Связанная вода в горных породах

Второй вид воды переходного  состояния  - 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; 2) за счет капиллярного впитывания воды по сообщающимся порам, трещинам и каналам при контакте породы со свободной водой.

К третьему типу относится  собственно свободная вода, 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).

ВЛИЯНИЕ ВОДЫ НА СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

Различные категории воды, находящейся в горных породах, существенно  влияют на многие свойства пород. Практически  все свойства горных пород меняются в той или иной степени в  зависимости от наличия в них  связанной воды определенного вида. Но наиболее важно с практической точки зрения ее влияние на состояние  пород, процессы тепломассопереноса в  них, а также на их деформируемость и прочность. Влияние связанной воды на состояние пород наиболее сильно проявляется у дисперсных, состоящих из отдельных частиц, горных пород, особенно таких, как глинистые и лёссовые. Это объясняется тем, что дисперсные горные породы обладают большой величиной удельной поверхности (суммарной площадью поверхности единицы массы породы, измеряемой в квадратных метрах на 1 г), достигающей в некоторых глинах 600 - 800 м2/г. А поскольку количество связанной воды в породе в первом приближении пропорционально ее удельной поверхности, то становится понятным, почему именно в глинах содержится больше всего связанной воды.

Глинистые породы предрасположены  к воде и всегда содержат связанную  воду. Если в них присутствует только адсорбционная вода, то они представляют собой довольно прочные породы твердой  консистенции. При наличии в них  осмотической и капиллярной воды они приобретают свойство пластичности, податливости, липкости, капиллярной  связности, легко деформируются  и резко теряют за счет увлажнения свою прочность. При наличии в  глинах свободной воды они приобретают  свойство текучести и ведут себя как жидкообразные тела.

Большое влияние связанная  вода оказывает на процессы тепломассопереноса в породах. Поскольку она прочно удерживается в тонких порах и  микротрещинах и к тому же обладает повышенной вязкостью, "сдвинуть" эту воду чрезвычайно трудно, она  не подчиняется обычным законам  фильтрации, осуществляемой под действием  гидродинамического напора. Для того чтобы "сдвинуть" эту воду, вовлечь  в фильтрационный поток, необходимо преодолеть ее "сопротивление", при  этом фильтрация начинается лишь после  превышения напором так называемого "начального градиента фильтрации". Поэтому глины и являются обычно водоупором, не пропускающим грунтовые воды или фильтрующим сквозь себя воду очень медленно. Роль связанной воды в подобных глинистых экранах еще до конца не изучена, остается много нерешенных проблем, в частности раскрывающих экологическое значение связанной воды в земной коре.

Аномальные теплофизические  свойства связанной воды влияют и  на процессы теплопереноса в породах. Кроме того, наличие определенного  количества незамерзшей связанной  воды в мерзлых горных породах  обусловливает возможность ее участия  в массопереносе при отрицательных  температурах, а также сильно влияет на фазовые превращения вода-лед. Важной чертой при этом является наличие  фазовой поверхности раздела  между льдом и жидкой незамерзающей  прослойкой, контактирующей с противоположной  стороны с твердой минеральной  поверхностью породы. Передвижение незамерзшей  воды в такой породе сопровождается сложными процессами перекристаллизации, которые могут приводить к  возникновению и росту давления в незамерзших пленках воды, являющегося  одной из причин морозного пучения  грунтов. Особую сложность эти процессы приобретают в засоленных грунтах, для которых они пока полностью  не изучены.

Очень сильно связанная вода влияет на прочность и деформируемость практически любых горных пород. Она оказывает "расслабляющее и размягчающее" действие на многие горные породы, приводит к понижению их прочности и увеличению деформируемости. Характерным примером ее влияния в этом отношении являются лёссовые породы. Эти породы, в отличие от глинистых, не предрасположены к воде, они широко распространены в сухих, аридных областях на юге России, Украины, Средней Азии. В них содержится главным образом только адсорбционная связанная вода и частично капиллярная, заполняющая лишь самые тонкие микропоры и микрокапилляры в породе. При этом лёссы обладают достаточной прочностью, так что способны "держать" крутые, почти вертикальные стенки естественных обнажений высотой в десятки метров. Но стоит в лёссы проникнуть достаточному количеству воды, например при подтоплении массива или в результате утечек воды, то лёссовая порода чрезвычайно быстро переходит в пластичное состояние, резко теряет прочность и проседает в результате доуплотнения даже под собственным весом.

