9.3. Види води в мінералах і гірських породах

В основу сучасної класифiкацiї видiв води в мiнералах і гiрських породах покладена класифiкацiя, запропонована в 1930р. А. Ф. Лебедєвим. Уточнена роботами iнших дослiдникiв, вона може бути поданою в такому видi: 1) хiмiчно зв’язана; 2) вода у виглядi пари; 3) зв'язана волога; 4) вiльна вода; 5) вода в твердому станi.

Хімічно зв'язана вода входить до складу кристалічної решітки рiзних мiнералiв i може бути видаленою з них лише нагрiванням. Найбільшу кількість води містять слюди та глинисті мінерали–смектити. Більшість з них мають рухливу пластинчасто-листову кристалічну решітку і, як наслідок, високу поверхневу енергію. Це обумовлює активну взаємодію мінералів з водою, яка може поглинатись або віддаватись міжлистовими проміжками. Мінерали при цьому відповідно збільшуються або зменшуються в об’ємі, стають пластичними при змочуванні і крихкими при висиханні. Деякi мiнерали ,при цьому, розпадаються.

Значну кількість води також містить гіпс (CaSO₄2H₂O) - водний сульфат кальцію. На глибині понад 150 м під дією тиску покриваючих порід гіпс обезводнюється і переходить в ангідрит, зменшуючись, при цьому, в об’ємі.

Вода у вигляді пари. Пори гiрських порiд в природі завжди містять воду, а при відповідній температурі – і водяну пару. Вона проникає в пори з атмосфери, а також утворюється внаслiдок випаровування рiдкої води в самих по­рах.. Рух водяної пари в порах порiд вiдбувається вiд дiлянок з бiльшим тиском до дiлянок з меншим тиском па­ри, що залежить від температури порід. Тобто, пара перемiщується в порах в напрямку падiння температури порiд. Взимку таке перемiщення вiдбувається з нижнiх шарiв грунту у верхнi, а влiтку - в зворотньому напрямку. Пароподiбну вологу рослини не засвоюють.

Зв'язана волога. В природному стані частки породи притягують до себе деяку кiлькiсть молекул води, внаслiдок чого навколо них утворюється водна оболонка тiєї чи iншої товщини. Така вода, що утримується на поверх­нi часток порiд сорбцiйними силами (вiд лат. "сорбео" - поглинаю), називається з в' я з а н о ю в о л о г о ю. Зв'язана волога подiляється на гiгро­скопiчну i плiвкову (мал. 18).

Гiгроскопiчна волога поглинається частками сухої породи з повiт­ря, утворюючи навколо них несуцiльну або суцiльну плiвку. Молекули гiгро­скопiчної вологи притягуються до поверхнi часток породи з великою силою, яка доходить безпосередньо бiля поверхнi часток грунту до 10 т/см². Тому така волога вiдрiзняються вiд звичайної рiдкої води: щiльнiсть бiля 15 г/см³, дуже в'язка, температура замерзання складає -78°С. Рослинами ця волога не засвоюється. Рух її вiдбувається через перехiд в пароподiбний стан вiд дiлянок з бiльшою пружнiстю до дiля­нок з меншою пружнiстю пари.

Кількісно максимальна гігроскопічна вологість (W_г) – це відношення ваги максимальної кількості гігроскопічної води до ваги абсолютно сухої породи. Є кілька методів її визначення. Найбільш простий з них, коли беруть породу, що її досліджують, розтирають до найдрібніших часток, висушують до постійної ваги g₁. Потім цю пробу поміщують в ексикатор, де 100 % вологість повітря створюється різними розчинами, зокрема перенасиченим розчином К₂SO₄. Пробу в ексикаторі витримують до постійної ваги g_г і вираховують за формулою максимальну гігроскопічну вологість

(15)

Мал. 18. Різні стани води у грунті за А.Ф Лебедєвим: 1-частка грунту з неповною і частка грунту з повною гігроскопічністю, 3 і 4 – частки з плівковою вологою, 5- частка з гравітаційною водою. Кружечками показана вода у вигляді пари.

Плiвкова волога знаходиться на частках грунту поверх гiгроскопiч­ної. Товщина плiвки може досягати десяткiв дiаметрiв молекул. Щiль­нiсть вiдповiдає щiльностi звичайної рiдкої води. Перемiщується така волога вiд частки грунту з товстiшою до частки з тоншою плiвкою до тих пiр, доки тов­щини плiвок не зрiвняються. Плiвкова волога частково засвоюється рослинами (її зовнiшнi, найбiльш вiддаленi вiд частки породи, шари), має понижену здатнiсть розчинення солей.

