Виды воды в горных породах

Вода в горных породах содержится в различных агрегатных состояниях:

• 1. Кристаллизационная вода находится в составе кристаллической решетки некоторых минералов, например, в гипсе — CaSO4*2H2O (~21% воды по массе), мирабилите Na2SO4*10H2O (~56% воды по массе). Если эти минералы нагревать, то вода высвобождается из кристаллической решетки. Так, гипс потеряет одну молекулу воды при +107°С, а вторую — при +170°С, после чего он превращается в ангидрит — CaSO4;
• 2. Вода в твердом виде встречается в многолетнемерзлых породах в виде кристаллов и прожилков льда. Также лед образуется и при сезонном промерзании воды, содержащейся в горных породах;
• 3. Вода в виде пара содержится в воздухе, который находится в порах горной породы;
• 4. Прочносвязанная вода располагается в виде молекулярной прерывистой пленки на поверхности мельчайших частиц таких пород, как глинистые суглинки. Эта пленка удерживается силами молекулярного сцепления и не может стечь с поверхности частицы;
• 5. Рыхлосвязанная вода представляет собой более толстую пленку из нескольких слоев молекул воды на частицы породы. Эта вода обладает способностью перемещаться от более толстой пленке к менее толстой;
• 6. Капельножидкая (гравитационная) вода уже обладает способностью свободно перемещаться в горной породе по трещинам и порам под действием силы тяжести, начиная с верхнего почвенного слоя;
• 7. Капиллярная вода, как следует из названия, находится в тончайших капиллярных (лат. волосяной) трубочках или порах, в которых удерживается силами поверхностного натяжения с образованием менисков. Капиллярная вода обычно располагается выше уровня грунтовых вод и при этом она может подниматься подтягиваясь вверх от этого уровня на 1,5−3 м. Капиллярная кайма, будучи связана с уровнем грунтовых вод, колеблется вместе с ним.

Выше уровня грунтовых вод может располагаться еще одна неширокая кайма капиллярно-подвешенной воды, удерживаемой в тонких порах почвы и подпочвенных горизонтов суглинков и глин.

Подземные воды распределяются в верхней части земной коры вполне закономерно. Самая верхняя часть земной коры, вблизи поверхности, называют зоной аэрации, т. к., она связана с атмосферой и с почвенным покровом. Ниже нее залегает зона полного насыщения, где вода распространена преимущественно в жидком виде, тогда как в зоне аэрации она может быть и парообразной.

Если температуры отрицательны, то вода в этих двух зонах может присутствовать и в виде льда.

Таким образом, зона аэрации представляет собой как бы переходный буферный слой между атмосферой и гидросферой. В зоне полного насыщения все поры заполнены капельножидкой водой и тогда образуется водоносный горизонт. Однако горные породы в различной степени проницаемы для воды, что зависит от ряда факторов. Следует подчеркнуть, что пористость и проницаемость не одно и тоже.

Горные породы подразделяются на:

• 1. Водопроницаемые — песок, гравий, галечники, конгломераты, трещиноватые песчаники, доломиты, закарстованные известняки и др. и это несмотря на то, что галечники, прекрасно проницаемые для воды, имеют пористость всего 20%. Пески обладают пористостью в 30−35%;
• 2. К слабопроницаемым породам относятся супеси, легкие суглинки, лёссы;
• 3. Водоупорными считаются все возможные глины, тяжелые суглинки, плотные сцементированные породы (табл. 1).

Таблица 1. — Прочность и проницаемость горных пород:

Глины имеют пористость в 50−60%. Все дело в том, что поры в глинах очень тонкие (субкапиллярные) и вода через них не может проникнуть, т. к., задерживается силами поверхностного напряжения. Водопроницаемость зависит не от количества пор, а от размера и формы слагающих породу зерен и от плотности их сложения. Способность горных пород накапливать и удерживать в себе воду называется влагоемкостью.

Под полной влагоемкостью понимают такое состояние породы, в которой все виды пор заполнены водой. Максимальная молекулярная влагоемкость — это то количество воды, которое остается в горной породе после того, как стечет вся капельножидкая гравитационная вода. Оставшаяся вода удерживается в порах силами молекулярного сцепления и поверхностного натяжения.

Разница между полной влагоемкостью и максимальной молекулярной влагоемкостью называется водоотдачей, а удельной водоотдачей — количество воды, получаемой из 1 м³ горной породы.

Классифицировать подземные воды можно по разным признакам — по условиям залегания, по происхождению, по химическому составу. Типы подземных вод по условиям залегания. Выделяются воды безнапорные, подразделяющиеся на верховодку, грунтовые и межпластовые, а также напорные или артезианские.

Верховодка — это временное скопление воды в близ поверхностном слое в пределах зоны аэрации, располагающееся в водоносных отложениях, лежащих на линзовидном, выклинивающемся водоупоре. Как правило, верховодка появляется весной, когда тают снега или в дождливое время, но потом она может исчезнуть. Поэтому колодцы, выкопанные до верховодки, летом пересыхают.

Временными водоупорами могут быть любые выклинивающиеся линзовидные пласты глин и тяжелых суглинков, располагающиеся в толще водоносных аллювиальных или флювиогляциальных отложений.

Грунтовые воды представляют собой первый сверху постоянный водоносный горизонт, располагающийся на первом же протяженном водоупорном слое. Питаются грунтовые воды из области водосбора в пределах водоносного горизонта. Грунтовые воды могут быть связаны с любыми породами как рыхлыми, так и твердыми, но трещиноватыми. Поверхность грунтовых вод называется зеркалом, а мощность водосодержащего слоя оценивается вертикалью от зеркала до кровли водоупорного горизонта и она не остается постоянной, а меняется из-за неровностей рельефа, положения уровня разгрузки, количества атмосферных осадков, изгиба кровли водоупорного слоя. Выше зеркала грунтовых вод образуется кайма капиллярно подтянутой воды.