Вода в горных породах

Введение
Наличие воды в горных породах является одним важнейших геологических свойств, которое может широкий спектр применения – от разведки полезных ископаемых до строительства. В частности, при проведении строительных работ обязательным условием является изучение водопроницаемости и других аналогичных свойств пород. Отсутствие учета этих свойств может привести к размыву фундамента, обрушению конструкции и многим другим техногенно опасным последствиям. Исходя из этого, тема исследования воды в горных породах является чрезвычайно актуальной.
Объект исследования – вода в горных породах.
Предмет исследования – геологические особенности генезиса, содержания и распространения воды в горных породах.
Цель работы – изучение геологических особенностей генезиса, содержания и распространения воды в горных породах.
Достижение цели предполагает выполнение следующих задач:
Характеристика генезиса и особенностей воды в горных породах.
Характеристика типов воды в горных породах.
Анализ геологических особенностей распределения воды в горных породах.
ГЛАВА 1
ВОДА В ГОРНЫХ ПОРОДАХ
1.1 Генезис и особенности воды в горных породах
Горные породы представляют собой природные тела, состоящие из одного или нескольких минералов. Практически все горные породы содержат в себе воду, которая может находиться в твердом, жидком, парообразном, физически и химически связанном состоянии. Наличие воды в горных породах было отмечено еще до масштабных геологических исследований и отмечено в народном фольклоре. В частности, в сказке братьев Гримм «Храбрый портняжка» рассказывается про то, как великан выжимал воду из валуна.
Генезис воды в горных породах обусловлен наличием в породах разных пустот: каналов, трещин, пор и так далее. Абсолютно сплошных пород, которые не имеют хотя бы небольшое количество пор, в естественных условиях не существует. Такие пустоты, как правило, занимает вода благодаря свойству высокой подвижности наряду с другими мобильными компонентами в породах: газы, углеводородные флюиды и многие другие.
Степень заполнения горных пород водой зависит от многих факторов, включая геологические условия территории: глубину, тип породы и многих других. В частности, установлено [2], что ниже уровня грунтовой воды до глубин 4-5 км и более почти все пустоты в породах заполнены водой, которая образует в пределах литосферы региональные неразрывные макроскопические системы гидросферы. Исключение составляют углеводородные залежи.
1.2 Типы воды в горных породах
В геологии принята классификация типов воды в горных породах, предложенная А. Ф. Лебедевым еще в 1930 году. На современном этапе классификация была уточнена согласно новейшим представлениям о природе воды, строении молекул воды и характере ее физико-химического взаимодействия с минеральными частицами пород.
Действующая классификация типов воды в горных породах включает такие типы и подтипы: 1) вода в состоянии пара; 2) физически связанная вода – прочно связанная или адсорбированная вода и рыхло или слабо связанная вода; 3) свободная вода: капиллярная и гравитационная; 4) вода в твердом состоянии; 5) вода в кристаллической решетке минералов: конституционная, кристаллизационная, цеолитная.
Рассмотрим детальнее основные типы воды, особенности их генезиса и нахождения в горных породах [1]

.
Первый тип – парообразная вода. Вода в состоянии пара заполняет свободную часть пор в области аэрации. Под влиянием колебаний давления и температуры парообразная влага может конденсироваться или вода в жидком состоянии может превращаться в парообразное состояние. Значительная часть пор и пустот горной породы заполнена подземной атмосферой, газовый состав которой не такой как наземной, но все же она удерживает определенное количество водяного пара. Силой, которая определяет направление перемещения парообразной воды, является упругость водяного пара. Парообразная вода движется от мест с большей упругостью к местам с меньшей упругостью
Другие свойства имеет физически связанная вода. Такая вода характерна преимущественно глинистым горным породам. В скальных и раздельнозернистых породах физически связанная вода практического значения не имеет. Вода делится на прочно связанную или адсорбированную и рыхло или слабо связанную воду. Генезис физически связанной воды обусловливается наличием у мелкодисперсных глинистых минералов, которые входят в состав глинистых пород, поверхностной энергии, что имеют электростатическую породу.
Прочносвязанная или гигроскопическая вода удерживается на поверхности частиц горной породы электромолекулярными силами. По своим свойствам связанная вода приближается к твердому телу. Гигроскопиеская вода покрывает частицы горной породы даже при очень низкой влажности, ее не следует путать с конденсационной, которая образуется только при пресыщении подземной атмосферы водяным паром.
Пленочная вода образуется на частицах горных пород при влажности, превышающей максимальную гигроскопичность. Поверхность частицы обволакивается пленкой воды толщиной в несколько молекулярных слоев, покрывающей гигроскопическую влагу (рис. 1, в и г).
Рисунок 1 – Схема расположения молекул воды в пределах диффузионного слоя твердой частицы и основные виды воды в горных породах [1]
Пленочная вода удерживается на частицах пород благодаря силам молекулярного сцепления. При это наиболее прочно связывается наименее тонкий слой воды, который непосредственно прилегает к частице. По мере увеличения толщины пленки действие удерживающих сил значительно уменьшается. Влажность пород, которая отвечает максимальной толщине пленки, соответствует максимальной молекулярной влагоемкости