СВЯЗАННАЯ ВОДА В ГОРНЫХ ПОРОДАХ: НОВЫЕ ФАКТЫ И ПРОБЛЕМЫ

Рис. 3. Зависимость относительной вязкости связанной воды (h / h0) от толщины (h) водной пленки: h - вязкость связанной воды, h0 - вязкость свободной воды [1].

    Структурные эффекты аномальных свойств связанной воды хорошо прослеживаются в опытах по исследованию их температурной зависимости. Так, например, при повышении температуры вязкость связанной воды снижается (как и у свободной воды) и при температуре 65 - 70°С она становится такой же, как и у свободной воды, то есть при нагревании происходит тепловое разрушение структуры связанной воды, уменьшение толщины ее граничной фазы с искаженной структурой и переход в свободную воду. При понижении температуры, напротив, происходит обратное явление - структурирование связанной воды. Именно с этим связан и другой экспериментально обнаруженный и чрезвычайно интересный факт - понижение температуры замерзания связанной воды по сравнению со свободной. Известно, что фазовый переход вода-лед в свободной воде происходит при 0 °С (273 К). Однако в пленках связанной структурированной воды он осуществляется при более низких отрицательных температурах, и чем тоньше пленка воды, тем при более низкой температуре она замерзает. Это явление имеет огромное значение и следствием его является то, что, например, в мерзлых горных породах, находящихся при температуре намного ниже 0°С, может существовать вода в жидком состоянии. На рис. 4 показана температурная зависимость толщины пленки незамерзшей связанной воды на поверхности таких широко распространенных глинистых минералов, как каолинит и монтмориллонит.   

Рис. 4. Толщина пленки (h) незамерзшей воды в глинах в зависимости от температуры Т : 1 - каолинитовая глина, 2 - монтмориллонитовая глина [3].

Основная причина понижения температуры замерзания связанной воды - взаимодействие ее с твердой минеральной поверхностью, точнее - с ее активными центрами. Энергия взаимодействия молекул воды с активными центрами поверхности минералов, а также с находящимися в поровом растворе ионами больше, чем энергия взаимодействия молекул воды между собой. Это и приводит к тому, что активный центр нарушает сетку водородных связей в воде, а фазовый переход осуществляется лишь при более низкой температуре. Не менее интересным свойством связанной воды в горных породах является ее пониженная по сравнению со свободной водой растворяющая способность. Связанная вода способна растворять меньше солей, чем обычная вода. Это обстоятельство также является следствием измененной структуры связанной воды. Теория нерастворяющего объема, объясняющая это аномальное свойство связанной воды, была всесторонне разработана Б.В. Дерягиным, а само явление нашло много практических приложений. В том числе на нем основан один из прямых способов определения количества связанной воды в горных породах. Наличие нерастворяющего объема связанной воды играет большую роль в процессах геохимической миграции веществ в земной коре. 

Другое аномальное свойство связанной воды - понижение ее диэлектрической проницаемости в несколько раз по сравнению со свободной водой. Если для обычной воды диэлектрическая проницаемость равна 81, то для связанной воды эта величина уменьшается до 3 - 40, в зависимости от толщины водной пленки. По последним данным, прослойки связанной воды толщиной 0,5 - 0,6 нм имеют диэлектрическую проницаемость, равную всего 3 - 4. Структурные изменения связанной воды обусловливают и изменение ее температуропроводности. Отклонения температуропроводности связанной воды в сторону снижения от значений, характерных для свободной воды, начинают проявляться в водных пленках и прослойках толщиной менее 1 мкм. Чем тоньше слой связанной воды, тем в большей мере понижена ее температуропроводность. В прослойках толщиной всего 0,03 мкм температуропроводность понижена примерно на 30% по сравнению со свободной водой.
    Все эти и другие аномальные особенности связанной воды придают горным породам, в которых она находится, характерные специфические свойства, рассматриваемые ниже. Это и является одной из основных причин пристального внимания геологов во всех странах (прежде всего инженеров-геологов, гидрогеологов, геохимиков) к связанной воде.

Назад| Следующая страница