Виды вод в горных породах
В толщах горных пород и минералах вода содержится в различных формах.
1. Вода в форме пара. Этот вид воды присутствует в воздухе, заполняющем трещины и пустоты между частицами породы.
2. Вода в форме льда. Лёд в почвах и породах может присутствовать как в виде отдельных кристаллов, так и в форме скоплений льда (линз, прослоев). Наиболее широко эта форма нахождения воды распространена в области развития многолетней мерзлоты.
3. Кристаллизационная и конституционная вода. Эти виды вод являются составными частями минералов, входя в их состав в виде молекул или (OH)- -групп, то есть находятся в химически связанном состоянии.
3.1. Кристаллизационная вода. Этот вид воды входит в состав минералов в виде молекул H2O в постоянном для каждого минерала количестве (например, гипс – CaSO4.2H2O, мирабилит – Na2SO4.10H2O).
3.2. Цеолитная вода. Цеолитная вода входит в состав минералов в виде молекул Н2О, число которых в составе минерала непостоянно и может меняться в широких пределах без нарушения физической однородности минерала. Этот вид воды характерен для минералов группы цеолитов, относящихся к каркасным алюмосиликатам. Их особенностью является наличие больших полостей (занимающих до 50% объема) в структуре каркаса, вмещающих катионы Ca2+, Na+, K+ и молекулы воды.
3.3. Конституционная вода. Присутствует в минералах не в молекулярной форме, а в форме гидроксильной группы (OH)-, занимающей определенную позицию в кристаллической решетке минерала. Этот вид воды может быть выделен только с полным разрушением структуры минерала.
4. Физически связанная вода. Этот вид воды присутствует на поверхности частиц. Разделяется на две разновидности.
4.1. Прочносвязанная (гигроскопическая). Образуется при адсорбции частицами молекул воды из паров. Гигроскопическая вода окутывает поверхность частиц сплошной или прерывистой плёночкой и очень прочно удерживаемой на них (под давлением до 10000 атм).
4.2. Слабосвязанная (пленочная). Располагается поверх прочносвязанной, образуя на поверхности частиц «вторую плёнку». Сила связи между собственно пленочной водой и гигроскопической водой, окутывающей частицы пород, относительно слабая.
Этот вид вод широко распространен в почвах. В породах наибольшее содержание физически связанной воды отмечается в глинах (наиболее тонкодисперсных породах).
5. Свободная вода.
5.1. Капиллярная вода. Капиллярная вода располагается в тонких трещинах и порах пород и удерживается в них силами поверхностного натяжения.
5.2. Гравитационная вода. К этому виду относятся воды, перемещающиеся (фильтрующиеся) под действием силы тяжести и напорного градиента в толще пород по сообщающимся порам и трещинам. Образование гравитационных вод происходит при насыщении всех пор и трещин породы водой.
водно-физические свойства горных пород
Пористость– обуславливает возможность присутствия подземных вод в земной коре – отношение объема пор к объему грунта.
Пористость – это вид скважности, который обусловлен порами, т.е. мелкими промежутками между частицами породы.
Влагоемкость– способность горных пород вмещать и удерживать определенное количество воды (численно может быть равна пористости). По степени влагоемкости горные породы подразделяются на три категории
– весьма влагоемкие (торф, глины, суглинки),
– слабовлагоемкие (мергели, рыхлые песчаники, мелкие пески),
– невлагоемкие (изверженные и осадочные породы, галечник, гравий, крупный песок).
Водоотдача– характеризуется количеством гравитационной воды, которое можно получить из 1 м3 породы путем свободного стока. Это, так называемая, удельная водоотдача. Водоотдачу можно охарактеризовать и коэффициентом водоотдачи (μ) – отношение количества воды, которое может отдать порода к общему количеству воды в породе.
Водопроницаемость – способность горных пород пропускать через себя воду. Степень водопроницаемости не определяется величиной пористости, а зависит от размера пор (пустот). Пример: глины имеют пористость порядка 60 %, однако непроницаемы, а песок, с пористостью 30 % – хорошо водопроницаем.
По степени водопроницаемости горные породы подразделяют на четыре группы:
– хорошо водопроницаемые (галечник, гравий, крупнозернистый песок, карст),
– водопроницаемые (трещиноватые скальные породы, пески),
– слабопроницаемые (пылеватые пески, супеси, суглинки, лессы, торф),
– непроницаемые (водоупорные) – монолитные породы, глины.
