4. Виды воды в земной коре.

В подземной части гидросферы могут быть выделены 2 принципиально различные группы подземных вод: 1) воды в связанном состоянии – не способны к самостоятельному движению; 2) воды в свободном состоянии – способны к самостоятельному движению.

1)Вода в связанном состоянии - входит в состав породообразующих минералов или минеральных соединений, она связана с поверхностью минерального скелета ГП.

Лед является условно связанной, несвободной водой.

а)Химически связанная вода – это вода, связанная с кристаллической структурой минерала. Существует в форме: конституционной воды, которая входит в состав решетки минералов в виде отдельных ионов (в немолекулярной форме: H, OH), ее удаление возможно только путем нагревания до высоких температур более 400°С, при этом происходит перестройка решетки; кристаллизационной воды, которая входит в кристаллическую решетку минералов в виде молекул H₂O (например: гипс CaSO₄·2 H₂O, мирабилит CaSO₄·10H₂O); цеолитной воды, связанной с минералами очень непрочно, выделяется при температуре 80-200°С, минерал при удалении этой воды сохраняет кристаллическую структуру, но меняет свои оптические свойства.

б)Физически связанная вода – связанная с частицами ГП. Выделяется прочно связанная и рыхло связанная вода. Прочно связанная (адсорбированная, гигроскопическая) – присуща главным образом глинистым ГП, частицы которых коллоидных размеров (0,05 мм).На частицах вода удерживается молекулярными и электрическими силами сцепления, она может перемещаться только при переходе в пар. Частицы окружены несколькими слоями воды (1,3,10…10-20 молекул). Удалить ее можно при нагревании 100-120°С. Для растений она недоступна, они не могут оторвать ее от частиц ГП. Рыхло связанная (слабо связанная, пленочная) – образует пленку поверх прочно связанной воды. Основной признак – она может передвигаться от одной частицы к другой. Передвижение происходит от мест, где толщина пленки больше к местам, где пленка тоньше. Содержание этой воды в глинистых и микрозернистых породах значительно больше, чем в крупнозернистых. Прочно связанная и рыхло связанная вода иногда объединяются одним названием.

в)Молекулярная. Вода в твердом состоянии – образуется при отрицательных температурах и содержится в ГП в виде кристаллов льда, ледяных прослоев, жил. В ММП лед играет роль цемента, который скрепляет отдельные частички и превращает рыхлую породу в монолитную. Вне зоны ММП вода переходит в лед только в зимнее время (во время отрицательных температур).

2)Вода в свободном состоянии – способна передвигаться под действием силы тяжести, ее количество в ГП зависит от размера пор и трещин. В глинистых породах ее количество невелико, так как поры очень мелкие, и они заполнены связанной водой. Преобладает в крупнообломочных и трещиноватых породах.

а)Капиллярная вода – заполняет капиллярные поры и трещины пород (ширина менее 0,25 мм). Она удерживается и передвигается в породе под действием сил поверхностного натяжения (капиллярные, минисковые), которые возникают на границе раздела воды и воздуха. Поднимаясь выше уровня ПВ она образует зону капиллярного поднятия и отделяется от зоны аэрации капиллярной каймой. Высота капиллярного поднятия зависит от диаметра пор, гранулометрического и минерального состава пород, химического состава воды. Высота капиллярного поднятия изменяется от 0 (гравий, галька) до 3-4 см (крупнозернистые пески) и достигает 6-12 м (глинистые породы).

б)Гравитационная вода – подземная вода, которая движется в порах и трещинах ГП под действием силы тяжести, обладает растворяющей способностью, передает гидростатическое давление, оказывает механическое действие на породу (например процесс суффозии). Различают инфильтрационные воды(просачиваются через слой породы сверху вниз, например атм. осадки), инфлюационные (вытекающие, свободно перемещающиеся по трещинам и пустотам) и фильтрационные (перемещающиеся в пласте от высоких гипсометрических отметок к низким, движутся в виде потока.

в)Парообразная вода – существует в виде молекул H₂O, занимает поры и пустоты, свободные от жидкой воды. Образуется из других видов воды при испарении, изменении температуры и давления.

5. СОСТАВ И СТРОЕНИЕ ПОДЗЕМНОЙ ГИДРОСФЕРЫ

В зависимости от условий залегания подземных вод и их движения гидрогеологический разрез ЗК в обобщённом виде можно представить таким образом (сверху вниз):

1. зона аэрации – буферный слой между атмосферой и гидросферой.