Однако было бы неверно  думать, что связанная вода влияет лишь на прочность осадочных дисперсных пород. Не в меньшей мере ее влияние  сказывается на деформировании и  прочности магматических, метаморфических  и сцементированных осадочных горных пород. Наличие связанной воды в  кристаллической решетке минерала снижает его упругость. Но в еще  большей степени на деформируемость и прочность таких пород влияет наличие в микротрещинах, на контактах зерен или кристаллов адсорбционных пленок связанной воды. Они понижают поверхностную энергию минералов горной породы и тем самым облегчают развитие в породе различных механических микронарушений, дислокаций, микротрещин и т.д., особенно в том случае, если порода находится под напряжением. Вследствие этого порода начинает "ползти", она деформируется с той или иной скоростью при том же самом постоянном напряжении. Это одна из форм проявления так называемого эффекта Ребиндера - эффекта облегчения пластической деформации тел различной природы и снижения их прочности за счет явления адсорбции. Ускорение ползучести горных пород в условиях действия адсорбционных сред отмечалось неоднократно. Этот процесс широко развит в природе и целенаправленно используется человеком. Наиболее характерно он проявляется в условиях так называемой "наведенной сейсмичности" - активизации сейсмической активности территории в зоне влияния водохранилища после начала его затопления и возникновения искусственных землетрясений силой до 5 - 7 баллов. Происходящее после заполнения водохранилища просачивание по тонким порам и трещинам связанной воды в прилегающие массивы горных пород вызывает понижение поверхностной энергии слагающих их минералов. При этом в напряженных горных породах интенсивно начинают развиваться дислокации и растут микротрещины. За счет этого происходит релаксация напряжений в массиве, их ослабление, что выражается макроскопически в виде сейсмических колебаний массива в целом и сброса напряжений. Процесс этот носит кинетический характер, связанная вода очень медленно проникает вглубь массива, и к тому же разные минералы в горных породах избирательно проявляют эффект Ребиндера. По этим причинам наведенная сейсмичность затухает обычно долго, в течение 3 - 5 лет. Однако этот пример не единственный. Практически все горные породы (в том числе магматические и метаморфические) можно рассматривать как дисперсные системы, то есть имеющие большую удельную поверхность, образованную внутренними границами раздела между минеральными фазами одинакового или разного состава. В последнее время учеными установлено, что связанная вода может внедряться в поликристаллические скальные породы по этим сплошным межзеренным и межфазным границам и оставаться там неопределенно долгое время. Такая "межзеренная пропитка" наиболее вероятна в породах, для которых наблюдается полное смачивание свободной поверхности водой, а также происходит снижение прочности породы не менее чем вдвое. С ростом температуры и напряжений круг пород, в которых проявляется данный эффект, еще больше расширяется.

Приведенный материал показывает, какую большую роль играет связанная  вода в формировании свойств различных  горных пород, а значит, и в развитии многих геологических процессов. В  одной статье нет возможности  привести все многочисленные данные, которые накоплены к настоящему времени о свойствах связанной  воды. Дополнительные сведения читатели смогут найти в приводимой ниже литературе. Нет сомнения в том, что в ближайшее  время будет достигнут еще больший прогресс в исследовании связанной воды в горных породах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дерягин Б.В., Чураев  Н.В., Овчаренко Ф.Д. и др. Вода  в дисперсных системах. М.: Химия, 1989. 288 с.

2. Злочевская Р.И., Королев В.А. Электроповерхностные явления в глинистых породах. М.: Изд-во МГУ, 1988. 177 с.

3. Поверхностные пленки  воды в дисперсных структурах. / Под ред. Е.Д. Щукина. М.: Изд-во  МГУ, 1988. 279 с.