельножидкой воды. Так, плотность ее значительно выше единицы и изменя-

ется от 1,2 до 2,4 г/см3, оказывает заметное сопротивление сдвигу. Замерзает

при температуре от 0 до –780С.

Когда вокруг частицы образуется сплошная пленка воды толщиной в

одну молекулу, такое состояние влажности породы называют максимальной

гигроскопичностью. Количество гигроскопической воды определяется путем

высушивания породы при температуре  105-1100С до постоянного веса.

Пленочная вода (поверхностных слоев) – это вода, облипающая тон-

ким слоем частицы породы и прочно удерживаемая ими благодаря действию

молекулярных сил. Пленочная вода передвигается как жидкость от более тол-

стых пленок к более тонким. Количество этого вида воды может быть опре-

делено путем смачивания породы при условии свободного стекания излиш-

ней воды.

Влажность породы, отвечающую максимальной толщине пленки, А.Ф.

Лебедев назвал максимальной молекулярной влагоемкостью.

Капиллярная вода занимает капиллярные поры, стыки и тонкие тре-

щины в горных породах и удерживается силами поверхностного натяжения. В

зависимости от связи капиллярных  вод с гравитационными выделяют: под-

вешенные, стыковые и капиллярные каймы (рис. 2).

Подвешенные воды удерживаются силами поверхностного натяжения и

не имеют связи с  уровнем грунтовых вод зоны насыщения. Образуются при

фациально-изменчивом строении зоны аэрации.

Рис. 2. Виды капиллярной воды: а – подвешенная; б – стыковая

Стыковые капиллярные  воды образуются в углах пор и  стыках мине-

ральных частиц.

Воды капиллярной каймы  образуются в области непосредственной свя-

зи с грунтовыми водами зоны насыщения за счет капиллярного поднятия под-

земных вод.

Гравитационная  вода распространена в пределах водоносных гори-

зонтов, зон и комплексов, т.е. в породах, обладающих сверхкапиллярной

скважностью. Она легко  подвижна и подчиняется в основном силе тяжести.

Гравитационная вода стекает  из породы, может, откачиваться из нее.

Скорость ее передвижения зависит от проницаемости пород  и напора, кото-

рый испытывает эта вода. Она обладает всеми свойствами капельножидкой

воды, имеет различную  минерализацию, химический состав и  физические

свойства.

Вода в твердом  состоянии распространена в мерзлых горных породах.

Лед встречается в микроформах, равномерно распределяясь в горных породах

и цементируя ее, и макроформах – в виде ясно различимых кристаллов, их

скоплений, линз, прослоев, жил  и мощных толщ.

Химически связанная  вода принимает участие в строении кристалли-

ческих решеток различных минералов, например__・___, гипса (CaSO4·2H2O), сохра-

няя свою молекулярную форму. Кроме того, вода входит в состав гидратов

типа гидроокисей Ca(OH)2. В результате химических реакций распадаются

молекулы химически связанной  воды распадаются на ионы Н+ и ОН-. При

удалении химически связанной воды из минералов, они могут разрушаться

или переходить в другой вид.

Провести границу между  распространением того или другого  вида воды

невозможно. Все вместе они  образуют подземную гидросферу, где  все виды

воды взаимосвязаны, переход  из одного состояния в другое уравновешивает-

ся, компенсируется той же массой, которая в других местах освобождается из

соединений и переходит  в свободное состояние.

1.2.3. Участие воды в геологических процессах

Участие воды в геологических  процессах интересно рассматривать  с

позиций геологического круговорота  воды в природе. Вода участвует во всех

геологических процессах, выполняет созидающе-разрушительную работу и

имеет собственную историю  в недрах Земли [2].

Благодаря внедрению в  гидрогеологию современных методов  смежных

наук, прежде всего физики и химии (изотопный анализ, термодинамический

подход и т.п.), удалось в первом приближении оценить интенсивность и мас-

штабы геологической деятельности воды в отдельных процессах.

На больших глубинах (эндогенные процессы) геологическая деятель-

ность воды определяется, прежде всего, температурой и давлением, от кото-

рых зависят условия взаимодействия в системе вода – порода и фазовое со-

стояние раствора. Интерес представляют процессы, протекающие в земной

коре и мантии и характер обмена веществом в этих оболочках. При этом ве-

дущая роль многими учеными отводится флюидным потокам. Под флюидным

потоком понимается преимущественно  ювенильная поликомпонентная смесь

летучих веществ, преобладающим 12.96 Tf6элементом которых является вода в над-

критическом состоянии. Вода может находиться во включениях кристаллов

или между ними, а в виде гидроксила ОН- входит в состав ряда минералов.