Мощность: первые см-м (на равнинных пониженных участках) до 200-250 м (разделяются междуречьем пространства и горных районах). Через зону аэрации происходит вертикальное просачивание – инфильтрация по свободным порам атмосферных осадков или поверхностных вод. Эта зона заполняется периодически, является зоной неполного насыщения.

Верхняя граница не совпадает с поверхностью Земли, находящейся несколько ниже.

Нижней границей считается уровень подземных вод первого водоносного горизонта от поверхности.

В нижней части зоны залегает горизонт капиллярной воды. Его называют иногда зоной капиллярного поднятия.

В этих трёх зонах происходит воздействие строительных сооружений.

2. Криолитозона выделяется в области распространения ММП, обычно захватывается часть 1) и 3). Мощность от первых м до 1 000-1 500 м и более.

Основная масса подземных вод находится в твёрдом состоянии в виде льда, а также в виде физически связанной воды.

Свободная гравитационная вода в пределах криолитозоны может быть связана с участками, которые находятся в талом состоянии.

Повышенная минерализация – вода в свободном состоянии и для её замерзания необходимы более отрицательные температуры.

3. Зона насыщения (зона полного насыщения) охватывает верхнюю часть разреза ЗК, от уровня первого водоносного горизонта (от зоны аэрации) до глубин 8-20 км.

В пределах зоны полного насыщения свободное пространство в ГП – поры, трещины, пустоты – полностью заполнено свободной гравитационной водой и физически связанной за исключением, где пары газа.

Нижняя часть разреза ЗК до границы с верхней мантией рассматривается как зона, содержащая подземные воды в надкритическом состоянии. Мощность 20-30 км и более.

4. Зона подземных вод в надкритическом состоянии. Вода в надкритическом состоянии – особый вид подземной воды с температурой и давлением выше критических: температура 347-450 ⁰С, давление 2,2-3,2*10⁴ кПа.

Это газово-жидкий раствор, флюид. Скорость движения молекул в нём приближается к скорости движения газа.

Способность к растворению в десятки раз увеличивается. Физические свойства у этой воды такие же, как у газа.

Образование этой воды связано с кристаллизацией магмы, с термо- и динамометаморфизмом.

При снижении давления эта «надкритическая вода» переходит в нормальную жидкость или нормальный пар.

Это сопровождается увеличением объема в 1,5-2 раза.

Считается, что надкритическая вода находится в мантии.

6. КРУГОВОРОТ ВОДЫ В ПРИРОДЕ

Круговорот воды в природе – это постоянное перемещение воды из одной сферы Земли в другую.

Климатический (гидрологический, большой и малый):

При испарении воды с поверхности океана происходит её переход из жидкого состояния в газообразное. Поднимаясь вверх, в атмосферу, воздух охлаждается, водяной пар опять переходит в жидкое состояние (конденсируется). Образуются видимые с Земли облака, из которых выпадают осадки. Попадая на поверхность земли, они частично просачиваются в почву, частично стекают. Происходит заключительный этап мирового круговорота воды – сток поверхностных и подземных вод суши в реки, озёра, а из них – в Мировой океан. Не вся вода возвращается в океан одновременно. Дольше всего она задерживается в ледниках и глубоко залегающих подземных водах.

Гидрогеологический и геологический круговороты:

В качестве основных видов (составляющих) единой геологической формы движения материи применительно к движению собственно подземных вод обычно рассматриваются два основных вида круговорота воды в ЗК – гидрогеологический и геологический.

Гидрогеологический круговорот воды в ЗК чаще рассматривается как составная часть более сложного гидрологического (климатического), однако применительно к движению собственно подземных вод от должен рассматриваться самостоятельно. Этот круговорот объединяет движение парообразной, просачивающейся и физически связанной воды в зоне аэрации; переходы воды из твёрдого состояния в жидкое и обратно в пределах криолитозоны; движение парообразной, физически связанной и свободной гравитационной воды в зоне полного насыщения. Через поверхность земли эта ветвь подземного круговорота теснейшим образом связана с процессами, протекающими в атмосфере и поверхностной гидросфере планеты, и через зону надкритических вод – с процессами, происходящими в нижней части ЗК и верхней мантии.

