title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Виды воды в подземной гидросфере

Виды воды в подземной гидросфере

Постоянное взаимодействие воды с горными породами, газами, живым веществом обусловливает многообразие видов воды в подземной гидросфере. Классификация видов воды в горных породах может быть представлена в следующем виде: 1) вода в форме пара; 2) физически связанная вода — адсорбированная, пленочная; 3) свободная вода — вакуольная, капиллярная, гравитационная; 4) вода в твердом состоянии; 5) химически связанная вода — кристаллизационная, цеолитная, конституционная; 6) вода в надкритическом состоянии.
Вода в форме пара. Содержание пара в приземном слое атмосферы колеблется от десятых долей процента до нескольких процентов. Содержание пара в верхних слоях горных пород может быть и выше, но общее его количество не превышает 0,001 % от всей массы пород. Тем не менее эта форма воды имеет большое значений, так как является единственной, способной перемещаться при небольшой влажности породы, причем перемещение пара происходит от участков с большей влажностью и температурой пара к участкам с меньшими их значениями. Поэтому летом влага мигрирует от приповерхностных слоев вниз, где и конденсируется, а зимой перемещается к поверхности Земли, вблизи которой конденсируется и замерзает.
Пар в горных породах может поступать из воздуха или же быть продуктом испарения подземных капельно-жидких вод. Образовавшийся при этом пар движется вверх, в атмосферу. Таким образом, через парообразное состояние в верхней части литосферы— так называемой зоне аэрации — проходят огромные массы влаги, которая участвует как в пополнении ресурсов водоносных горизонтов в результате конденсации, так и в расходовании подземных вод вследствие их испарения.
Наряду с холодным паром в условиях современного вулканизма, например, образуется горячий пар, находящийся в смеси с перегретыми водами, имеющими температуру 300—300 °C и более. Такие парогидротермы наблюдаются у нас на Камчатке (Мутновское, Паужетское месторождения парогидротерм).
Физически связанная вода. Рассматриваемый вид воды присущ главным образом глинистым породам. Глинистые частицы окружены несколькими концентрическими слоями воды, и чем ближе слой к частице, тем сильнее он притягивается к ней (рис. 2.7). Связанная вода соответствует двум слоям: адсорбционному и диффузному. Коллоидная частица с неподвижным (адсорбционным) слоем молекул воды и катионов называется гранулой. Ta же частица с двойным слоем — неподвижным и подвижным (диффузионным) — называется мицеллой.

Адсорбированная (иногда называют прочносвязанной) вода образуется в результате сгущения паров на поверхности минеральных частиц. Эта вода удерживается на поверхности адсорбционными силами. Толщина слоя адсорбированной воды колеблется в пределах долей микрометра и зависит от минералогического состава, размера и формы частиц, состава ионов, влажности породы, атмосферного давления и температуры. Адсорбированная вода образуется с выделением до 400 Дж теплоты на 1 г воды. Эта вода трудноподвижна. Она удерживается у поверхности силами в десятки и сотни тысяч килоньютонов. По своим свойствам эта вода близка к свойствам твердого тела: плотность равна 1,2—2,4 г/см3 (в среднем 2). Температура замерзания от 0 до —78 °С, диэлектрическая постоянная 2—2,2 (у свободной воды она равна 81). Адсорбированная вода не может растворять соли и перемещается только в парообразном состоянии. Удаляется она из грунтов при температуре 105 °С. Эта вода определяет так называемую гигроскопическую влажность грунтов.
Максимальное количество адсорбированной воды, поглощаемое породой, называется максимальной гигроскопичностью. Для мелкозернистых и глинистых пород она достигает 15—18 %, а в крупнозернистых отложениях уменьшается до 5 %. Такое состояние пород возникает при полном насыщении водяным паром подземной атмосферы.
Пленочная вода (или вода поверхностных слоев) начинает образовываться с того момента, когда влажность пород достигает максимальной гигроскопичности. С увеличением толщины слоя диффузной воды утрачивается ее связь с минеральными частицами. Вода отрывается от них и переходит в свободное состояние. Характерной особенностью пленочной воды является способность перемещаться от более влажных участков слоев к менее влажным.
Пленочная вода не подчиняется силе тяжести, не передает гидростатического давления. Она удерживается в породе силами, в 70 000 раз превышающими силы гравитации. При литификации пород пленочная вода удаляется. Поэтому слабоуплотненные глины содержат большее количество пленочных вод, чем сильноуплотненные породы. Замерзает пленочная вода при —1,5 °C, и чем тоньше пленка, тем ниже температура замерзания. Количество пленочной воды в глинистых отложениях возрастает в глинах монтмориллонитового состава, в более тонкодисперсных породах — с уменьшением минерализации порового раствора.
