Влагоемкость. Виды воды в горных породах

Влагоемкость

Свободная и связанная вода находится в резервуарах подземных вод, представляющих обособленное геологическое тело, пласт.

Гидрогеологическими резервуарами более высокого порядка являются артезианские бассейны. Здесь мощная толща осадочных пород сложена чередующимися коллекторами и водоупорами. В фундаменте содержатся резервуары трещинной и жильно-трещинной структуры.

В бассейнах пластовых вод сверху вниз изменяются ионно-солевой состав и минерализация подземных вод. Здесь выделяются гидрохимические зоны: А — пресных вод с минерализацией до 1 г/л, имеющая подзоны весьма пресных, нормально пресных и жестких пресных вод; Б — соленых вод с минерализацией от 1 до 35 г/л, которая делится на подзоны солоноватых, слабосоленых и сильно соленых вод; В — рассолов с минерализацией от 35 до >500 г/л, содержащая подзоны, весьма слабых, слабых, крепких, весьма крепких и предельно насыщенных рассолов. Мощность зон изменяется в широких пределах. Минерализация подземных вод хорошо соответствует их ионно-солевому составу. Пресные воды обычно являются гидрокарбонатными, соленые — сульфатными, а рассолы — хлоридными.

В нормальном гидрохимическом разрезе сверху вниз возрастает минерализация и имеется тенденция в изменении зон А-Б-В. Нередко наблюдается иная последовательность в распределении гидрохимических зон, называемая гидрохимической инверсией, уменьшение минерализации вод с глубиной.

Полную влагоемкость породы имеют ниже уровня грунтовых вод. Выше этого уровня находится зона неполного насыщения пород водой, разделяющаяся на подзоны капиллярной, подвешенной, максимально гигроскопической и гигроскопической влагоемкости.

Виды влагоемкости

Капиллярная влагоемкость. Капиллярная влагоемкость - свойство пород удерживать объем воды связанной и капиллярно-подпертой на определенный объем сухой породы. Рассматриваемая влагоемкость наблюдается над уровнем грунтовых вод.

Подвешенная влагоемкость. Подвешенная влагоемкость - свойство пород удерживать различный объем связанной или капиллярно-подвешенной. воды на определенный объем сухой породы.

Максимальная гигроскопическая влагоемкость - это свойство пород поглощать из воздуха при его относительной влажности > 94% и удерживать различный объем прочносвязанной и стыковой воды на определенный объем сухой породы. В этой подзоне вода находится близко от земной поверхности.

Виды воды в горных породах

В горных породах, кроме свободной (гравитационной, пленочной) и адсорбированной воды, содержится вода кристаллизационная, и конституционная химически связанные.

Кристаллизационная вода. Кристаллизационная вода в кристаллической решетке в виде молекул Н₂О удаляется при нагревании породы до 300 °С и более высоких температур. В результате образуется безводное соединение или соединение с меньшим содержанием воды.

Минералы с кристаллизационной водой представляют соединения слабых оснований и сильных кислот, несильных оснований и слабых кислот. Например: сода, из которой кристаллизационная вода удаляется при температуре 20 °С; гипс, кристаллизационная вода теряется при температуре до 400 °С.

Конституционная вода. Конституционная вода образуется из входящих в кристалличе­скую решетку минералов ионов ОН^-, Н⁺ и иона оксония Н_з0⁺. Эти минералы классифицируются как основные соли слабых оснований и основания, если имеют в своем составе ион ОН^-: в данном случае вода из минералов удаляется при 300 -1300°С.

В пластических горных породах конституционная вода преимущественно образуется из минералов глин. Особенно много гидроксильной воды образуется из каолинита и монтмориллонита.

3.2. Двойной электрический слой

При наличии воды в породе на границах фаз протекают электрохимические реакции, и по обе их стороны создается двойной электрический слой (ДЭС) - особое распределение электрических зарядов в приграничных областях соприкасающихся фаз пород. При наличии ДЭС каждая фаза имеет объемный заряд и между ними есть разность электрических потенциалов. Этот слой состоит из ионного, адсорбционного и ориентационного видов ДЭС.

Рис. 3.1. Схема образования двойного электрического слоя

Ионный вид ДЭС, создается за счет остаточных электрических сил на поверхности твердого компонента пород при разных химических потенциа­лах одинаковых ионов в различных фазах породы. Он состоит из слоя дегидратированных, потенциалопределяющих ионов в твердой фазе и слоя гидратированных противоионов в жидкой. Потенциалопределяющие и противоионы имеют разный знак, поэтому отдельные фазы заряжены, а в целом порода нейтральна. Потенциалопределяющие ионы расположены у самой границы раздела фаз с плотностью, убывающей в глубь твердой фазы.

Адсорбционный вид ДЭС возникает в результате адсорбции ионов электролита на незаряженной поверхности твердой фазы. Электролит не имеет общих с твердой фазой ионов. Адсорбируется тот его ион, который имеет большую валентность и меньший гидратный радиус; он прочнее удерживается ван-дер-ваальсовыми силами.

Ориентационный вид ДЭС формируется из дипольных молекул воды. Часть из них ориентируется и удерживается в поровом пространстве около положительных и отрицательных некомпенсированных или ван-дер-ваальсовых зарядов на поверхности твердой фазы пород, образуя слой прочносвязанной воды. Поле этого слоя и остаточные электростатические силы ориентируют дополнительные количества воды, которые создают рыхлосвязанный ее слой. К рыхлосвязанной воде относят также воду, ориентированную у ионов диффузной части ДЭС. Эти оба слоя образуют двойной электрический слой ориентационного вида — связанную воду.

В зависимости от свойств твердой фазы и электролита преимущественное развитие получает какой-то один или два вида ДЭС.

Двойной электрический слой имеет разную толщину, неодинаковые падения потенциалов на этой толщине и подвижной части диффузного слоя. Она может изменяться от нескольких десятых нанометра до нескольких сот микрометров. Чем больше концентрация электролита породы, тем меньше толщина ДЭС.

В двойном электрическом слое свойства воды и ионов отличны от тех же свойств в свободном растворе.

Прочносвязанная вода плотнее свободной (плотность ее от 1,2 до 2 г/см³), обладает большей вязкостью, прочностью на сдвиг, упругостью и меньшей электропроводностью, чем дистиллированная вода. Связанная вода замерзает в разных породах при неодинаковой температуре: в каолините - при -20 °С, в монтмориллоните при -193°С. При образовании прочносвязанной воды выделяется значительное количество тепла. Эта вода не растворяет ни солей, ни сахара.

Рыхлосвязанная вода ближе по свойствам к свободной, но вязкость первой выше, чем последней, и она может медленно перемещаться от одного участка твердой фазы пород к другому. Температура замерзания этой воды -1,5°С, незначительна и способность ее растворять обычно растворимые вещества.

Двойной электрический слой, в частности слой связанной воды, только у глин, трепелов, диатомитов, пепловых, туфов, цеолитов и т. д. и пород с большим содержанием адсорбентов занимает значительную долю порового пространства. У других пород доля порового объема, приходящаяся на ДЭС, невелика.