Виды воды в горных породах

В порах и трещинах горных пород всегда содержится вода в парообразном, жидком и твердом состоянии. Существуют различные классификации видов воды в горных породах. В гидрогеологии и инженерной геологии принята классификация, которая была предложена А. Ф. Лебедевым в 1936 г., а затем уточнена в соответствии с новейшими представлениями о природе воды, строении ее молекулы и характере физико-химического взаимодействия воды с минеральными частицами пород: 

• вода в состоянии пара; 
• физически связанная вода: 
• а) прочносвязанная, или адсорбционная (ее называют также гигроскопической), 
• б) рыхлосвязанная (она же пленочная); 
• свободная вода: 
• а) капиллярная, 
• б) гравитационная; 
• вода в твердом состоянии; 
• химически связанная вода: 
• а) кристаллизационная, 
• б) конституционная; 
• вода в надкритическом состоянии.

Вода в состоянии пара

Эта вода заполняет свободную часть пор в зоне аэрации. Под влиянием изменения температуры и давления парообразная влага может переходить в капельно-жидкое состояние — конденсироваться или, наоборот, жидкая вода может превращаться в парообразную влагу. Парообразная влага в порах пород находится в постоянном динамическом равновесии с другими видами воды и парами воды в атмосфере.

Физически связанная вода 

Такая вода присуща преимущественно глинистым породам. Образование физически связанной воды обусловливается наличием у мелкодисперсных глинистых минералов, входящих в состав глинистых пород, поверхностной энергии. Наибольшее количество прочносвязанной воды называется максимальной гигроскопической влагоемкостью; в песчаных грунтах она не превышает 2%, а в глинистых достигает 20%.

Рыхлосвязанная вода образует периферическую часть водной пленки и называется пленочной. Она существует в породе при влагоемкости больше максимальной гигроскопической и перемещается от частиц с толстой пленкой к частицам с тонкой пленкой под действием молекулярных сил.

Рыхлосвязанная вода вместе с прочносвязанной, по А. Ф. Лебедеву, образует молекулярную воду. Максимальное количество молекулярной воды, удерживаемое данной породой в данных условиях, А. Ф. Лебедев назвал максимальной молекулярной влагоемкостью. Эта влагоемкость у глинистых пород примерно соответствует влажности нижнего предела пластичности.

Наличие в глинистой породе рыхлосвязанной воды придает ей ряд важных свойств: липкость, пластичность, набухание, усадку. Прочность и сжимаемость таких пород изменяются в зависимости от количества рыхлосвязанной воды: с увеличением ее содержания прочность пород уменьшается, а сжимаемость увеличивается.

Свободная вода

Капиллярная вода заполняет капиллярные пустоты в породах, по этим пустотам она поднимается от уровня подземных вод вверх под действием силы поверхностного натяжения на границе раздела воды и воздуха, содержащегося в породах, образуя выше уровня подземных вод зону капиллярного насыщения и отделяясь от зоны аэрации капиллярной каймой.

Гравитационная вода — это вода, движущаяся в порах и трещинах горных пород под действием силы тяжести. Она обладает всеми свойствами, присущими обычной воде: растворяет минералы, передает гидростатическое давление, оказывает при движении механическое воздействие на породы. Гидростатическое давление воды, находящейся в порах пород, уменьшает вес минеральной части породы по закону Архимеда и оказывает взвешивающее давление на подошву сооружений, построенных на водонасыщенных породах. Механическое действие движущейся воды на породы проявляется в выносе мелких частиц из рыхлых несвязанных пород на откосах выемок и котлованов — суффозии, которая может вызвать неустойчивость откосов и последующую деформацию склонов. В зоне полного насыщения всех пустот породы гравитационные воды образуют водоносные горизонты. Изучение гравитационных вод, их движения, физических свойств и химического состава — основная задача гидрогеологических исследований.

Вода в твердом состоянии 

При температуре пород ниже 0°С гравитационная вода и часть связанной воды замерзают и содержатся в породах в виде кристаллов льда или ледяных прослоев и жил. Кристаллы льда цементируют отдельные минеральные частицы, превращая рыхлые породы в твердые. Свойства пород, сцементированных льдом, резко отличаются от свойств талых пород. Изучением свойств мерзлых пород занимается мерзлотоведение.

Химически связанная вода 

Эта вода входит в состав кристаллической решетки минералов. Кристаллизационная вода выделяется из минералов (сода, гипс и др.) при температуре 200–300°С или их полном разрушении. Конституционная вода может быть выделена при нагревании минералов выше 300°С и полном разрушении кристаллической решетки.

Вода в надкритическом состоянии

Кроме того выделяют воду в надкритическом состоянии, которая свойственна нижним этажам гидролитосферы. Надкритическое состояние характерно для воды в магматических расплавах при температуре 374–450°С и давлении свыше 2,2 МПа. При снижении температуры и давления вода переходит из надкритического состояния в пар.