Температура – колеблется в широких пределах, от близкой к Оº (многолетняя мерзлота) до нагретых паров (вулканы) +120º. Наиболее вкусная и освежающая вода имеет tº 7–11ºС. На курортах – минеральные воды имеют tº>20º (лучше всего, полезнее 35–37º).
Цвет – характеризует качество воды. Химически чистая вода бесцветна. Окраску придают механические примеси.
Желтоватый цвет – болотного происхождения (гуминовые вещества).
Изумрудный оттенок дают сероводородные воды, вследствие окисления Н2S и образования коллоидальной мути.
Красивый голубой цвет воды – присутствие гидрокарбонатов.
Прозрачность – через столб воды высотой 30см виден печатный текст.
Вкус – зависит от состава растворенных в ней веществ.
Запах – говорит о наличии газов биохимического происхождения (сероводород и пр.) или о присутствии гниющих органических остатков (для определения – слегка нагревают). Различают затхлый, тухлый, болотный запахи.
Химический состав подземных вод
По степени минерализации подземные воды подразделяют (по классификации В. И. Вернадского) на следующие группы:
пресные - воды с минерализацией до 1 г/л,
солоноватые - от 1 до 10 г/л,
солёные - от 10 до 50 г/л,
подземные рассолы - более 50 г/л (в ряде классификаций принято значение 36 г/л, соответствующее средней солёности вод Мирового океана).
В основу классификации подземных вод по химическому составу положено соотношение наиболее распространенных в и их составе анионов (HCO-, SO42-, Cl-) и катионов (Ca2+, Mg2+, Na+). При описании химических типов вод сначала указывается анионный состав, при этом анионы указываются в порядке убывания; затем в аналогичном порядке приводится состав катионов.
Минерализация и химический состав подземных вод зависит от сочетания ряда факторов: происхождения вод, взаимодействия подземных вод с вмещающими породами, условий водообмена. Рассмотрим влияние этих факторов.
Происхождение вод. Инфильтрационные воды, образующиеся за счет поступления с поверхности, обычно имеют низкую минерализацию, по составу преимущественно гидрокарбонатные кальциевые и магниевые, обогащённые кислородом. Конденсационные воды пресные. Седиментационные воды, образованные за счёт захоронения древних вод морского происхождения, обычно наследуют особенности состава последних – они хлоридные натриевые или хлоридные кальциево-натриевые; захороненные воды ледниковых отложений ультрапресные. Состав эндогенных вод (и вод, развитых в зоне влияния потоков эндогенных флюидов) обладает большим разнообразием. Содержащиеся в их составе летучие компоненты (CO2, HCl, H2S и др.) придают им высокую агрессивность, способствующую выщелачиванию вмещающих пород и формированию сложного химического состава вод (например, известная группа Кавказских минеральных вод - «Ессентуки», «Новотерская» и др., связанных с областью внедрения неогеновых магматических пород).
Взаимодействие с вмещающими породами. Воды, фильтруясь через толщи пород, растворяют их, обогащаясь рядом элементов. Так при растворении соленосных толщ сложенных галитом (NaCl) воды приобретают хлоридный натриевый состав; при фильтрации через известняки - гидрокарбонатный кальциевый и т.д.
Условия водообмена определяют интенсивность участия подземных вод в гидрологическом цикле. В зоне интенсивного водообмена, где интенсивно протекают процессы круговорота вод («разбавление» вновь поступающими пресными инфильтрационными водами, разгрузка водоносных горизонтов родниками, относительно недолгое время взаимодействия с вмещающими породами) воды чаще гидрокарбонатные, богатые кислородом и азотом (газами воздушного происхождения), с низкой минерализацией. Зоне замедленного водообмена свойственны солоноватые воды многокомпонентного состава. Зона весьма замедленного водообмена, соответствующая нижней части артезианских бассейнов, представлена преимущественно солёными водами и рассолами (с минерализацией до 600 г/л), содержащим углеводородные газы и сероводород. В бассейнах Восточно-Европейской платформы мощность зоны пресных подземных вод варьирует от 25 до 350 м, солёных вод — от 50 до 600 м, рассолов — от 400 до 3000 м.
