Виды воды в горных породах

В современной литературе приводятся различные классификации видов воды в горных породах. В СССР широко известна классификация, предложенная А. Ф. Лебедевым, который на основании тщательных экспериментальных и полевых исследований установил следующие виды воды в горных породах (рис. 2).

1. Вода в виде пара (парообразная) содержится в воздухе, занимающем свободные от жидкой воды поры и трещины в горных породах. Она находится в динамическом равновесии с другими видами воды и с парами воды в атмосфере. При определенных условиях паро­образная вода конденсируется.

2. Гигроскопическая вода образуется в том случае, когда молекулы парообразной воды адсорбируются (лат. adsorbtio — поглощение) на поверхности минеральных частиц горных пород. Гигроскопи­ческая вода облекает частицы породы одномолекулярной тонкой плен­кой и прочно удерживается на их поверхности молекулярными и элект­рическими силами и может быть удалена при нагревании до температур не менее 105—110°.

3. Пленочная вода образует вокруг частиц горной породы и поверх гигроскопической воды более толстую пленку в несколько слоев молекул. Пленочная вода может передвигаться от одной частицы к дру­гой. Если толщина пленок у соседних частиц различная, то происходит медленное перемещение воды от частиц с большей толщиной пленки к частицам с меньшей пленкой до тех пор, пока пленки не станут одина­ковыми по толщине.

Как и гигроскопическая, пленочная вода содержится в большом количестве в глинистых породах и в меньшем — в песчаных.

4. Капиллярная вода заполняет частично или полностью тонкие поры и трещины в горных породах и удерживается в них силами поверхностного натяжения. Эта вода поднимается по тонким капилля­рам снизу вверх от уровня подземных вод. Чем меньше диаметр частиц, слагающих горную породу, тем мельче диаметр пор и тем больше высо­та капиллярного поднятия. В суглинках высота капиллярного поднятия может достигать 2 м и более, в крупнозернистых песках — всего не­скольких сантиметров.

5. Капельножидкая (свободная) гравитационная -до да, способная свободно передвигаться по порам, трещинам и дру­гим пустотам в горных породах под влиянием силы тяжести. Она может быть подразделена на воду, полностью заполняющую поры и трещины в горных породах, образующую горизонт подземных вод, и воду, проса­чивающуюся сверху вниз в зоне аэрации (фр. aeration — воздух), т. е. в зоне, расположенной выше подземных вод, где в горных породах на­ходится воздух. На рис. 2 видно, что при увеличении влажности пород и толщины пленки на по­верхности минеральных частиц горных пород силы энергетиче­ской связи их уменьшаются и в конце концов наступает момент, когда эти силы не в состоянии удерживать пленочную воду и часть ее будет переходить в ка­пельножидкую и просачиваться сверху вниз.

6. Вода в твердом со­стоянии в виде льда, присут­ствует в горных породах, име­ющих отрицательную температу­ру (ниже 0°). Лед может быть в виде отдельных микрокристал­лов, тонких пленок или в виде прослоев чистого льда. Особенно большое распространение лед имеет на обширных пространст­вах северной части Сибири и Аляски, в областях развития многолетнемерзлых горных пород, или «вечной мерзлоты». Вода в твердом виде возникает также ежегодно в других зонах в слое сезонного промерзания.

7. Кристаллизационная вода входит в состав ряда ми­нералов и принимает участие в строении их кристаллических ре­шеток. Примером тому является вода гипса CaSO₄-2H₂O. Она мо­жет быть удалена при нагрева­нии.

Рис. 2. Различные формы связи моле­кул воды с частицами породы (по А. Ф. Лебедеву):

1 — частицы почвы; 2—молекулы во­ды; а — гигроскопическая вода при не­полном насыщении; б—то же, при пол­ном насыщении; в и г — пленочная во­да: частица г при полном молекулярном насыщении с пленкой максимально воз­можной толщины; пленочная вода дви­жется налево до выравнивания толщи­ны пленки у обеих частиц; д — грави­тационная вода, образующая каплю, ко­торая стекает вниз под влиянием силы тяжести

За последние годы в связи с накоплением новых данных экспериментальных и полевых иссле­дований классификация А. Ф. Ле­бедева получила дальнейшее развитие в трудах многих ученых Советского Союза (Роде, 1952; Сергеев, 1971; Ломтадзе, 1970 и др.). Исходя из запросов инженерной геологии и грун­товедения, многие авторы де­тализируют представления о гигроскопической и пленочной воде в классификации А. Ф. Лебедева. Эти виды воды называют физически связанной водой. По ха­рактеру связи с минеральными частицами и по особенностям свойств связанная вода подразделяется на прочносвязанную воду (адсорбированную, гигроскопическую), удерживаемую па поверхности частиц породы силами, соответствующим и сотням и тысячам атмосфер, и рыхлосвязанную воду, слои которой более удалены от ча­стиц горной породы. Рыхлосвязанная вода удерживается в породах значительно меньшими силами и, но своим свойствам существенно от­личаясь от прочносвязанной, близка к свободной воде.