Физически связанная вода называется еще и молекулярной. Максимальное ее количество, которое может удерживаться породой, считается максимальной молекулярной влагоемкостью породы, которая достигает в суглинках 10—20 %, в глинах — до 50 % от массы сухого образца.
Свободная вода. Состоит из воды вакуолей (включений в минералах), капиллярной и гравитационной.
Вода вакуолей представляет собой захороненные остатки проявлений древних гидротерм, заполняющих пустоты в горных породах. Эта вода может быть выделена при нагревании или механическом разрушении пород. Роль вакуольных вод в подземной гидросфере невелика, но их изучение дает важный материал для реконструкции условий образования пород.
Капиллярная вода может образовываться в местах соприкосновения минеральных частиц в виде отдельных капель (вода углов пор). Эти капли изолированы друг от друга поверхностями частиц и менисковыми поверхностями, неподвижны и находятся в как бы защемленном состоянии. При увеличении влажности грунта капиллярные поры полностью заполняются водой и образуются либо собственно капиллярные воды, если они соединяются с уровнем первого от поверхности Земли водоносного горизонта, или подвешенные капиллярные воды, если такой связи нет.
Капиллярные воды под действием капиллярных сил поднимаются выше уровня первого от поверхности Земли водоносного горизонта. Высота капиллярного поднятия зависит от гранулометрического состава пород (в мелкозернистых грунтах она больше, чем в крупнозернистых). Она уменьшается с увеличением плотности грунта, в однородных грунтах, с возрастанием плотности воды и понижением температуры воды.
Предельная высота капиллярного поднятия для крупнозернистого песка составляет 2—3,5 см, для среднезернистого песка — 12—35 см, для мелкозернистого песка — 35—120 см, для супеси — 120—350 см, для суглинка — 350—650 см, для глины — более 600 см. Капиллярное поднятие достигает максимальной высоты в крупнозернистых грунтах за несколько часов или суток, а в глинистых грунтах может происходить годами и даже десятилетиями.
Капиллярная влага приближается по своим свойствам к капельно-жидкой воде. Она способна передавать гидростатическое давление. Температура замерзания капиллярных вод несколько ниже 0 °С, и она тем меньше, чем тоньше диаметр пор, в которых находится капиллярная вода.
Гравитационная вода — это вода, находящаяся в физически свободном состоянии под действием силы тяжести. Свободная вода обладает свойствами обычной жидкой воды, среди которых наиболее важными являются: передача ею гидростатического давления, растворяющая способность, механическое действие на вмещающие породы.
Содержание гравитационных вод определяется характером пустот водовмещающих пород. Наибольшее количество этих вод наблюдается в галечниках, крупнозернистых песках, интенсивно трещиноватых породах. Глинистые и слаботрещиноватые породы содержат небольшое количество вод, а в глинах и породах, где размер пор и трещин очень мал, гравитационной воды почти нет.
Вода в твердом состоянии. Лед довольно широко распространен в верхней части литосферы, участвует в образовании многолетней, сезонной и кратковременной (часовой, суточной) мерзлоты. Макроформы подземных льдов весьма разнообразны (линзы, слои, жилы) и могут быть названы жильными льдами. Это — самостоятельная мономинеральная порода, залегающая в трещинах, полостях и пустотах других горных пород и образовавшаяся как в результате внедрения и замерзания подземных вод, так и вследствие захоронения наземных льдов — наледей, льдов водоемов, «снежников» и др., относящихся к так называемым погребенным льдам.
Кроме того, встречаются различные микроформы льдов. Так, например, лед-цемент образуется при промерзании увлажненных глинистых и песчаных пород за счет воды, находящейся в порах между частицами скелета породы. В зависимости от степени заполнения пор различают четыре вида цемента: контактовый — в местах контакта частиц скелета; пленочный — по поверхности частиц, но без сплошного заполнения пор; поровый — заполняет поры целиком; базальный — образует основную массу породы.
Свойства пород, содержащих воду в твердом состоянии, весьма отличаются от свойств тех же пород в талом состоянии. В значительной мере свойства мерзлых пород определяются льдистостью (содержанием льда), которая иногда достигает в песчаных и глинистых породах сотен и тысяч процентов по отношению к массе минеральной части породы.