Кількість плівкової води можна визна­чити на центрифузі, яка розвиває швидкість до 5 тис. обертів за хвилину, що забезпечує видалення плівкової води. Максимальна молекулярна вологість (W_м) – це відношення ваги максимальної кількості молекулярної (плівкової) води до ваги абсолютно сухої породи (g₁). Для її визначення беруть пробу досліджуваної породи або ґрунту, розтирають її, добавляють води, доводячи її до м’ягко­пластичної консистенції. Потім з цієї пасти виготовляють паляничку, яку з обох боків обкладають фільтрувальним папером (не менше як по 10 листків з кожного боку), поміщують її в компресійний прилад і піддають навантаженню 0,6 МПа, що забезпечує видалення вільної води. Паляничку зважують (g_м), потім висушують до постійної ваги (g₁). Максимальну молекулярну вологість визначають як

(16)

Вміст плівкової води в породах різний: в глинистих він більший ніж у піщаних, в дрібнозернистих більший ніж крупнозернистих, а в дрібнозернистих більше, ніж крупнозернистих. Середній вміст плів­кової води в пісках крупнозернистих складає 1,57, пісках середньо­зернистих 1,60, пісках дрібнозернистих 2,73, піщаному пилу 4,75, мулі 10,18 і глині до 44,85 %.

Вільна вода знаходиться поза впливом сил притягання з боку часток породи. ЇЇ подiляють на капiлярну i гравiтацiйну воду.

Капiлярна вода виповнює капiлярнi пори в породi i утримується в них пiд дiєю капiлярних сил. Якщо капiлярна вода не сполучується з вiльною (ґрунтовою) водою, то її називають пiдвiшеною капiлярною. Утримує її в порах менiск в нижньому кiнцi капiляра. Власне, капiлярна вода пiдiймається вверх вiд рiвня вiльної (ґрунтової) води. Висота капілярного пiдняття залежить вiд гранулометрично­го складу порiд (в дрібнозернистих породах вона вища). Висота, до якої пiдiймається капiлярна вода, визначає верхню границю так званої зони капілярного пiдняття (капiлярної зони). При випаровуваннi капi­лярна зона вiдновлюється за рахунок пiд’йому нових порцій ґрунтових вод. Підвішена i, власне, капiлярна води легко доступнi для рослин.

Висота і швидкість капілярного підняття залежать від гранулометричного складу водовмісткої породи, що визначає діаметр пор. Встановлено, що чим дрібніші зерна, що складають породу, тим більша висота капілярного підняття. Швидкість капілярного підняття, навпаки, більша в крупнозернистих породах і менша в дрібнозернистих.

За даними лабораторних і польових досліджень встановлено, що висота капілярного підняття має наступні зна-

чення: в пісках крупно­зернистих 12 – 15, пісках середньозернистих 40 – 50, пісках середньо­зернистих 90 –110, супісках 175 – 200, легких суглинках 225 – 250 см.

Висота і швидкість капілярного підняття в породах є важливою їх характеристикою, яку треба враховувати при штучному пониженні рівнів ґрунтових вод з метою осушення підтоплених інженерних споруд, полотен залізничних і шосейних доріг, сільськогосподарських угідь.

Існує багато методів визначення висоти капілярного підняття. Один з них, що використовується для піщаних порід, полягає в тому що досліджувану породу поміщують в скляну трубку діаметром 2 – 3 см і висотою 100 – 150 см, в нижньому кінці якої поміщують резервуар з водою. Про висоту капілярного підняття можна судити по забарвленню породи, змочена має більш темне забарвлення. Висота капілярного підняття вважається встановленим, якщо протягом доби не відбувається зміна рівня.

Існує формула Жюрена для визначення висоти капілярного підняття h за діаметром капіляру r

. (17)

Гравітаційна або вільна вода має властивості рідини, вона може повністю заповнювати пори, рухається під дією гравітації і передає гідростатичний тиск.

Гравiтацiйна вода не зв'язана з поверхнею часток i не утримується капiлярними силами. Вона перемiщується пiд впливом сили тяжiння. Розрiзняють гравiтацiйну воду, що просочується i знаходиться в станi руху вниз по некапiлярних порах i трiщинах, i пiдперту гравiтацiйну, що знаходиться на водотривкому шарi породи (водотривi). Останнiй вид гравiтацiйної води в залежностi вiд умов залягання може називатись верховодкою або ґрунтовою водою. Дані види гравітаційної води детальніше розглянуті у розділі „Гідрогеологія”.

Вода в твердому стані. Вiльна вода при температурi порiд нижче нуля градусiв за Цельсiєм замерзає, утворюючи лiд. Останній скрiплює окремi частки розсипчастих порід, утворюючи мерзлотні грунти. Такі грунти при замерзанні збільшуються в об’ємі, що викликає пучення поверхні грунтів. Особливо широко мерзлотні явища розвинуті в північних широтах в Сибірі та в Канаді. Вивченням цих явищ займається наука геокрінологія, назва якої походить від грецького слова кріос – лід.