Важнейшей составной частью гидрогеологического круговорота воды является движение свободных (гравитационных) подземных вод в пределах зоны полного насыщения, определяемое единым понятием «подземный сток». В этом случае зона полного насыщения рассматривается как система в различной степени взаимодействующих потоков свободных (гравитационных) подземных вод, связанных с геологическими структурами разного типа и размера, отдельными слоями и толщами горных пород, зонами трещиноватости.

Геологический круговорот воды в подземной гидросфере неразрывно связан с историей развития ЗК и Земли. Основными геологическими процессами, определяющими формирование, масштабы и интенсивности геологического круговорота воды, являются процессы осадконакопления (седиментогенез), литогенеза и метаморфизма горных пород, а также процессы поглощения океанических вод в рифтовых зонах океанов с последующим перемещением и преобразованием этих вод в породах океанической и континентальной коры.

Процессы уплотнения глинистых пород и связанное с ними отжатие поровых вод наиболее резко происходят в верхней части разреза и с постепенно уменьшающейся интенсивностью продолжаются до глубины 3000—3500 м и более. Так, при погру­жении свежеосажденных илов на глубины до 100 м величина об­щей пористости уменьшается на 30—40% (от 70—80 до 40—45%), при этом отжимающиеся поровые растворы поступают главным образом через толщу перекрывающих неуплотненных пород об­ратно в бассейн осадконакопления. На глубинах 400—500 м пористость уменьшается до 36—40%, к глубине 2000 м — до 20% 3000 м — до 10% и менее, еще глубже пористость тонкодисперсных (глинистых) пород в процессе их уплотнения и литификации уменьшается до первых процентов. Уменьшение пористости тонкодисперсных пород при уплотнении приводит к отжатию из них больших объемов поровых вод, поступающих в подземную гидросферу. Причем если на первых стадиях уплотнения отжимается свободная и рыхлосвязанная вода, то при давлениях и температурах, характерных для глубин 3000—5000 м, возможно отжатие воды прочносвязанной с частицами минерального скелета. Кроме собственно процессов отжатия поровых вод дополнительные (весьма значительные) объемы воды высвобождаются из глинистых пород в результате дегидратации и литогенетических изменений состава глинистых минералов.

Рассматриваемый (первый) этап геологического круговорота воды, связанный с захоронением и отжатием поровых растворов, носит название седиментогенного (или элизионного), и подземные воды, образующиеся в результате этого процесса, называются седиментогенными (седиментационными).

Дальнейшее погружение осадочных пород в глубоких геологических структурах (известны структуры, где мощность пород осадочного чехла достигает 10-15 км и более) сопровождается процессами их метаморфизации (региональный метаморфизм), в результате которого происходит дальнейшее «обезвоживание» горных пород и связанное с этим формирование свободных подземных вод. Формирование свободной воды происходит в результате освобождения остаточных количеств прочносвязанной воды, сохраняющейся на стадии полной литификации осадочных пород (предположительно до 5% от объема породы), а также "ос­вобождения" кристаллизационных, цеолитных, а возможно, и кон­ституционных вод при перекристаллизации и дегидратации ряда глинистых минералов в процессе прогрессивного метаморфизма.

По современным оценкам количество воды, выделяющейся при метаморфизации некоторых типов основных пород (гидрослюды, монтмориллонита, каолинита и др.), может достигать 15—25% от их веса.

Названный этап геологического круговорота воды может рас­сматриваться в качестве метаморфогенного (метаморфогенные воды).

Принципиально другой ветвью геологического круговорота воды в земной коре являются предполагаемые процессы поглощения океанических вод в пределах рифтовых зон океана с последую­щим участием их в процессах серпентинизации мантийных пород и формирования океанической коры. Завершение этой ветви геологического круговорота воды с ее возвращением в поверхностную гидросферу предположительно может быть связано с процессами десерпентинизации (дегидратации) пород океанической коры при их погружении в районах глубоководных желобов и вулканической деятельностью. Количественные оценки массы воды, принимающей участие в данной ветви круговорота и возможных сроков «водообмена" являются в настоящее время весьма приближенными.

Формирование гидрогеологического и геологического круговорота воды в ЗК происходит не изолированно, а в условиях их тесного и постоянного взаимодействия. Включение «атмосферных» (метеорных) вод в геологический круговорот происходит путём «захоронения» воды с вновь формирующимися осадками и путём нисходящей фильтрации свободных гравитационных вод по проницаемым зонам глубинных и сверхглубинных разломов предположительно до зоны подземных вод в надкритическом состоянии и, возможно, глубже

.