Виды воды в горных породах

Первые классификационные построения с выделением различ­ных видов воды в горных породах были разработаны О. Мейнце- ром (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. Толстихина и др. С учетом разра­боток и построений этих авторов в подземной части гидросферы планеты могут быть выделены две принципиально различные груп­пы подземных вод: 1) воды в свободном состоянии, способные к самостоятельным формам движения, различным, в зависимости от конкретного вида воды; 2) 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: 1) пара (паро­образная); 2) гравитационной воды (просачивающейся капельно­жидкой, подземных потоков); 3) в надкритическом состоянии.

Воды в связанном состоянии включают пять видов: 1) вода, химически связанная с кристаллической структурой минералов;

2. вода, физико-химически и физически связанная с поверхностью минеральных частиц (скелета) горных пород; 3) вода переходного состояния от связанной к свободной, в том числе капиллярно-свя­занная; 4) иммобилизованная (вакуольная) вода; 5) вода в твердом состоянии.

Вода в парообразном состоя­нии (водяной пар) существует в виде молекул 11,0 (комплексов типа /гН-,0) в воздухе, запол­няющем пустоты в горных по­родах при их неполном насы­щении жидкостью, или в виде пароводяной смеси (парогидро- термы), образующейся из пе­регретых (t> 100°С) подземных растворов при резких уменьше­ниях давления (“вскипание”)

Рис. 2.1. Диаграммы фазового состояния волы в зависимости от температуры и давления (по К. Краускопфу)

(рис. 2.1).

В зоне неполного насыщения (верхняя часть разреза земной коры) водяной пар попадает в пустоты горной породы с атмо­сферным воздухом или формируется в результате испарения самих подземных вод (внутригрунтовое испарение). Движение молекул водяного пара в зоне неполного насыщения осуществляется в со­ответствии с изменением упругости водяного пара: от участков с большей к участкам с меньшей упругостью водяного пара, кото­рая зависит от влажности и температуры воздуха. При 100%-й относительной влажности воздуха, характерной для зоны непол­ного насыщения, движение водяного пара осуществляется в соот­ветствии с градиентом температуры (в направлении понижения температуры горных пород).

Свободной гравитационной водой называются подземные воды, движение которых происходит под действием силы тяжести и (или) градиента гидростатического давления. Просачивающейся назы­вается подземная вода, формирующаяся в ненасыщенной зоне и передвигающаяся преимущественно в капельно-жидкой форме под действием силы тяжести. В ряде случаев для характеристики подобного движения гравитационной воды условно используется термин “подземное дождевание”.

Водой подземного потока называется свободная гравитацион­ная вода, передвигающаяся 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 (см. рис. 2.1). 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 pH, 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 рудооб- разования (Крайнов и др., 2004).

По существующим представлениям вода в надкритическом состоянии представляет собой газово-жидкий раствор (флюид), образование которого связано с кристаллизацией магм и с про­цессами термо- и динамометаморфизма.

При снижении давления “надкритическая” вода переходит в “нормальную” жидкость и пар (пароводяную смесь), что по су­ществующим представлениям сопровождается увеличением ее объема в 1,5—2,0 раза («Основы гидрогеологии». Т. 1. 1980).

Связанной называется 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).

Вода, химически связанная с кристаллической структурой мине­ралов, существует в форме кристаллизационной воды, входящей в кристаллическую решетку минералов в виде молекул Н₂0 (гипс CaS0₄ • 2Н₂0, мирабилит Na,S0₄ • ЮН₂0 и др.); конституционной (немолекулярная форма — Н, ОН^-) и координационно-связанной атомами или ионами решетки минералов. Связь с кристаллической решеткой минералов характеризуется величиной 84—840 кДж/моль. Удаляется из породы при нагреве 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 (анальцим Na₂Al₂S₄O_p • Н₂0, нонтролит Na₂Al₂Si₃O₁₀ • 2Н^О и др.) 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.

Вода, физико-химически и физически связанная с поверхностью минералов с энергией связи 0,42—84 кДж/моль, называется адсорб-

ционно-связанной или '''прочносвязанной'’. Она образует на поверх­ности минералов слои мономолекулярной и полимолекулярной ад­сорбции с общей толщиной пленки A_w = 0,001 —0,002 мкм (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Схема взаимодействия сил в системе твердая частица—вода (Крайнов и др., 2004, по Н.А. Цитовичу): а — схема расположения молекул воды в пределах диф­фузионного слоя твердой частицы, б — эпюра изменения поверхностных сил (Р) в зависимости от расстояния до минеральной частицы (С); 1—3 — вода: / — сво­бодная, 2 — адсорбированная “прочносвязанная”, 3 — поверхностных слоев

"рыхлосвязанная”

Вода переходного состояния: (от связанной — к свободной) подразделяется (Крайнов и др.) на следующие подвиды:

1. вода осмотически поглощенная (осмотическая), формирую­щаяся в области двойного электрического слоя за счет по­верхностно-осмотических сил (“рыхлосвязанная” вода). Тол­щина пленки h =0,001—0,01 мкм, возможно до 0,1 мкм;

W ⁷⁷

2. вода капиллярно-конденсированная из молекул водяного пара и капиллярно-осмотическая, формирующиеся в порах с диа­метром 0,001—0,1 мкм (капиллярно-“неподвижная” вода);

3. вода собственно капиллярная в сквозных порах с диаметром 1 — 100 мкм, обладающая способностью к капиллярному поднятию над свободным уровнем воды (см. капиллярная кайма), и капиллярно-гравитационная в порах с диаметром 10²—10³ мкм, способная передвигаться при небольших из­менениях давления.

Структура и свойства связанной воды изучены в основном применительно к тонкодисперсным глинистым породам (Злочев- ская и др.) По существующим представлениям адсорбционная (“прочносвязанная”) вода имеет так называемую “квазитвердую" (упорядоченную) структуру и ее свойства значительно отличают­ся от свойств свободной воды. В пленке толщиной до 0,001 — 0,002 мкм вода находится в “жидком” состоянии до — 10... 12°С и ее замерзание происходит постепенно в интервале температур от -12 до -80... 100°С.

Замерзание связанной воды в микрокапиллярах (d= 0,002— 0,1 мкм) в зависимости от размеров пор происходит при темпера­турах -1... 10°С.

По некоторым данным, плотность адсорбированной воды в среднем может достигать 1,2—1,5 г/см³. В отличие от свободной связанная вода характеризуется существенно отличными значения­ми вязкости, теплоемкости, электропроводности и др. (Крайнов и др., 2004).

По экспериментальным оценкам (П.А. Крюков, А.А. Родэ и др.), связанная вода (в отличие от свободной) имеет значительно более низкую растворяющую способность, в связи с чем адсорбционно­связанная “гигроскопическая” влага в глинистых породах может образовывать так называемый “нерастворяющий объем чистой воды” в полимолекулярном (до 10—20) слое, не содержащий раст­воренных солей.

Связанная вода (по-видимому, кроме капиллярно-гравитацион­ной) не передает гидростатического давления и не передвигается под действием силы тяжести.

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). По условиям формирования подобные изолированные пустоты могут быть различными: отдельные поры осадочных дисперсных горных пород, обособленные в результате цементации порового пространства (см. гл. 3); микропустоты в кристаллах и минералах, закрытые (изолированные) непосред­ственно в процессе минералообразования; изолированные микро­пустоты, формирующиеся при остывании и уменьшении объема магматических горных пород и др. 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 (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.