2.3. Виды воды в горных породах

Первые классификационные построения с выделением различных видов воды в горных породах были разработаны О. Мейнцером (1935) и в наиболее полном виде А.Ф. Лебедевым (1922, 1936). Дальнейшее развитие и уточнение этой классификации выполнено в работах Б.В. Дерягина, Е.В. Пиннекера, А.А. Роде, А.И. Силина-Бекчурина, Е.М. Сергеева, Н.И. Толстихина и др. С учетом разработок и построений этих авторов в подземной части гидросферы планеты могут быть выделены две принципиально различные группы подземных вод: 1) воды в свободном состоянии, способные к самостоятельным формам движения, различным, в зависимости от конкретного вида воды; 2) воды в связанном состоянии, не способные к самостоятельным формам движения, без перехода в свободное состояние (в другие виды воды).

Вода в свободном состоянии существует в виде:

1) пара (парообразная);

2) гравитационной воды (просачивающейся капельно-жидкой, подземных потоков);

3) в надкритическом состоянии.

Воды в связанном состоянии включают пять видов:

1) вода, химически связанная с кристаллической структурой минералов;

2) вода, физико-химически и физически связанная с поверхностью минеральных частиц (скелета) горных пород;

3) вода переходного состояния от связанной к свободной, в том числе капиллярно-связанная;

4) иммобилизованная (вакуольная) вода;

5) вода в твердом состоянии.

Вода в парообразном состоянии (водяной пар) существует в виде молекул Н₂О (комплексов типа п • Н₂О) в воздухе, заполняющем пустоты в горных породах при их неполном насыщении жидкостью, или в виде пароводяной смеси (парогидротермы), образующейся из перегретых (t> 100°С) подземных растворов при резких уменьшениях давления («вскипание») (рис. 3).

Рис.3. Диаграммы фазового состояния воды в зависимости

от температуры и давления (по К. Краускопфу)

Свободной гравитационной водой называются подземные воды, движение которых происходит под действием силы тяжести и (или) градиента гидростатического давления. Данный вид воды является главным объектом гидрогеологии. Просачивающейся называется подземная вода, формирующаяся в ненасыщенной зоне и передвигающаяся преимущественно в капельно-жидкой форме под действием силы тяжести. В ряде случаев для характеристики подобного движения гравитационной воды условно используется термин «подземное дождевание».

Водой подземного потока называется свободная гравитационная вода, передвигающаяся в условиях полного насыщения свободного пространства в минеральном скелете горных пород под действием силы тяжести и градиента гидростатического давления.

Водой в надкритическом состоянии называются подземные воды с температурой и давлением выше критических. Для чистой воды критическая температура равна 374°С, давление – 2,2 • 10⁴ кПа.

При высоких концентрациях растворенных веществ (подземные растворы) критическая температура возрастает до 450°С, давление – до 3,5 • 10⁴ кПа. При этих условиях вода характеризуется пониженными значениями вязкости, уменьшением величины рН, повышенной электропроводностью. В связи с этим вода в надкритическом состоянии приобретает свойства активного растворителя и при наличии повышенных концентраций металлов может являться одним из факторов гидротермального рудообразования (Крайнов и др., 2004).

По существующим представлениям вода в надкритическом состоянии представляет собой газово-жидкий раствор (флюид), образование которого связано с кристаллизацией магм.

При снижении давления «надкритическая» вода переходит в «нормальную» жидкость и пар (пароводяную смесь), что по существующим представлениям сопровождается увеличением ее объема в 1,5-2,0 раза («Основы гидрогеологии». Т. I. 1980).

Связанной называется вода, входящая в состав породообразующих минералов и минеральных соединений или различным образом связанная с поверхностью минерального скелета (частиц) горной породы. Условно в качестве связанной (несвободной) может рассматриваться вакуольная вода и вода в твердом состоянии (лед).

Вода, химически связанная с кристаллической структурой минералов, существует в форме кристаллизационной воды, входящей в кристаллическую решетку минералов в виде молекул Н₂О (гипс CaSО₄ • 2Н₂О, мирабилит Na₂SО₄ • 10Н₂О и др.); конституционной (немолекулярная форма – Н, ОН^-) и координационно-связанной атомами или ионами решетки минералов. Связь с кристаллической решеткой минералов характеризуется величиной 84-840 кДж/моль. Удаляется из породы при нагреве до температуры выше 200°С (Крайнов и др., 2004).

Удаление кристаллизационной воды в большинстве случаев приводит к разрушению кристаллической решетки минералов и формированию безводных модификаций этих соединений. У ряда минералов удаление молекул воды происходит без разрушения кристаллической решетки, в ряде случаев даже без нагревания до высоких температур, и ее содержание может восстанавливаться при изменении термодинамических условий. Подобная вода в отличие от кристаллизационной называется цеолитной. К цеолитам относятся, например, анальцим Na₂Al₂S₄O₁₂ • H₂O и нонтролит Na₂Al₂Si₃O₁₀ •H₂O.

Вода, физико-химически и физически связанная с поверхностью минералов называется адсорбционно-связанной или «прочносвязанной» (гигроскопической). Она образует на поверхности минералов слои мономолекулярной и полимолекулярной адсорбции с общей толщиной пленки h_w = 0,001-0,002 мкм (рис. 4).

Вода переходного состояния: (от связанной – к свободной) подразделяется (Крайнов и др.) на следующие подвиды:

1. вода осмотически поглощенная (осмотическая), формирующаяся в области двойного электрического слоя за счет поверхностно-осмотических сил («рыхлосвязанная» (пленочная) вода). Толщина пленки h_w = 0,001 - 0,01 мкм, возможно до 0,1 мкм;

2. вода капиллярно-конденсированная из молекул водяного пара и капиллярно-осмотическая, формирующиеся в порах с диаметром 0,001 - 0,1 мкм (капиллярно-«неподвижная» вода);

3. вода собственно капиллярная в сквозных порах с диаметром 1 - 100 мкм, обладающая способностью к капиллярному поднятию над свободным уровнем воды, и капиллярно-гравитационная в порах с диаметром 10²- 10³ мкм, способная передвигаться при небольших изменениях давления.

Специфическими видами связанной (несвободной) воды являются иммобилизованная (вакуольная) вода и вода в твердом состоянии (лед).

Рис. 4. Различные виды воды на частицах грунта (по А. Ф. Лебедеву): а – гигроскопическая вода при неполной (1) и максимальной (2) гигроскопичности; б – пленочная вода, движущаяся от частицы с более толстой (3) к частице с более тонкой (4) пленкой; в – свободная (гравитационная) вода

Иммобилизованной (вакуольной) называется вода, которая содержится в изолированных пустотах минерального скелета горных пород (вакуолях). Состав иммобилизованной воды в той или иной мере всегда отражает термодинамическую и минералого-геохимическую обстановку на момент образования и «запечатывания» вакуолей и может быть существенно различным (газоводяные смеси, различный комплекс и концентрация растворенных веществ и др.). Иммобилизованная вода может переходить в свободную (другие виды воды) главным образом в результате механического разрушения горных пород и минералов («раскрытие» изолированных пустот).

Вода в твердом состоянии (лед) широко распространена в подземной гидросфере в области развития многолетнемерзлых пород и вне этой области – в приповерхностном слое сезонного промерзания. Подземный лед образует мелкие кристаллы в поровом пространстве дисперсных осадочных пород (промороженных в водонасыщенном состоянии) или залегает в виде жил и прослоев, мощностью в отдельных случаях до нескольких десятков метров.