СВЯЗАННАЯ ВОДА В ГОРНЫХ ПОРОДАХ: НОВЫЕ ФАКТЫ И ПРОБЛЕМЫ

КАТЕГОРИИ ВОДЫ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ

    Связанная вода в горных породах неоднородна. В ней может быть выделен ряд категорий, отличающихся по природе и условиям образования, по свойствам и многим другим особенностям. С середины 30-х годов вплоть до нашего времени было предложено много различных классификаций воды в горных породах, но наиболее обоснованной является классификация Р.И. Злочевской (1988), согласно которой вода в горных породах может относиться к трем категориям: связанной, переходного типа и свободной (табл. 1).   

Таблица 1. Классификация воды в горных породах (по Р.И.Злочевской, 1988)

Согласно этой классификации, связанная вода удерживается в породе за счет химических и физических сил связи (с энергией 0,1 - 800 кДж/моль), действующих со стороны поверхности минералов и изменяющих структуру и свойства воды. Она бывает двух видов (см. табл. 1). К первому относится вода, входящая в состав кристаллических решеток различных минералов. Это так называемая конституционная, немолекулярная форма воды типа ОН-групп, кристаллизационная вода различных кристаллогидратов (если они есть в данной горной породе), а также вода, "связанная" координационно-ненасыщенными атомами и ионами кристаллической решетки минералов. Ко второму виду относится адсорбционная вода, образующаяся за счет адсорбционного "притяжения" молекул воды к активным адсорбционным центрам поверхности минералов. Среди нее выделяются две разновидности: а) с наибольшей энергией притяжения к поверхности (около 40 - 120 кДж/моль) - вода мономолекулярной адсорбции и б) с меньшей энергией связи (<40 кДж/моль) - вода полимолекулярной адсорбции. Связанная вода образует адсорбционные пленки толщиной в один или несколько молекулярных слоев и в горных породах содержится в порах или микротрещинах размером менее 0,001 мкм. У этого типа воды физические свойства в наибольшей степени отличаются от свободной.

Рис. 5. Образование осмотически-поглощенной воды вблизи отрицательно заряженной минеральной частицы *

Вода переходного типа (от связанной к свободной) в меньшей степени подвергается действию поверхностных сил, она удерживается вблизи поверхности минералов за счет более слабых связей. Поэтому ее структура менее искажена, а отличия в физических свойствах по сравнению со свободной водой менее значительны или почти не существенны. В пределах этого типа выделяется два вида воды (см. табл. 1): осмотически-поглощенная и капиллярная. Первый вид образуется в горных породах за счет процессов избирательной диффузии молекул воды в направлении к минеральной поверхности, обусловленной наличием у последней "ионной атмосферы" - так называемого двойного электрического слоя, состоящего обычно из катионов порового раствора, "компенсирующих" отрицательный заряд минеральных частиц (рис. 5). Двойной электрический слой имеет две части (см. рис. 5): внутреннюю, называемую адсорбционным слоем (с), и внешнюю - диффузный слой (d ). Концентрация катионов экспоненциально увеличивается по нормали к минеральной поверхности и это обусловливает наличие градиента концентрации, вызывающего "осмотическое" передвижение молекул воды из объема свободного порового раствора (е) в пределы двойного электрического слоя (d ). Образующаяся таким образом осмотическая вода занимает внешнюю часть двойного электрического слоя - диффузный слой (d ). "Осмотической" эту воду назвали потому, что ее образование связано с явлением микроскопического поверхностного осмоса, напоминающего обычный макроскопический осмос - движение воды через полупроницаемую мембрану (то есть пропускающую относительно малые по размеру молекулы воды, но не пропускающую более крупные катионы) под действием градиента концентрации (хорошо известна роль подобных "мембран" в клетках многих животных организмов, тоже содержащих "осмотическую воду").

Рис. 6. Состояние капиллярной воды в горных породах: а-капиллярно-конденсированная вода; б -собственно капиллярная вода; 1-минерал, 2 - капиллярная вода, 3-воздух, 4-адсорбционная вода.

В горных породах роль этой "полупроницаемой мембраны" выполняет внешняя граница двойного электрического слоя (см. рис. 5). С этой категорией воды тесно связана способность многих глинистых пород набухать - увеличивать свой объем при впитывании влаги.
    Второй вид воды переходного состояния (см. табл. 1) - это капиллярная вода. Она образуется в порах капиллярного размера (диаметром от 10- 3 до 103 мкм) за счет капиллярного давления и удерживается в горной породе капиллярными силами водных менисков (силами поверхностного натяжения), образующихся на границе фаз вода-воздух-твердая поверхность. Капиллярные силы практически не меняют структуры воды и поэтому капиллярная вода по основным физическим свойствам практически не отличается от свободной. Она может формироваться в горных породах двояко: 1) за счет так называемого явления капиллярной конденсации, когда молекулы воды постепенно конденсируются на поверхности пленки адсорбированной влаги, обволакивающей частицы породы, и, сливаясь в местах контакта (на стыке частиц), образуют водные мениски (рис. 6а); 2) за счет капиллярного впитывания воды по сообщающимся порам, трещинам и каналам при контакте породы со свободной водой (рис. 6б ).
    К третьему типу относится собственно свободная вода (см. табл. 1), обладающая физическими свойствами обычной воды. В горных породах она делится на два вида: 1) вода замкнутая (иммобилизованная) в крупных порах породы и поэтому не участвующая в процессах фильтрации и движении подземных вод и 2) текучая свободная вода (вода грунтового потока).

* a - катионы; b - анионы; c - область адсорбционного слоя, занятая прочносвязанной водой; d - диффузная часть двойного электрического слоя, занятая осмотической водой; e - область за пределами двойного электрического слоя, занятая свободной водой.

Назад| Следующая страница