Источником воды служат также  гидратные системы типа гидрогранатов

Ca3Al2(OH)12 или соединения Mg(OH)2 и др.

Кроме воды в составе флюида в различных количествах присутствуют

CO2, HCl, HF, H2 и другие газы. Миграция флюида из мантии в земную кору

сопровождается изменением его химического состава в  зависимости от тем-

пературы и давления, окислительно-восстановительной обстановки и парци-

ального давления составляющих флюид газов.

Флюидный режим влияет на генезис месторождений (особенно рудных)

полезных ископаемых и  гидротермальную деятельность.

Магматические расплавы, в которых вода может присутствовать как в

газообразной, так и в жидкой фазе на протяжении всего пути от места зарож-

дения до места кристаллизации непрерывно взаимодействуют с флюидами.

Водообмен на этапах раздвижения океанического дна и погружения океани-

ческой коры, обогащенной водными минералами, характеризуется гигант-

скими объемами. Вода, являясь одним из летучих компонентов магмы и об-

ладая высокой энергией активации, оказывает большое влияние на фазовые

равновесия в магматических  системах и на физические свойства силикатных

расплавов (резкое понижение температуры плавления).

Исследования в районах  современного вулканизма свидетельствуют  о

значительной роли воды и  в вулканических процессах.

Огромна роль воды и в  осадочном породообразовании. Изменение об-

лика Земли начинается с воздействия воды и проявляется  в механической ра-

боте. Механическая деятельность воды включает следующие главные процессы: вымывание и перенос минеральных частиц текущими водами – твердый

сток, вынос частиц породы фильтрующимися подземными водами –  суффо-

зия.

Твердый сток осуществляется как поверхностными водами, так и  в глу-

бине массива без реализации выноса частиц на поверхность земли. Наиболее

ярко суффозия проявляется, когда подверженные суффозии отложения  под-

стилаются закарстованными породами.

В целом осадочный цикл объединяет мобилизацию вещества при вы-

ветривании материнских пород; его перенос и осаждение в бассейнах акку-

муляции (седиментогенез); постседиментационные изменения (собственно

литогенез), приводящие к преобразованию осадка в породу в результате пе-

ремещения в более глубокие части земной коры. Наличие воды – обязатель-

ное условие протекания любой стадии осадочного цикла [8].

Значительная роль отводится  воде в тектонических и сейсмических

процессах. Вода является фактором, ухудшающим сейсмические условия

территории. Различают три  группы гидрогеологических предвестников  зем-

летрясений: гидрогеодинамические (изменение уровня, напора или расхода

подземных вод); гидрогеохимические (возрастание минерализации, концен-

трация таких компонентов как фтор, бром и др., изменение содержания гелия

в термальных водах); гидрогеотермические (изменение температуры подзем-

ных вод).

При непосредственном участии  воды протекает подземная химическая

денудация, биохимические  процессы, а также образование  и развитие мерз-

лых пород.

Несмотря на то, что вода участвует во всех геологических  процессах,

она является самым уязвимым звеном в разрезе земной коры. Геологические

последствия техногенного воздействия  на подземную гидросферу многооб-

разны, но выделяются два  основных направления: закачка техногенных  вод в

недра Земли и извлечение (откачка) подземных вод для различных  целей.

Геологическая деятельность техногенных вод будет различна в зависимости

от их свойств, температуры, режима водообмена и других показателей.

1.3. Типы подземных вод

 

Вопросами гидрогеологической стратификации занимается региональ-

ная гидрогеология, которая изучает закономерности распространения и формирования, а, следовательно, и возможности использования подземных вод в

пределах конкретных территорий.

Основой гидрогеологического  районирования является выделение  так-

сонов – гидрогеологических систем с едиными условиями формирования

подземных вод, включающих области  питания, распространения и разгрузки.

Гидрогеологическая  система (ГГС) – это совокупность геологических тел,в

которых подземные воды связаны между собой и движутся по единым зако-

нам. Гидрогеологические системы  имеют границы разного типа: геологиче-

ские, геоморфологические, литолого-фациальные, тектонические. Границы

могут быть представлены контурами урезов рек, озер; контурами, по которым

водоносные породы отделяются от водоупорных; уровнем подземных  вод и

др.

Нижней границей гидрогеологических систем являются водоупорные

породы. Верхняя внешняя  граница зависит от того, какой  преобладающий тип

подземных вод (грунтовые или напорные) содержит ГГС.

Исходными элементами ГГС, сложенных осадочными породами, могут

быть слои, горизонты, комплексы, а магматическими и метаморфическими –