Химически связанная вода. Объединяет кристаллизационную, цеолитную и конституционную формы воды. Все они входят в состав минералов в виде Н2О, ОН-, H+ и H3O+.
Кристаллизационная вода содержится в виде молекул НгО, постоянно сохраняя определенное их количество. Примерами минералов, содержащих кристаллизационную воду, могут служить гипс (CaSО4*2H2О), мирабилит (Na2SО4*10H2O), карналлит (KCl*MgCl2*6Н2О). Эта вода может удаляться из минерала при температуре около 100 °C. При дегидратации минерал изменяет свои свойства. Например, гипс при потере воды переходит в ангидрит, мирабилит в тенардит — минералы с другой кристаллической структурой и другими физическими свойствами.
Цеолитная вода является аналогом кристаллизационной, но количество молекул H2O в минералах может изменяться при сохранении физической однородности вещества. Примерами минералов с цеолитной водой могут служить опал (SiO2*nН2O), анальцим (Na[AlSi2O6]*H2O) и др.
Конституционной называют такую химически связанную воду, в которой кислород и водород участвуют в молекулярном строении минералов в виде гидроксильной группы (ОН-), входя в состав их кристаллической решетки. Ион водорода (H+) может заменяться кальцием, магнием, натрием, калием, железом. Конституционная вода может быть выделена только при разрушении кристаллической решетки минерала при температурах более 400 °С. К числу минералов, содержащих конституционную воду, относятся диаспор (AlO*ОН), мусковит (KAl2[AlSi3O10][OH]2), каолинит (Al4[Si4O10] [OH]8).
По А.С. Поваренных, переход от гидроксильной, преимущественно ионной связи к водородной, преимущественно ковалентной связи происходит по следующей схеме: 1) гидроксильная связь, расстояние ОН—H = 0,5—0,3 нм [NaOH, Ca (OH)2, Mg(OH)2 и др.]; 2) гидроксильно-водородная связь, расстояние ОН—H = 0,3/0,27 нм (Zn[OH]2, А1[OН]3, H2O, все кристаллогидраты); 3) водородная связь, расстояние О—H—O = 0,27/0,25 нм (NaHCO3, KHSO4, HAlO2 и др.).
Вода в надкритическом состоянии. Находится при температуре более 374—450 °C и давлении более 21,8 МПа. В этих условиях различия между жидкостью и газом отсутствуют. У такой воды водородные связи непрочные и молекулы распадаются на OН- и H+. Вязкость ее становится значительно меньше, что способствует возрастанию миграционных способностей. С повышением температуры и давления увеличиваются пределы растворения химических соединений в воде.
Воды в надкритическом состоянии залегают на больших глубинах, превышающих обычно 5—10 км, ближе к поверхности находятся в магматических расплавах и при снижении температуры и давления переходят в пар или жидкость. Изучение условий этих переходов имеет важное значение для понимания процессов гидротермального рудообразования и общих процессов теплообмена на нашей планете.
Многообразие видов воды в подземной гидросфере обусловлено, как уже говорилось, сложными механизмами взаимодействия воды с горными породами. В поверхностной (наземной) гидросфере это многообразие резко сокращается. В водоемах и водотоках вода присутствует в жидкой фазе и при замерзании, температура которого зависит от атмосферного давления и содержания солей в воде, переходит в твердую фазу. Поскольку лед всегда содержит какой-то объем пор и трещин, в результате возгонки в ледяном покрове (сезонном или постоянном) образуется и вода в форме пара. Вопросами фазовых переходов в поверхностных водах занимается гидрология, гляциология, океанология.
В гидросфере при температуре до 120 °C обязательно обитает живое вещество, причем живые существа не только не могут жить, если они не содержат воду, которую можно назвать физиологически связанной, но вода является для них той физико-химической средой, благодаря которой осуществляются реакции обмена веществ, обеспечивающие непрерывный процесс роста, обновления и разрушения живых тканей. Взрослый человек, например, на 65—70 % состоит из воды, причем основная часть массы приходится на внутриклеточную воду (50 %), остальное на межтканевую (15 %) и циркулирующую (5 %) воду. Содержание воды в живых и растительных организмах колеблется от нескольких десятков процентов до 99 %, Роль живого вещества и потребляемой им воды в протекании геологических процессов чрезвычайно велика. Даже физически связанная вода глинистых толщ, как показали исследования томских гидрогеологов и микробиологов, содержит значительные количества бактерий, содействующих активному протеканию физико-химических процессов в толще горных пород.

title-icon Подобные новости